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Synchronized speed control system between two agricultural vehicles/Sistema de controle de velocidade sincronizada entre dois veiculos agricolas.

INTRODUCAO

Uma das causas de perda de materia-prima durante a colheita e a falta de sincronismo entre a colhedora e o trator que traciona a carreta de recolhimento de biomassa, especialmente nas colhedoras que nao tem capacidade de armazenamento, como as colhedoras de forragem, cafe e cana-de-acucar. Alem das perdas de materia-prima, existe tambem uma diminuicao da capacidade operacional efetiva quando o transbordo se adianta em relacao a colhedora, obrigando o operador do trator a realizar manobras para realinhar os equipamentos na posicao ideal de trabalho.

Nas duas ultimas decadas, o uso de sistemas de controle eletronico em maquinas agricolas vem aumentando, gracas a ampla difusao dos sistemas de satelite de posicionamento global (GPS) e ao avanco da informatica e da eletronica. Observa-se um crescente interesse na adocao de pilotos automaticos e isso se da pelo fato de que este sistema diminui o estresse do operador e possibilita ainda uma maior confiabilidade no trabalho noturno (BERGLUND & BUICK, 2005). A fadiga mental sobre estes operadores nao e causada apenas pela monotonia do trabalho, mas tambem devido ao estresse criado pela necessidade de dirigir com precisao dentro de linhas estreitas sem causar dano a vegetacao, mantendo um ritmo de trabalho adequado.

A medida que a tecnologia avanca, informacoes mais ricas e precisas estao sendo incorporadas aos sistemas inteligentes de veiculos agricolas, exigindo que as informacoes de controle sejam rapidamente tratadas para garantir uma resposta confiavel e rapida do sistema. Operacoes agricolas automatizadas sao reguladas por sistemas de controle com retroalimentacao e cuja execucao de loops incluem sensores para as variaveis sob controle (ROVIRAMAS, 2010).

Atualmente, os pilotos automaticos comerciais nao controlam a velocidade dos veiculos e sim a direcao, baseando-se em referencias pre-estabelecidas. Os sistemas de controle de velocidade e direcao para veiculos agricolas autonomos sao geralmente baseados em teorias de controle que empregam modelos proporcional integral derivativo (PID), por ser mais simples e facil de implementar. Esse tipo de controle requer que o modelo matematico do sistema seja conhecido, o que nem sempre esta disponivel. Para aplicacoes mais complexas, com parametros e que apresentam incertezas e comportamentos nao lineares, o emprego da logica fuzzy para controle tem apresentado melhores resultados que os controladores PID (KODAGODA et al., 2002).

Alem dos pilotos-automaticos, observa-se que ha interesse em desenvolver solucoes especificas mais complexas, como, por exemplo, detectar a posicao e orientacao do veiculo em relacao a cultura em tempo real, como apresentado por KISE et al. (2005). Os autores utilizaram duas cameras como sensores de visao para guiar o trator entre as fileiras de soja. O sistema de acionamento automatico consistia de uma valvula solenoide direcional proporcional de controle e um sensor de angulo potenciometrico na roda para a execucao de circuito fechado de controle de direcao. A analise quantitativa dos resultados indicaram que a raiz do erro quadratico medio (EQM) do desvio lateral entre a trajetoria realizada e a trajetoria de referencia foi de 0,03m, a uma velocidade de 2,5m [s.sup.-1], mas os autores afirmaram que poderiam melhorar a acuracia do sistema atraves da adocao de metodos de controle de direcao mais robusto, como feed-forward, mais PID e controle fuzzy. SUBRAMANIAN et al. (2006) tambem desenvolveram um sistema de controle automatico PID de direcao para tratores trafegando em pomares de citros, utilizando sensor de visao, radar laser e encoders. Segundo os autores, o EQM de posicionamento foi, em todos os casos, inferior a 0,03m e erro medio instantaneo observado foi de 0,06m.

Todavia, nao foram encontradas solucoes para o controle automatico de direcao e velocidade de veiculos agricolas que devem trafegar sincronizados. MAGALHAES et al. (2008) descreveram um sistema de controle de posicionamento para auxiliar o sincronismo entre a colhedora de cana-de-acucar e o veiculo de transbordo, utilizando sensores de ultrassom para identificar a posicao dos veiculos e transmissores de radio frequencia para a comunicacao entre operadores das maquinas que realizavam o ajuste da velocidade manualmente. O uso do sistema permitiu reduzir as perdas de materia-prima em cerca de 60kg [ha.sup.-1], comparado com o sistema desligado.

