COMPUTADOR DE BORDO PARA AGRICULTURA ... - GSE - UFSC

COMPUTADOR DE BORDO PARA AGRICULTURA DE PRECISÃOFELIPE AUGUSTO DA SILVA 1PAULO RICARDO CECHELERO VILLA 2VALTER TOFFOLO 3FLÁVIO STEFFENS DE CASTRO 4EDUARDO AUGUSTO BEZERRA 5RESUMO: Este artigo descreve o projeto de um sistema embarcado baseado em tecnologiaGPS, desenvolvido para uso em aplicações de agricultura de precisão. Custo acessível, fácilinstalação e operação, são requisitos do projeto desse computador de bordo. Uma contribuiçãoimportante do projeto consiste na definição de um algoritmo para traçar a trajetória a serpercorrida por uma máquina agrícola.PALAVRAS-CHAVE: agricultura de precisão, sistemas embarcados, computador de bordo,GPS.AGRITEC: ON-BOARD COMPUTER FOR PRECISION FARMINGABSTRACT: This paper describes the design of an embedded system based on GPStechnology, targeting precision farming applications. Low cost, easy installation and operationare design requirements for this on-board computer. An important contribution of this work isthe proposal of an algorithm for the definition of trajectories to be followed by agriculturalmachines.KEYWORDS: precision farming, embedded systems, on-board computers, GPS.1. INTRODUÇÃOA necessidade de uma solução nacional para atender a demanda por computadores de bordobaseados em GPS (Global Positioning System) para uso em máquinas agrícolas, motivou aempresa Innalogics e a PUCRS a desenvolver o projeto Agritec. Esse projeto foi parcialmentefinanciado pela Fapergs e pela Finep, no âmbito do Programa de Apoio à Pesquisa emEmpresas (PAPPE). O computador de bordo desenvolvido consiste em um sistema embarcadopara agricultura de precisão (CLARK, 1997), com custo acessível, de fácil instalação eoperação. O equipamento em questão objetiva, basicamente, um aprimoramento na eficiênciado processo produtivo com redução nas perdas no momento do preparo do solo, na plantação,na aplicação de insumos, e colheita da safra. A função desse tipo de computador de bordo ésinalizar uma trajetória pré-estabelecida para o condutor de uma máquina agrícola. Com isso,são evitadas perdas, por exemplo, de sementes no momento da plantação, e de combustível aopermitir que a máquina não passe repetidas vezes sobre a mesma área. O computador debordo para agricultura de precisão em questão utiliza tecnologia GPS, conforme descrito emKaplan (2006, p.3), de forma a garantir que a máquina agrícola irá seguir a trajetória desejada.Essa estratégia de agricultura de precisão, de acordo com informações divulgadas por1 Engenheiro de Computação, FENG-PUCRS, Mestrando PGEEL-UFSC, E-mail: felipe.ec@gmail.com2 Engenheiro de Computação, FENG-PUCRS, Mestrando PGEEL-UFSC, E-mail: prcvilla@gmail.com3 Engenheiro de Computação, FENG-PUCRS, Projetista RTL, DHW Engenharia, E-mail: valtert@gmail.com4 Analista de Sistemas, FACIN-PUCRS, Diretor Woompa, Porto Alegre, E-mail: flavio.steffens@gmail.com5 Doutor em Eng. de Computação, Sussex-UK, Professor EEL-UFSC, E-mail: Eduardo.Bezerra@eel.ufsc.br

empresas que fabricam produtos similares, garante uma economia de 15 a 18% nos insumosaplicados, conforme discutido em Eaton et al. (2008).Este produto torna-se uma alternativa economicamente viável, uma vez que não se temconhecimento de projetos desse tipo desenvolvidos inteiramente no país. Dessa forma, ainovação e motivação desse trabalho residem no emprego de tecnologia nacional para atingiruma melhora nos processos agrícolas. Uma contribuição importante do trabalho consiste emum algoritmo capaz de indicar a trajetória de uma máquina agrícola por todas as áreas deinteresse em um dado terreno. Para realizar os cálculos de trajetória, esse algoritmo utilizacomo base informações de posicionamento GPS e informações pré-estabelecidas pelooperador. A maior parte dos equipamentos GPS disponíveis no mercado são utilizados parainformação da localização atual e guiar trajetórias entre dois pontos desejados, o que não ésuficiente para utilização na definição de trajetórias de máquinas agrícolas. Existem tambémequipamentos importados baseados em tecnologia