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Cómo los vehículos autónomos mejorarán la sostenibilidad y la productividad en la agricultura

Por Jeff Shepard

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Tractores autónomos, drones y robots sembradores, escardadores y cosechadores son varias de las tecnologías en desarrollo que transformarán la agricultura y ayudarán a paliar la escasez de alimentos mejorando la sostenibilidad y productividad de las actividades agrícolas. Los vehículos autónomos de todo tipo liberarán a las personas de la conducción de tractores y otra maquinaria, permitiéndoles realizar actividades de más valor añadido. Entre ellas figuran la aplicación de una agricultura de precisión que permita elevar los rendimientos, reducir los efectos negativos sobre el medio ambiente y mejorar la sostenibilidad de las explotaciones agrícolas abordando problemas relacionados con la escasez de agua, la escasez de mano de obra y otras limitaciones.

Mientras que los drones y los robots agrícolas representan nuevos sistemas que se están desarrollando e implantando desde cero, los tractores son diferentes. Ya hay una gran base instalada de tractores y suelen tener una larga duración operativa. Como resultado, además de desarrollar nuevos diseños totalmente automatizados, los tractores existentes se reequiparán con accionamientos eléctricos y se actualizarán con sistemas digitales para fines específicos, los llamados «implementos digitales para tractores».

Este artículo analiza el desarrollo de los implementos digitales para tractores y los nuevos tractores eléctricos (e-tractors). Analiza los retos que plantea el despliegue de tractores autónomos y estudia cómo se utilizan los drones, los sensores en los tractores y la IA y el ML en la agricultura de precisión. También examina algunas de las tecnologías necesarias para hacer realidad el desarrollo de vehículos agrícolas autónomos y cómo la amplia oferta de productos de Digi-Key , que incluye visión artificial, motores y controles, convertidores de potencia, sensores e interruptores, interfaces de comunicaciones cableadas e inalámbricas y una gama de cables y conectores de señal y alimentación, puede ayudar a los diseñadores a acelerar sus procesos de desarrollo. El artículo concluye con una breve mirada al futuro, en el que las explotaciones totalmente autónomas estarán controladas por sofisticados sistemas operativos capaces de gestionar flotas mixtas, que incluirán tanto equipos agrícolas autónomos como estándar, para maximizar la productividad y la sostenibilidad.

Los aperos de labranza se suben al ISObus

Al igual que la Industria 4.0, la agricultura avanza hacia el uso de máquinas inteligentes e interconectadas. Ahí es donde entra en juego la Organización Internacional de Normalización (ISO) 11783, el bus de red de datos en serie para tractores y maquinaria agrícola y forestal. En el sector agrícola, se denomina simplemente ISObus. Se basa en el protocolo J1939 de la Sociedad de Automoción (SAE), que incluye el bus de red de área de control (CAN) y se ha optimizado para aplicaciones agrícolas. La ISObus está promovida activamente por la Agricultural Industry Electronics Foundation, que trabaja para coordinar las pruebas de certificación mejoradas de la norma ISO 11783.

Antes de ISObus, los agricultores disponían de tractores con sistemas de control propietarios que limitaban la flexibilidad, el rendimiento y la interoperabilidad. El ISObus incluye conectores normalizados, protocolos de comunicación y directrices operativas, y permite desarrollar sistemas interconectados de sensores y control de distintos fabricantes (Figura 1). ISObus también es compatible con la electrificación de los implementos de los tractores, incluidas las tomas de fuerza mecánicas (TDF) accionadas eléctricamente y los conectores de alta tensión de hasta 700 voltios (V) y 100 Kilovatios (kW) para alimentar implementos accionados eléctricamente.

Imagen de ISObus puede permitir la integración de sensoresFigura 1: ISObus puede permitir la integración de sensores e implementos de diversos fabricantes en un sistema plug-and-play. (Fuente de la imagen: Armin Weigel/dpa (Imagen de Armin Weigel/picture alliance vía Getty Images)

El ISObus está evolucionando para desarrollar un sistema de gestión de la implantación de tractores (TIM). Según lo previsto, la versión avanzada del ISObus permitirá que los aperos proporcionen información al tractor, lo que contribuirá a la optimización del sistema combinado tractor/implemento. También permitirá una mayor integración de los sensores en los aperos de la agricultura de precisión. El tractor proporcionará información sobre la ubicación, y el sistema combinado recopilará continuamente datos sobre las condiciones del suelo y los cultivos. Una información más detallada permite aumentar el rendimiento y la sostenibilidad.

e-tractors, retrofits y tractores autónomos

Además del desarrollo continuo del ISObus, la electrificación de los tractores será importante para el futuro despliegue de vehículos autónomos y el aumento de la sostenibilidad agrícola. La reducción de emisiones es una consideración esencial. Una cuarta parte de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero proceden de la agricultura y de actividades relacionadas con ella, y un tractor equivale en emisiones a 14coches1.