O presente trabalho teve por objetivo implementar e avaliar o desempenho de um sistema automatico de controle de sincronismo de velocidade, desenvolvido em logica fuzzy e analisar a viabilidade de sua utilizacao em operacoes de colheita que requerem o acompanhamento de veiculos para recolhimento da biomassa junto a colhedora.

MATERIAL E METODOS

Os testes com o sistema de controle de velocidade foram realizados no campo experimental da ESALQ, Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz", Piracicaba, SP, durante os meses de junho e julho de 2010. Para o experimento, utilizou-se, como trator mestre, um Massey Ferguson modelo 291 equipado com motor Perkins modelo 1104C-44T de 4 cilindros com aspiracao natural e acionamento mecanico com 74kW de potencia e, como escravo, um trator Massey Ferguson modelo 5320 equipado com motor Perkins modelo 1006-6 de 6 cilindros com aspiracao natural e acionamento mecanico com 88,2kW de potencia, ambos trabalharam na faixa de rotacao de 1800 a 2200rpm. O trator mestre foi instrumentado com computador de bordo, transmissor de radiofrequencia com protocolo de comunicacao ZigBee (XBee , MaxStream, Minnetonka), encoder (Hohner, serie 58, Beamsville) instalado na roda com a finalidade de medir o deslocamento do trator e GPS (Garmin Corporation, serie 18PC, Taiwan). No computador de bordo, foi instalado um programa mestre desenvolvido em Visual Basic utilizando o software Microsoft[R] Visual Studio[R] NET 2008 que, como entrada, recebe o valor da velocidade do GPS e os pulsos do encoder e, como saida, envia as informacoes de velocidade ao trator escravo. No trator escravo, foram instalados os mesmos componentes do trator mestre e tambem um motor de passo (TAK57H8604, Tekkno, Bauru) como atuador sobre o governador mecanico para controle da velocidade do trator.

Como sistema de controle, utilizou-se a equacao fuzzy de velocidade modelada e simulada por BALDO (2011) como segue: z = a + b * x + c * y + d * [x.sup.3] + e * [y.sup.2] + f * x * y + g * [x.sup.3] + h * [y.sup.3] i * x * [y.sup.2] + j * [x.sup.3] * y, em que: z = Saida (atuacao,%); x = Entrada (diferenca entre a velocidade do trator mestre e escravo); y = Entrada (erro da diferenca de velocidade); a ate j = coeficientes dos termos dependentes da equacao, determinados a partir do Toobox-Fuzzy do MatLAB (MatWorks, Versao 6.1) .

Essa equacao tem como entrada a diferenca de velocidade entre o trator mestre e o trator escravo e a diferenca do erro atual com o erro anterior. Como saida, o controlador fuzzy gera um sinal que representa a porcentagem de atuacao na velocidade (Figura 1).

Para validar o sistema, primeiramente, realizaram-se testes somente com o trator escravo, utilizando, como sinal de entrada, valores preprogramados de velocidade. Nesse caso, aplicaramse funcoes degrau ascendente e descendente, uma com entrada de [+ or -] 0,14m [s.sup.-1] (0,5km [h.sup.-1]) e outra de [+ or -] 0,42m [s.sup.-1] (1,5km [h.sup.-1]), na faixa de 1,11m [s.sup.-1] (4,0km [h.sup.-1]) ate 1,53m [s.sup.-1] (5,5km [h.sup.-1]). No segundo teste, utilizaram-se dois tratores, o mestre e o escravo, e a velocidade do mestre foi incrementada de [+ or -] 0,14m [s.sup.-1] ou de [+ or -] 0,42 m [s.sup.-1] na faixa de operacao de 1,11m [s.sup.-1] a 1,53m [s.sup.-1]. Em ambos os casos, foram realizadas tres repeticoes para cada teste.

A analise dos resultados consistiu na determinacao do erro medio (EM), calculado pela soma dos modulos dos erros de previsao das velocidades e deslocamentos dos tratores, dividido pelo numero de observacoes; o erro quadratico medio (EQM), que e a soma dos erros de previsao ao quadrado, dividido pelo numero de observacoes; e o erro medio percentual (EMP), que e a diferenca entre o valor medido e desejado no periodo, dividido pelo valor desejado e pelo numero de observacoes.