GPS próprios para uso em aplicações deagricultura de precisão. Esses equipamentos possuem uma série de funcionalidadesadicionais, resultando em um custo elevado para o usuário final, quando comparado aoequipamento desenvolvido nesse projeto.O artigo está dividido como segue. Na seção 2 é apresentado o contexto em que o trabalhoestá inserido. Na Seção 3 é discutida a abordagem utilizada no desenvolvimento do sistema.Na Seção 4 é apresentada a interface do usuário com o sistema. A Seção 5 explica aabordagem usada no software do equipamento para guiar as trajetórias estabelecidas. Por fim,as conclusões são discutidas na Seção 6.2. USO DE TECNOLOGIA GPS NA AGRICULTURA DE PRECISÃOAgricultura de precisão (precision farming) é uma tecnologia de informação emergente quepermite aos agricultores um melhor acompanhamento das variações espaciais e temporais dosfatores limitantes à produção agrícola (SCHIEDEL; FERREIRA, 2002). Um exemplo é acoleta para posterior acompanhamento de informações relativas à quantidade de sementesplantadas em uma determinada área, e quando será o melhor momento para a colheita. Autilização de recursos tecnológicos favorece a obtenção de informações por parte doagricultor, auxiliando no processo de tomada de decisão durante as operações de aplicaçãolocalizada de insumos agrícolas e no manejo das culturas no campo de produção. Aimplantação da agricultura de precisão em uma propriedade objetiva a melhora do processo decolheita dos grãos, aplicação de insumos, entre outros.A pesquisa conduzida no domínio desse projeto contemplou principalmente a área de sistemasembarcados e programação de periféricos, mais exatamente, a investigação, projeto edesenvolvimento de sistemas computacionais de software e hardware para o cálculo detrajetórias via GPS.A utilização de tecnologia GPS para guiar máquinas agrícolas esta bem difundida no mercadointernacional, existindo uma série de produtos consolidados no mercado que utilizam esseconceito. Entre os principais equipamentos que podem ser considerados concorrentes doAgritec, pode-se citar o Outback S-Lite, que é o produto de entrada da Outback Guidance.Esse equipamento utiliza um painel de LEDs para indicar a trajetória a ser tomada pelamáquina agrícola e uma interface simples para facilitar sua utilização. É considerada asolução mais acessível do mercado devido ao seu valor de US$850,00, que pode serconsiderado baixo ao se comparar com os concorrentes. Outro equipamento disponível nomercado internacional é o AgGPS EZ-Guide 250 System da Trimble, que possui afuncionalidade de guiar em qualquer tipo de trajetória previamente definida pelo usuário.Utiliza um painel de LEDs em conjunto com uma tela LCD, onde são apresentados os trechosda trajetória que já foram percorridos. Oferece precisão menor que 1 metro utilizandotecnologia DGPS. Seu custo é de U$1.495,00. O Agritec possui funcionalidades parecidas

com as do AgGPS EZ-Guide 250, pois permite que a máquina seja guiada em trajetórias préestabelecidas.Porém, com um preço muito mais acessível, sendo que os protótiposdesenvolvidos custaram cerca de US$500,00.3. VISÃO GERAL DO SISTEMAO equipamento desenvolvido é composto, basicamente, por três grandes blocos: interface como usuário, GPS e placa-mãe.A interface com o usuário é responsável por integrar as funcionalidades do sistema com asnecessidades do usuário. Esse módulo contém um LCD que possibilita ao usuário visualizaras funções do equipamento e configurá-lo para realizar o comportamento desejado. Contémtambém botões para navegação nos menus e definição das ações do sistema. Para guiar ocaminho a ser seguido pelo motorista da máquina agrícola são utilizados LEDs, conformeapresentado na parte superior do painel à esquerda na Figura 1.Figura 1 – Painel do equipamento e visão geral do sistema.A placa-mãe do sistema foi implementada utilizando componentes da empresa Gumstix. Aplaca possui um processador Intel XSCALE PXA255 com clock de 400MHz, 64 MB dememória SDRAM, 16 MB de memória flash e pinos para comunicação com os demaismódulos do sistema.A