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São João del-Rei - MG - Brasil
CONTROLE DE ESTERÇAMENTO DE ROBÔ AGRÍCOLA MÓVEL DE QUATRO RODAS
GUIÁVEIS
GIOVANA T. TANGERINO1, EDUARDO P. GODOY1, RUBENS A. TABILE1, RODRIGO M. SANCHES1, RICARDO Y. INA2
1
MASU , ARTHUR J. V. PORTO
1.
Núcleo de Ensino e Pesquisa em Automação e Simulação, Engenharia Mecânica, EESC-USP
Av. Trabalhador São-carlense, 400, CEP 13566-590, São Carlos, SP, Brasil
E-mails: giovanatt@gmail.com, epgodoy@yahoo.com.br, rubens.tabile@gmail.com, rodrigomarcon@jacto.com.br, ajvporto@usp.br
2. Embrapa Instrumentação
Rua XV de Novembro, 1452, CEP 13560-970, São Carlos, SP, Brasil
E-mail: ricardo@cnpdia.embrapa.br
Abstract
 In a joint project among research institutions and a private company is being designed and built a multifunctional
and modular robotics platform for information acquisition in Precision Agriculture. The robotic platform has as main characteristics four wheels propulsion and independent steering, air suspension and break, adjustable width, span of 1,80m in height, diesel engine, hydraulic system and a CAN-based electronic control system. Several modules can be coupled to the platform: autonomous localization and navigation, computer vision, communication, agricultural parameters sensing, robotic arm, and stabilized stand. The proposed paper presents the four wheels steering distributed control system, based on the difference between the
desired and actual position and considering the angular speed of the wheels. The results demonstrate that the distributed control
system was simple and efficient, providing suitable steering performance for the platform guidance, and also indicate future
work possibilities for the system improvement.
Keywords
 Robotic, precision agriculture, CAN network, hydraulic system.
Resumo
 Em um projeto conjunto entre instituições de pesquisa e empresas privadas está sendo projetada e construída uma
plataforma robótica modular e multifuncional para aquisição de dados em Agricultura de Precisão. A plataforma robótica tem
como características principais: tração nas quatro rodas, direção independente nas quatro rodas, sistemas de suspensão e freios,
bitola regulável, vão livre de 1,80 m de altura, motor diesel, atuadores hidráulicos e sistema de controle eletrônico via rede CAN.
Diversos módulos podem ser acoplados à plataforma: localização e navegação autônoma, visão computacional, comunicação,
sensoriamento de parâmetros agrícolas, braço robótico e plataforma estabilizada. O trabalho proposto apresenta o controle distribuído de esterçamento das quatro rodas da plataforma robótica através de uma rede CAN. A estratégia de controle é baseada
na diferença entre a posição desejada e a posição real, levando-se em consideração a velocidade de deslocamento das rodas. Os
resultados mostram que o sistema de controle distribuído foi simples e eficaz, proporcionando desempenho de esterçamento adequado para a guiagem da plataforma, e indicam possibilidades para trabalhos futuros para melhora do sistema.
Palavras-chave
 Robótica, agricultura de precisão, rede CAN, sistema hidráulico.
1
Introdução
O agronegócio é uma atividade de grande relevância
para a economia do Brasil, respondendo por mais de
30% do Produto Interno Bruto (PIB). Prover soluções para desenvolvimento de agricultura sustentável
através de criação e transferência de tecnologia é de
grande interesse para esse setor da economia. O emprego de técnicas de gerenciamento, tal com Agricultura de Precisão (AP), visam melhor aproveitamento
da área cultivada e abrem oportunidades de desenvolvimento tecnológico aplicado ao setor agrícola.
Novas práticas agrícolas relacionadas com a AP
têm demandado um número crescente de pesquisas
em sensores embarcados e redes de comunicação
(Auernhammer & Speckman, 2006) para o estudo da
variabilidade espacial e para a aplicação de insumos
à taxa variada. Novas tecnologias e dispositivos para
aquisição de dados e atuação em tempo real estão
sendo desenvolvidos para equipar máquinas agrícolas
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para dar suporte a essas práticas e torná-las automatizadas (Stone et al., 2008).