RESULTADO E DISCUSSAO

A figura 2 apresenta a simulacao da variacao de velocidade de entrada e a resposta do trator escravo para os testes realizados somente com um trator. Pelos graficos, observa-se que o trator acompanhou a velocidade estabelecida, no entanto, e possivel verificar flutuacoes sobre o valor da velocidade que ocorre principalmente em virtude do sistema de controle mecanico de injecao do motor diesel. A tabela 1 apresenta a estatistica descritiva realizada com as diferencas entre a velocidade do trator escravo e a velocidade objetivo, para toda a faixa de teste. Verifica-se que, em todos os casos, o EQM nao foi significativo e o maior EMP, em modulo, foi de 1,4%. A maxima diferenca de velocidade durante o percurso, em modulo, foi de 0,45m [s.sup.-1] nos testes realizados com a variacao de velocidade de 1,53m [s.sup.-1] para 1,11m [s.sup.-1]. Ja nos teste com a funcao degrau de velocidade 0,14m [s.sup.-1], a maxima diferenca de velocidade durante o percurso foi de 0,22m [s.sup.-1] na variacao de 1,25m [s.sup.-1] para 1,39m [s.sup.-1].

[FIGURE 1 OMITTED]

[FIGURE 2 OMITTED]

A figura 3 apresenta a resposta do sistema com os dois tratores variando a velocidade do trator mestre de um valor de referencia de 1,11m [s.sup.-1] para um valor de referencia de 1,25m [s.sup.-1]. Pode-se observar nessa figura que tanto a velocidade do trator mestre quanto a do escravo variam no tempo e, para poder analisar de forma mais clara os resultados, extrairam-se as medias dos valores das velocidades em regime antes e depois da funcao degrau, analisando assim os periodos de regime do sistema.

O grafico de velocidade media do trator mestre e escravo e apresentado na figura 4. Observase que o trator escravo acompanhou o mestre na variacao da velocidade, porem verifica-se que as velocidades medias se diferem da mesma forma apresentada no primeiro teste. A tabela 2 apresenta o total do deslocamento dos tratores, bem como o erro de deslocamento causado pela diferenca entre o deslocamento total do trator mestre e do escravo, medido pelos encoders. Pela tabela, observa-se que o EMP e aleatorio ate mesmo dentro de cada teste, variando, por exemplo, de -0,3% a 1,9% quando o acrescimo da velocidade do trator mestre foi de 1,25 para 1,39m [s.sup.-1]. O maior EMP de deslocamento em todos os testes foi de 2,8%. Esses resultados indicam que o sistema de controle de velocidade desenvolvido precisa ainda ser aprimorado para atender as necessidades reais de campo, onde o erro maximo admitido seria na faixa de 0,5%. Os erros gerados sao decorrentes principalmente do sistema de acelerador do trator, que e acionado por governadores mecanicos. Esses erros poderiam ser corrigidos com o auxilio de sensores de presenca instalados na lateral do transbordo de forma a indicar o desalinhamento das maquinas e retroalimentar o sistema de controle, ou utilizando-se tratores equipados com motores eletronicos.

[FIGURE 3 OMITTED]

CONCLUSAO

Os testes de campo comprovaram que o sistema de controle utilizando logica fuzzy como controlador PID pode ser utilizado para controlar a velocidade de deslocamento de dois tratores que trabalham sincronizados durante operacoes agricolas. O sistema atuou dentro dos limites estabelecidos para velocidades convencionais de colheita entre 1,0m [s.sup.-1] e 1,4m [s.sup.-1], mantendo a diferenca entre as velocidades dos tratores menor que 0,01m [s.sup.-1] com EMP de velocidade menor que 1,4%. A analise de deslocamento apresentou um EMP variando de 0,2% a 2,8%, mostrando que, para uma aplicacao real de campo, seria necessario ainda um aprimoramento do sistema, implementando sensores de retroalimentacao que corrigiriam os erros propagados de deslocamento.

[FIGURE 4 OMITTED]

AGRADECIMENTOS E APRESENTACAO

Os autores agradecem ao Financiamento de Estudos e Projetos (FINEP) e a Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP), pelo financiamento do projeto de pesquisa, e ao Conselho de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico (CNPq), pela concessao da bolsa de doutoramento ao primeiro autor, a Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiros" (Esalq), Universidade Federal de Sao Paulo (USP), pela cessao dos tratores e area experimental, e a Faculdade de Engenharia Agricola (FEAGRI), Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), pela disponibilizacao do laboratorio e pelas facilidades proporcionadas a realizacao deste trabalho.