Empiezan a aparecer los tractores eléctricos. Además de reducir las emisiones, los tractores eléctricos pueden reducir considerablemente los costes de combustible. En la actualidad, los tractores eléctricos se limitan a los modelos más pequeños, ya que los grandes y potentes requieren baterías más grandes que el tractor convencional al que sustituirían. Los tractores electrónicos grandes también pesan más, lo que provoca una mayor compactación del suelo que no es deseable. Por último, los tiempos de carga de las baterías/pilas de gran tamaño son demasiado largos para resultar prácticos en una explotación agrícola. Ya se están probando tractores eléctricos más pequeños con motores de 25 a 70 caballos de potencia (CV), unos 18.6 a 52 kW, y pequeños paquetes de baterías. La electrificación de los tractores va más allá de la cadena cinemática. También se trata de sustituir el sistema hidráulico para accionar y controlar los aperos del tractor (Figura 2).

Imagen de pequeños e-tractores con motores de 25 a 70 CV que se están probando y preparando para su despliegue.Figura 2: Pequeños e-tractores con motores de 25 a 70 CV están siendo probados y preparados para su despliegue. (Fuente de la imagen: Photo by brizmaker via Getty Images)

Para tractores más grandes, hay disponibles kits de retroadaptación híbrida. Por ejemplo, una empresa ofrece un kit con un generador de 250 kW que puede acoplarse al motor de combustión interna del tractor en lugar de la bomba hidráulica. El kit también incluye cuatro motores eléctricos para sustituir al sistema de transmisión hidráulica y una transmisión eléctrica para accionar los aperos existentes. Al sustituir los sistemas hidráulicos, el kit de retroadaptación reduce los costos de combustible y mantenimiento y aumenta la disponibilidad y fiabilidad del e-tractor híbrido.

Al igual que el despliegue de automóviles y camiones autónomos, el de tractores autónomos se enfrenta a un futuro indeterminado. Por ejemplo, la normativa vigente en California exige que «todos los equipos autopropulsados, cuando funcionen por sus propios medios y estén en movimiento, deberán contar con un operador situado a los mandos del vehículo». La plena autonomía tendrá que esperar.

Sobrevolando los campos

Los drones se utilizan actualmente para un amplio rango de tareas en la agricultura. Algunos ejemplos son:

  • Imagen de la salud de las plantas. Los drones han sustituido en gran medida a las imágenes por satélite para vigilar la salud de los cultivos. Equipados con equipos de obtención de imágenes del Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI), los drones proporcionan imágenes detalladas en color que pueden utilizarse para vigilar la salud de las plantas. Mientras que las imágenes por satélite tardan en recuperarse y pueden ofrecer una precisión de metros, los drones pueden dar a las imágenes una precisión milimétrica y facilitar la identificación selectiva de enfermedades, plagas u otros problemas en tiempo real.
  • Seguimiento de las condiciones sobre el terreno. Los drones también controlan las condiciones del suelo y el drenaje de campos enteros. Eso puede permitir programas de riego más eficientes y sostenibles.
  • Plantación. Las sembradoras automatizadas con drones son habituales en las industrias forestales, y su uso se está extendiendo a la agricultura en general. Los drones pueden plantar árboles o semillas rápidamente y llegar a zonas inaccesibles de forma más eficiente. Por ejemplo, un equipo de dos operarios puede plantar 400.000 árboles al día utilizando varios drones.
  • Aplicaciones de pulverización. El uso de drones para aplicar tratamientos de pulverización de fertilizantes y pesticidas es una aplicación emergente cuyo uso varía según la región (Figura 3). Por ejemplo, en Corea del Sur, los drones se utilizan para cerca del 30% de las fumigaciones agrícolas. Aunque en Canadá no es legal utilizar drones para fumigaciones agrícolas. En Estados Unidos, la fumigación con drones requiere licencia y certificación, según lo dispuesto por la Administración Federal de Aviación (FAA) y los departamentos estatales de agricultura, comercio y transporte.

Imagen de grandes drones que pueden utilizarse para aplicar tratamientos de pulverizaciónFigura 3: Se han desarrollado drones de gran tamaño que pueden utilizarse para aplicar tratamientos de pulverización de fertilizantes y pesticidas. (Imagen: Foto de baranozdemir vía Getty Images)

La precisión produce más con menos

Incluso antes de que se hagan realidad los tractores autónomos, se espera que los drones y la electrificación de los tractores y sus aperos favorezcan la agricultura de precisión y aumenten la sostenibilidad.