O uso de AP através de tecnologias para controle
de aplicação localizada à taxa variada torna possível
o gerenciamento da plantação que busca potencializar a produtividade considerando a variabilidade
espacial da área, em contraposição à forma de gerenciamento tradicional, que aplica a mesma quantidade
de insumo para toda uma área. Tecnologias de AP
oferecem apoio ao agricultor nas decisões sobre onde
e como aplicar os insumos necessários, podendo resultar em melhor uso do produto químico, em aumento de produtividade e em redução de custos para o
produtor (Srivastava et al., 2006).
Para que seja possível a aplicação de insumos à
taxa variável, é necessária a detecção da existência de
variabilidade da plantação. A coleta de informações
sobre a plantação através de sensoriamento embarcado é uma alternativa aos tipos de coleta por amostragem e sensoriamento remoto, atualmente empregados
(Tangerino, 2009). O uso de sensores embarcados em
veículos agrícolas traz como vantagem a redução de
mão-de-obra e de tempo gasto, como ocorre em uma
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coleta por amostragem. Além disso, fornece dados de
melhor qualidade, pois realiza a coleta de dados de
forma padronizada em toda a área a ser analisada, ou
seja, eliminando possíveis erros causados por falha
humana durante a coleta de dados em grandes áreas.
Nesse sentido, o uso de robôs como veículos agrícolas autônomos, possui um interessante potencial
como uma valiosa ferramenta tecnológica para a AP,
trazendo a vantagem de poder fazer uso das diversas
teorias em controle robótico, já fundamentas e consolidadas para aplicações em diversas outras áreas
(Grift et al.,2008). Essa tendência recente de desenvolvimento de robôs móveis e veículos autônomos
para realização de tarefas específicas é norteada principalmente por melhorar a eficiência e originar ganhos de operação (reduz compactação do solo, ausência de operador) quando se comparados com a
utilização de grandes máquinas (Blackmore & Griepentrog, 2006).
Trabalhos têm sido desenvolvidos buscando adaptar máquinas agrícolas para operações automáticas (Reid et al., 2000 e Keicher & Seufert, 2000).
Seguindo uma tendência mais atual está o projeto de
plataformas especificas para veículos autônomos e
robôs agrícolas (Bakker et al., 2009 e Cariou et al.,
2009). Baseando-se nesse foco de pesquisa, o projeto
“Agribot: Desenvolvimento de uma plataforma robótica modular e multifuncional para aquisição de dados em agricultura de precisão” financiado pela FINEP, está desenvolvendo um robô agrícola móvel,
denominado Agribot, resultado de uma parceria entre
a Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP), a Unidade de Instrumentação da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa Instrumentação), e a Máquinas
Agrícolas Jacto S.A.
2 Descrição do sistema
O projeto visa desenvolver uma plataforma robótica
modular capaz de se locomover em ambientes típicos
da área agrícola com a finalidade de aquisição de
dados e pesquisa de novas tecnologias para o sensoriamento remoto para a área agrícola. Suas principais
características são a robustez, mobilidade, elevada
capacidade operacional e autonomia condizente com
as necessidades agrícolas. A plataforma robótica base
apresentará característica multifuncional no sentido
de permitir o acoplamento de módulos de aquisição
de dados em campo para estudo da variabilidade espacial por meio de sensores e equipamentos considerados portáteis.
A plataforma proposta é composta de dois subsistemas principais: o subsistema plataforma robótica
e o subsistema módulos, descritos a seguir.
2.1 Subsistema: Plataforma robótica
Esse subsistema é constituído por uma estrutura
composta por sistemas mecânicos e eletrônicos, ca-
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paz de se locomover com eficiência em ambientes
agrícolas adversos. Sua construção foi realizada pela
empresa Jacto, tendo como base a estrutura em pórtico de um robô agrícola móvel construído anteriormente (Sousa, 2007; Godoy et al., 2009; Godoy et
al., 2010; Tabile et al., 2010; Tabile et al., 2011).