Este trabalho faz parte da tese de doutorado defendida pelos autores na FEAGRI/UNICAMP.

REFERENCIAS

BALDO, R.F.G. Controle da velocidade e da direcao entre dois veiculos agricolas. 2011. 100f. Tese (Doutorado em Maquinas Agricolas)--Curso de pos-graduacao em Engenharia Agricola, Faculdade de Engenharia Agricola, UNICAMP, Campinas, SP. Disponivel em: <http://cutter.unicamp.br/ document/?code=000784212>. Acesso em: 28 out. 2011.

BERGLUND, S.; BUICK, R. Guidance and automated steering drive resurgence in precision farming. In: EUROPEAN CONFERENCE ON PRECISION AGRICULTURE, 5., 2005, Uppsala. Proceedings... Uppsala: John Stafford, 2005. p.39-45.

FOSTER, C.A. et al. Automatic velocity control of a self-propelled windrower. Computers and Electronics in Agriculture, v.47, p.41-58, 2005. Disponivel em: <http://linkinghub.elsevier.com/ retrieve/pii/S0168169904001206>. Acesso em: 03 fev. 2011. doi: 10.1016/j.compag.2004.10.001

HAGRAS, H. et al. Outdoor mobile robots learning and adaptation. IEEE Robotics & Automation Magazine, v.8, n.3, p.53-69, 2001. Disponivel em: <http://csa.com/partners/ viewrecord.php?requester=gs&collection=TRD&recid=A0211464AH>. Acesso em: 03 fev. 2011.

KISE, M. et al. A stereovision-based crop row detection method for tractor-automated guidance. Biosystems Engineering, v.90, n.4, p.357-367, 2005. Disponivel em: <http:// www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S1537511004002260>. Acesso em: 28 out. 2011. doi:10.1016/ j.biosystemseng.2004.12.008.

KODAGODA, K.R. et al. Fuzzy speed and steering control of an AGV. IEEE Transactions on Control Systems Technology, v.10, n.1, p.112-120, 2002. Disponivel em: <http:// ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=974344>. Acesso em: 28 out. 2011. doi: 10.1109/87.974344.

MAGALHAES, P.S.G et al. Sistema de sincronismo entre a colhedora de cana-de-acucar e o veiculo de transbordo. Engenharia Agricola, v.28, n.2, p.274-282, 2008. Disponivel em: <http://www.scielo.br/ scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-69162008000200008>. Acesso em: 28 out. 2011.doi: 10.1590/S0100-69162008000200008.

ROVIRA-MAS, F. Sensor architecture and task classification for agricultural vehicles and environments. Sensors, v.10, n.12, p.11226-11247. Disponivel em: <http://www.mdpi.com/ 1424-8220/10/12/11226>. Acesso em: 28 out. 2011. doi: 10.3390/s101211226.

SUBRAMANIAN, V. et al. Development of machine vision and laser radar based autonomous vehicle guidance systems for citrus grove navigation. Computers and Electronics in Agriculture, v.53, n.2, p. 130-143, 2006. Disponivel em: <http:// www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016816990600069X>. Acesso em: 28 out. 2011. doi: 10.1016/j.compag.2006.06.001.

Rodrigo Fernando Galzerano Baldo (I) Paulo Sergio Graziano Magalhaes (II)

(I) Faculdade de Ciencias Aplicadas (FCA), Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), R. Pedro Zaccaria, 1300, 13484- 350, Limeira, SP, Brasil. E-mail: rodrigo.baldo@fca.unicamp.br. Autor para Correspondencia.

(II) Faculdade de Engenharia Agricola (FEAGRI), UNICAMP, Campinas, SP, Brasil.

Recebido para publicacao 15.03.11 Aprovado em 01.11.11 Devolvido pelo autor 21.12.11 CR-4945
Tabela 1--Analise estatistica das diferencas entre a funcao objetivo de
velocidade e a obtida pelo trator escravo no decorrer do percurso.