Según un estudio de la Asociación de Fabricantes de Equipos [agrícolas] (AEM), el uso de la agricultura de precisión puede suponer un aumento del 4% en la producción de cultivos, un aumento del 7% en la eficiencia de la colocación de fertilizantes, una reducción del 9% en el uso de herbicidas y pesticidas y una reducción del 6% en el uso de combustibles fósiles2. Además, el consumo de agua puede reducirse un 4% con el riego de precisión.

Esas cifras se basan en la tecnología actual. Con la incorporación de los sistemas conectados y la inteligencia artificial (IA), se espera que esas mejoras se multipliquen. La incorporación del aprendizaje automático (ML) al mantenimiento de los equipos permite ahorrar aún más y mejorar la sostenibilidad.

Según la AEM, se espera que los equipos agrícolas autónomos supongan una mejora incremental del 24% si se tienen en cuenta tanto el ahorro de insumos como la mejora del rendimiento. Un factor significativo de esa mejora es la suposición de que la maquinaria autónoma será más ligera que los equipos a los que sustituye, lo que se traducirá en una menor compactación y mejores condiciones del suelo.

La IA y el ML también serán fundamentales para desarrollar máquinas de precisión optimizadas para tareas específicas. Las máquinas dedicadas a tareas específicas pueden ser incluso más pequeñas que los tractores de uso general. Por ejemplo, se están desarrollando pequeñas máquinas para recoger cosechas en las que se requiere visión artificial, un tacto delicado y una destreza precisa.

El control de las malas hierbas es otro ámbito en el que se espera una contribución significativa de la IA y los ML para tareas específicas. El control de las malas hierbas es difícil, requiere mucha mano de obra y, si no se lleva a cabo con eficacia, contribuye a utilizar más agua y a agotar los nutrientes del suelo. La rotación de cultivos es una solución parcial, pero no puede eliminar la necesidad de herbicidas o de control manual de las malas hierbas. Se están probando robots de gestión de malas hierbas que combinan visión artificial con IA y ML. Estas pequeñas máquinas también minimizan la compactación del suelo (Figura 4).

Imagen de robots autónomos cosechadores que combinan la visión artificial con la IA y el ML.Figura 4: Ejemplo de robots autónomos de recolección que combinan la visión artificial con la IA y el ML. (Fuente de la imagen: Foto de onurdongel vía Getty Images)

SO agrícola y flotas de equipos autónomos

La industria agrícola mira hacia un futuro en el que las explotaciones totalmente autónomas estarán controladas por un sofisticado sistema operativo (SO) capaz de gestionar flotas mixtas, que incluirán equipos agrícolas autónomos y estándar, además de máquinas terrestres y drones, para maximizar la productividad y la sostenibilidad (Figura 5). Esas flotas de equipos agrícolas funcionarán de forma coordinada para ayudar a controlar los gastos de capital, minimizar las necesidades de mano de obra y proporcionar los Big data necesarios para permitir la ejecución autónoma y la agricultura de precisión. Además, el sistema operativo de las explotaciones del futuro estará estandarizado y optimizado para admitir una amplia gama de equipos de numerosos proveedores. Adoptar el ISObus es solo el primer paso hacia un planteamiento de código abierto y normalizado de la automatización de las explotaciones.

Imagen de enjambres coordinados de máquinas agrícolas autónomas terrestres y voladorasFigura 5: Los enjambres de máquinas agrícolas autónomas coordinadas en tierra y en vuelo permitirán alcanzar mayores niveles de sostenibilidad. (Fuente de la imagen: Ilustración de Scharfsinn86 vía Getty Images)

Otros beneficios que se esperan del sistema operativo propuesto son la reducción de las emisiones de CO2, el menor consumo de combustible y la optimización de la carga y gestión de la batería/pila. El análisis de Big data también desempeñará un papel importante en el futuro de la agricultura. Se utilizarán grandes cantidades de datos en tiempo real directamente del campo para entrenar continuamente los algoritmos de IA y ML necesarios para la toma de decisiones, el control y la planificación operativa con el fin de optimizar la agricultura de precisión.

Resumen

Aún es pronto para desarrollar vehículos agrícolas autónomos y una agricultura de precisión sostenible. La industria ha iniciado el camino con ISObus. La próxima generación de ISObus permitirá una mayor interoperabilidad y contribuirá a crear flotas de maquinaria agrícola más complejas e interconectadas. El objetivo es el desarrollo de un sistema operativo agrícola que pueda tomar esas flotas de equipos agrícolas, combinarlas con datos masivos de sensores en tiempo real utilizando algoritmos de IA y ML y desplegarlas como formaciones de máquinas terrestres y voladoras coordinadas que produzcan altos niveles de sostenibilidad y productividad.

Fuente: https://www.digikey.es/es/articles/how-autonomous-vehicles-will-improve-sustainability-and-productivity-in-agriculture