Figura 1. Robô agrícola móvel: Agribot
A estrutura tem o formato retangular e em pórtico com vão livre de 1,8 m de altura (Figura 1). O
chassi possui bitola regulável de 2,25 m a 2,80 m, ou
seja, é possível alterar a distância entre as rodas em
função das características da plantação na qual se
deseja locomover. Como a Plataforma Robótica Móvel é projetada para operar nas principais culturas da
agricultura brasileira, durante quase todo o ciclo de
crescimento e de pós-colheita, é exigida versatilidade
da estrutura visando atender todas as situações. Para
oferecer essa versatilidade, o sistema foi projetado
em módulos independentes, sendo eles: Módulo
Chassi, onde são fixados o motor principal, o tanque
de combustível, o reservatório de óleo do sistema
hidráulico, as bombas hidráulicas responsáveis por
alimentar os motores e cilindros hidráulicos; Módulo
rodas, composto por motor hidráulico de propulsão,
pneu agrícola 9,5” x 24” ligado diretamente ao motor
hidráulico, sistema de esterçamento, sistema de suspensão pneumática e haste telescópica para fixação
junto ao chassi superior e que permite regulagem da
bitola.
Acima do chassi superior fica localizado um gabinete refrigerado para acomodar os sistemas de navegação e controle, assim como outros componentes
eletrônicos que compõem o robô. A plataforma possui um peso de aproximadamente 2800 kg.
O esquemático da Figura 2 indica o sistema eletromecânico da plataforma robótica. A principal fonte de potência é um motor 4 tempos ciclo diesel turbo
alimentado, fabricado pela Cummins Inc., com sistema de injeção eletrônica de combustível e que fornece 59,65kW (80cv) a 2200 RPM. O uso de um motor
diesel oferece autonomia, que nesse caso pode chegar
a até 20 horas, e capacidade de reabastecimento rápido. O tanque para combustível tem capacidade de
140 litros de óleo diesel. Há também um sistema de
alimentação elétrica de 12 Vccs e 170 Ah, composto
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por três baterias ligadas em paralelo, totalizando
510Ah, realimentadas por um alternador fixado junto
ao motor diesel.
Figura 2. Esquemático do sistema eletro-mecânico.
O sistema de controle e gerenciamento do motor
diesel é proprietário da Cummins Inc., no qual é utilizado o protocolo de comunicação J1939 com taxa
de transmissão de dados de 250 kbit/s. O sistema de
controle exige que o usuário envie pacotes de mensagens periódicas de verificação, caso contrário, o motor é desligado automaticamente. O dado de entrada
do sistema é o valor de RPM de operação e a saída
são alarmes de falhas do motor e parâmetros operacionais.
O sistema hidráulico de propulsão é composto
por duas bombas variáveis de pistões axiais com controle proporcional eletrônico por solenóide fabricadas pela Bosch Rexroth AG, com pressão nominal de
30000 kPa (300 bar) e vazão máxima de 28 cm3 por
revolução, rotação máxima na vazão máxima 4000
RPM. As bombas estão ligadas em série e fixadas
diretamente ao motor diesel. As bombas alimentam
quatro motores hidráulicos de pistões radiais com
duas velocidades, também fabricados pela Bosch
Rexroth AG, rotação máxima a ½ cilindrada de 465
RPM o que gera a velocidade de deslocamento de até
24 km.h-1, vazão nominal de 470 cm3 por revolução,
torque nominal e máximo de 1680 Nm e 3030 Nm,
respectivamente. Os motores hidráulicos são dotados
de freio estático com torque de 2200 Nm e enconderes. O sistema de controle dos motores de propulsão
é proprietário da Bosch Rexroth AG. Por questões de
segurança a empresa somente fornece bombas e motores com o sistema de controle incluso. O protocolo
de comunicação utilizado é o CAN ISO 11898 com
taxa de transmissão de dados de 250 Kbit/s e ID de
29 bits. Os dados de entrada do sistema são: sentido
de deslocamento e velocidade do motor, status do
freio estático; os dados de saída são: velocidade dos
motores, alarmes de falhas da transmissão.