                                    Variacao da velocidade do trator
                                         mestre (m [s.sup.-1])

                                  1,11    1,25    1,39    1,53    1,39
                                  1,25    1,39    1,53    1,39    1,25
Erro medio (EM) (m [s.sup.-1])    NS      NS      NS      -0,01   NS
Erro padrao (m [s.sup.-1])        NS      NS      NS      NS      NS
Desvio padrao (m [s.sup.-1])      0,03    0,03    0,03    0,03    0,03
EQM (m [s.sup.-1])                NS      NS      NS      NS      NS
EMP (%)                           0,02    0,22    0,1     -0,45   -0,4
Minimo (m [s.sup.-1])             0,08    -0,1    -0,1    -0,14   -0,2
Maximo (m [s.sup.-1])             0,14    0,22    0,11    0,06    0,08

                                  Variacao da velocidade do
                                  trator mestre (m [s.sup.-1])

                                  1,25    1,11    1,53
                                  1,11    1,53    1,11
Erro medio (EM) (m [s.sup.-1])    NS      NS      -0,01
Erro padrao (m [s.sup.-1])        NS      NS      0,01
Desvio padrao (m [s.sup.-1])      0,03    0,05    0,07
EQM (m [s.sup.-1])                NS      NS      NS
EMP (%)                           -0,36   0,58    -1,37
Minimo (m [s.sup.-1])             -0,17   -0,1    -0,44
Maximo (m [s.sup.-1])             0,08    0,41    0,06

EQM = erro quadratico medio EMP = erro medio percentual
NS = numero nao significativo.

Tabela 2--Erro de deslocamento entre o trator mestre e escravo no
decorrer do percurso para os testes realizados com os dois tratores.

Velocidade (m [s.sup.-1])                             TESTE 1

                            Total deslocamento (m)     94,8
1,11 - 1,25                 Erro medio (m)             NS
                            EQM (m)                    NS
                            EMP (%)                    -0,22
                            Total deslocamento (m)     107,6
1,25 - 1,39                 Erro medio (m)             NS
                            EQM (m)                    NS
                            EMP (%)                    -0,35
                            Total deslocamento (m)     107,6
1,39 - 1,53                 Erro medio (m)             0,01
                            EQM (m)                    NS
                            EMP (%)                    0,80
                            Total deslocamento (m)     112,9
1,53 - 1,39                 Erro medio (m)             -0,01
                            EQM (m)                    NS
                            EMP (%)                    -0,81
                            Total deslocamento (m)     114,3
1,39 - 1,25                 Erro medio (m)             -0,01
                            EQM (m)                    0,01
                            EMP (%)                    -1,09
                            Total deslocamento (m)     116,6
1,25 - 1,11                 Erro medio (m)             NS
                            EQM (m)                    NS
                            EMP (%)                    -0,20
                            Total deslocamento (m)     112,4
1,11 - 1,53                 Erro medio (m)             0,01
                            EQM (m)                    0,01
                            EMP (%)                    0,26
                            Total deslocamento (m)     115,5
1,53 - 1,11                 Erro medio (m)             0,01
                            EQM (m)                    0,01
                            EMP (%)                    0,40

Velocidade (m [s.sup.-1])   TESTE 2   TESTE 3

                             115,6     117,7
1,11 - 1,25                  NS        0,02
                             NS        NS
                             -0,16     1,50
                             128,0     107,6
1,25 - 1,39                  0,02      0,03
                             NS        NS
                             1,67      1,94
                             128,0     132,1
1,39 - 1,53                  0,02      0,01
                             NS        NS
                             1,70      0,71
                             118,6     110,1
1,53 - 1,39                  0,01      0,02
                             NS        NS
                             0,74      1,54
                             114,5     113,2
1,39 - 1,25                  NS       0,01
                             NS        NS
                             -0,35     0,32
                             117,8     114,0
1,25 - 1,11                  -0,01     -0,01
                             NS        NS
                             -0,82     0,86
                             112,9     120,6
1,11 - 1,53                  0,01      -0,02
                             0,01      0,01
                             0,42      -1,81
                             122,7     116,2
1,53 - 1,11                  -0,02     -0,06
                             0,01      0,08
                             -2,02     -2,85

EQM = erro quadratico medio EMP = erro medio percentual NS = numero
nao significativo.
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Author:Baldo, Rodrigo Fernando Galzerano; Magalhaes, Paulo Sergio Graziano
Publication:Ciencia Rural
Article Type:Report
Date:Feb 1, 2012
Words:3127
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