O sistema hidráulico de guiagem é composto por
duas bombas de engrenagens fabricadas pela Bosch
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Rexroth AG, com pressão nominal de 25000 kPa
(250 bar) e vazão máxima de 11 cm3 por revolução,
rotação máxima 3500 RPM. As bombas estão ligadas
em série e fixadas diretamente após as bombas do
sistema de propulsão. As bombas alimentam 4 cilindros hidráulicos de dupla ação, que são controlados
por um bloco de controle da empresa Hydraulic Designers com quatro válvulas proporcionais com oito
vias (2 para cada cilindro) acionadas por solenóide.
Cada cilindro está conectado a uma cremalheira, que
aciona um pinhão, convertendo movimento linear em
radial, permitindo que a roda esterce de 133o a -133o.
A leitura da posição de cada cilindro é feita por um
potenciômetro linear fabricado pela Gefran S.p.A.
O sistema de controle dos cilindros hidráulicos
de guiagem é feito por meio de um módulo de controle de guiagem (MCG) da Sauer-Danfoss Hidráulica Mobil Ltda. O módulo atua junto ao bloco de controle da Hydraulic Designers. O dado de entrada do
sistema é o valor de PWM (0 a 100%) que comanda
a abertura e o fechamento da válvula de acionamento
do cilindro hidráulico de cada roda. Os dados de saída são os valores lidos nos potenciômetros.
O MCG da Sauer-Danfoss tem capacidade de
comunicação através dos protocolos CAN ISO 11898
e J1939, por este motivo, o sistema foi configurado
para permitir a troca de mensagens entre o MCG e os
módulos Bosch (propulsão) e Cummins (motor Diesel). Tornando, dessa forma, o MCG da SauerDanfoss um centralizador de mensagens, e exigindo
do usuário apenas a troca de mensagens com esse
módulo.
Para processamento de rotinas de controle e comunicação entre usuário e máquina, faz-se uso de um
computador industrial com arquitetura baseada em
PC, responsável pelo envio e recebimento de mensagens de entrada e saída com os módulos de controle.
2.2 Subsistema: Módulos
Nesse subsistema, equipes formadas por pesquisadores da EESC e da Embrapa são as responsáveis
pelo desenvolvimento dos módulos que serão acoplados na plataforma robótica.
Os módulos são responsáveis pela realização de
tarefas distintas, conforme a necessidade da aplicação, flexibilizando as áreas de aplicação do conjunto.
Os módulos propostos são:
Localização e Navegação Autônoma: fornecer
habilidade de navegação autônoma para a plataforma
robótica base por meio da utilização de sistemas de
GPS, sensores inerciais e sensores laser de escaneamento de ambientes.
Visão Computacional: que consiste no sistema
para captura e análise de imagens de cenas agrícolas.
A informação gerada pode ser utilizada tanto para
fins de navegação quanto para análise e busca de
variabilidade da cultura.
Comunicação Sem Fio: para teleoperação e troca
de informações entre a plataforma robótica base e
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uma estação central de operação. Comunicação entre
módulos distribuído por meio de rede CAN.
Sensoriamento de parâmetros agrícolas: a partir
de diversos sensores correlacionados com variáveis
da área agrícola para detecção de variabilidade.
Braço Robótico: desenvolvimento de um braço
robótico articulado e portátil para movimentação,
posicionamento e suporte para tarefas a serem realizadas como interação com o ambiente, intervenções e
coletas de amostras.
Plataforma Estabilizada: imune a vibrações, oscilações e alterações devidas a movimentos da plataforma robótica, para acoplamento dos módulos desenvolvidos.
3 Algoritmo de controle
A rotina de controle de navegação (RCN) foi desenvolvida em ambiente LabView, software comercial da National Instruments Corporation, e instalado
no PC industrial embarcado na plataforma. A RCN
estabelece comunicação com o módulo de controle
(MC) através de rede CAN ISO 11898.
da roda em paralelo a esse eixo representa a posição
de ângulo zero. Esterçamento para esquerda do zero
representa ângulo negativo. Esterçamento para direita
do zero representa ângulo positivo.
O controle para o esterçamento realizado pelo
programa principal leva em consideração a posição
angular atual da roda, a posição angular desejada e a
velocidade angular de esterçamento das rodas.
Através de adaptação ao modelo cinemático do
robô, a interface de usuário ou de navegação autônoma determina qual a posição que cada roda deve
estar, e esse valor é transferido ao programa principal.
3.1 Características
gem/esterçamento
do
sistema
de
guia-
A RCN envia o comando ao MCG, que atua com
um sinal elétrico sobre os quatro solenóides, estes
por sua vez, comandam a atuação das quatro válvulas
proporcionais. Cada uma das quatro válvulas possui
duas vias, que determinam o sentido para o qual o
movimento da roda ocorrerá. A abertura das válvulas
libera o fluído que realiza o movimento linear dos
cilindros hidráulicos para um dos sentidos possíveis.
Um sistema acoplado de cremalheiras e pinhões, ligados aos cilindros hidráulicos, transforma o movimento linear em movimento radial das rodas (Figura
4).
Figura 4. Esquemático do sistema de guiagem
Figura 3. Esquemático do algoritmo de controle
A RCN (Figura 3) deve conter: interface com
usuário e/ou sistema de navegação autônoma e programa principal. A interface com usuário ou o sistema de navegação autônoma devem receber o comando contendo as informações de deslocamento do robô
agrícola (comando de deslocamento), adaptar essas
informações ao modelo cinemático do Agribot, e
transferir essas informações adaptadas ao programa
principal. O programa principal é o responsável por
trocar mensagens de comandos e status com o MC,
fazer os cálculos de controle e as indicações de status.
Este trabalho descreve a rotina de controle do
programa principal para o sistema de esterçamento,
independentemente de quem esteja acionando o sistema, o usuário ou o sistema autônomo de navegação.
O ângulo de posicionamento das rodas é definido em relação ao eixo principal do robô. A posição
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A atuação de abertura das válvulas usa sistema
do tipo PWM. A mensagem de controle das válvulas
enviada pela RCN contém um valor de 0 a 100%
correspondentes ao PWM aplicado.
O MCG trabalha com o envio periódico pela rede CAN, no período de 100ms, de mensagens indicativas com o valor das leituras dos potenciômetros. O
controle do programa principal usa essas mensagens
como referência para o envio de comandos, ou seja,
os comandos com valor de PWM são enviados na
frequência de 10 mensagens por segundo.
Uma das características do sistema que deve ser
considerada em seu controle é o fato de que o cilindro hidráulico atua com força diferente entre os dois
sentidos de deslocamento. Ou seja, um mesmo valor
de PWM aplica mais força em um dos sentidos de
deslocamento do que de outro. Essa diferença ocorre
devido à perda de área imposta pela haste do pistão
que se movimenta dentro do cilindro.
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Outro fato a ser considerado, é que a curva de
aplicação de PWM em relação à saída do sistema é
não linear.
As características citadas acima devem ser consideradas na escolha do sistema de controle de esterçamento.
3.2 Algoritmo de controle de guiagem/esterçamento
O esquemático da Figura 5 ilustra o algoritmo de
controle incremental de esterçamento desenvolvido.
O algoritmo é executado até que o erro entre a
posição desejada e a posição real seja menor que o
erro tolerado.
Para o funcionamento do sistema os parâmetros
do controle escolhidos foram: para incremento/decremento o valor de 2% do PWM.
Na primeira iteração do algoritmo o valor do
PWM inicial é igual a 30% do valor total possível,
nas iterações seguintes o valor passa a ser o valor no
qual o movimento teve início menos 10%.
O erro tolerado considerado é de 2 graus. É considerado que houve movimento quando há uma diferença maior ou igual do que 1 grau entre as leituras
de posicionamento.
Foram realizados testes em tipos de solo diferentes e com o robô em movimento ou parado, buscando
identificar diferenças de comportamento do sistema
em relação à inércia oferecida por cada situação
O movimento de esterçamento partindo do ângulo de 0° e indo até 90°, representa um movimento no
sentido horário, e o movimento de 0° até -90°, no
sentido anti-horário.
4 Resultados
Figura 5. Esquemático do algoritmo de controle de esterçamento
O início da atuação do controle de esterçamento
se dá com a comparação entre o valor de posicionamento desejado e o valor real. Caso a diferença entre
eles seja maior que um erro máximo tolerado, o sistema atuará para diminuir esse erro. O primeiro passo
é aplicar um valor de PWM inicial. O valor do PWM
deve ser incrementado até que ocorra a movimentação da roda.
A detecção de movimento é feita comparando-se
as duas últimas leituras de posicionamento da roda.
Caso a diferença entre elas seja maior que um valor
mínimo estipulado, então se considera que houve
movimento.
A partir do momento que a roda entra em movimento passa a ser considerada a velocidade com que
está ocorrendo esse movimento. A intenção é que
essa velocidade seja mantida constante. Para isso, é
feita a comparação entre as leituras anteriores de posicionamento da roda, como cada leitura ocorre a
cada 100ms, tem-se a velocidade de deslocamento.
Caso a velocidade seja maior ou menor que um valor
estipulado, então ocorre o decremento ou incremento,
respectivamente, do valor do PWM sendo aplicado.
ISSN: 2175-8905 - Vol. X
Os gráficos da Figura 6 mostram o movimento
de esterçamento da roda dianteira esquerda (DE),
com posição inicial no ângulo zero e passando pelos
ângulos 90º, 0°, -90° e 0°, sucessivamente. Essa curva foi escolhida por ser bem representativa das situações encontradas com as demais rodas. O gráfico
superior mostra os valores de comandos para posição
desejada e os valores de leitura da posição real. O
gráfico inferior da mostra o valor de PWM sendo
aplicado pelo sistema.
Figura 6. Curva de resposta do sistema para posição desejada e
posição real e curva de PWM aplicado
O tempo que o sistema leva para sair da posição
até chegar à posição desejada tem variação maior em
relação ao sentido do movimento. No caso da roda
DE, o movimento com sentido de giro horário é mais
rápido do que o anti-horário. Esse comportamento
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tem relação com a característica construtiva do cilindro.
A curva de PWM mostra a dinâmica do sistema
buscando manter a velocidade de esterçamento constante. Em geral, o movimento de todas as rodas tem
início com um PWM aproximado de 39,43% e com
desvio padrão de 2,03%, para ambos os sentidos. O
valor inicial de PWM é próximo para todas as rodas
devido ao tipo de controle implementado. O gráfico
indica que para o movimento no sentido horário, um
PWM inicial menor seria suficiente para o movimento da roda.
A troca de mensagens de controle através da rede CAN insere atrasos de resposta muito pequenos ao
sistema. Os atrasos podem ser atribuídos à lentidão
característica do sistema hidráulico e ao tipo de controle utilizado com o incremento de 2% no PWM, o
que resultou em uma constante de tempo elevada
para o sistema controlado.
5 Conclusão
Os resultados mostram que o sistema de controle
foi simples e eficaz, levando a roda à posição desejada através de seu esterçamento.
Os resultados indicam, também, pontos a serem
melhorados no sistema de controle de esterçamento,
ou seja, oportunidades para trabalhos futuros, tais
como, controle mais refinado para PWM aplicado
para início de movimento, ou controle de esterçamento cronometrado entre as rodas.
Agradecimentos
Agradecimentos aos órgãos financiadores FINEP,
CNPq, FAPESP, às instituições de ensino e pesquisa
EESC-USP, Embrapa Instrumentação, e à Máquinas
Agrícolas Jacto S.A. pelo dimensionamento e construção da estrutura mecânica e sistema de potência.
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