recepção de dados dos satélites e fornecimento de coordenadas para o sistema é realizadapelo bloco GPS. Para esta funcionalidade foram utilizados componentes da empresaHemisphere GPS. Estes componentes consistem basicamente de um módulo GPS e umaantena. O módulo GPS é baseado na tecnologia Extended Differential, ou e-Dif conformedefinido por Kaplan (2006, p. 459), que é patenteada pela Hemisphere GPS. Com essatecnologia o módulo GPS possui uma precisão de poucos centímetros sem a necessidade derecepção de um sinal diferencial do tipo DGPS (Capelli et al., 2006). O componente realiza ageração de um sinal de correção diferencial baseado no ponto de partida, ou seja, no localonde o e-Dif foi calibrado pela última vez. A correção diferencial é modelada ao longo dotempo e aplicada ao sinal GPS para garantir consistência dos dados. O e-Dif pode ser usadopor longos períodos de tempo com mínima perda de precisão e também pode ser recalibrado aqualquer momento.O diagrama de blocos com a visão geral do sistema, incluindo as conexões entre os módulosaqui citados, está apresentado no lado direito da Figura 1.4. INTERFACE DO SISTEMAO sistema Agritec possui uma interface bastante intuitiva e reduzida, sendo um dos objetivosdo projeto, desde o início, visar a facilidade de uso e operação. A estrutura de menus dosistema é bastante simples e as funções implementadas são listadas na Tabela 1.

A opção de configurar o implemento agrícola é o pré-requisito para o sistema funcionarcorretamente, sendo que deve ser a primeira opção a ser acessada ao iniciar o trabalho comauxílio do equipamento. Em seguida deve-se escolher o tipo de trajetória (reta ou curva)desejada. Com o tipo de trajetória especificado o próximo passo é marcar a trajetória inicialque vai ser utilizada como referência para o sistema poder traçar a trajetória total que consistede todas as paralelas da trajetória inicial com uma distância entre si definida a partir docomprimento do implemento. No final desse processo o equipamento entra em modo deoperação indicando as direções para o operador se manter na trajetória.Tabela 1 – Descrição das funções do sistema.Opção Descrição Mensagens ao usuárioGuiar em reta Fornece a opção para o operador guiar em “Guiando em retas”retas, após definir a trajetória específica.Guiar em curva Fornece a opção para o operador guiar em “Guiando em curvas”curvas, após definir a trajetória específica.Configurar Acessa o menu de configuração de trajetórias -e implemento.Configurar reta Opção para configurar a trajetória retilínea queserá a base para gerar as trajetórias paralelas.“Marque o ponto A””Marque o ponto B”Configurar curva Opção para configurar a trajetória curvilíneaque será a base para gerar trajetórias paralelas.“Marque o ponto A”“Marque o ponto B”ConfigurarimplementoOpção para configurar o tamanho doimplemento do veículo. Será a base paradefinir distâncias entre trajetórias paralelas.5. SOFTWARE EMBARCADOÉ possível definir valoresde +1 m, +0,10 m, -1 m e -0,10 m.Como o módulo de GPS utiliza posições em coordenadas geográficas expressas por latitude elongitude foi utilizado um método de conversão para coordenadas no sistema cartesianoconforme apresentado por Snyder (1987, p.58). A partir das coordenadas cartesianas épossível utilizar as mais diversas equações conhecidas para retas. Essa conversão foi essencialpara viabilizar os cálculos de trajetórias.Em um primeiro momento foi desenvolvido o “Algoritmo para Guiar em Retas”. Para utilizáloé necessário configurar uma trajetória inicial, na qual o algoritmo se baseia para calcular atrajetória total a ser percorrida. Assim, para configurar a trajetória inicial o usuário devedefinir o ponto de início e fim da trajetória inicial. Para isso deve posicionar a máquinaagrícola nas posições desejadas e selecionar as mesmas no computador de bordo. Com isso,podemos definir o ponto de início da trajetória, indicado pelo usuário, como o ponto (0,0) doplano cartesiano e é possível traçar uma reta entre o ponto de início e o ponto final, tambémindicado pelo usuário. Tendo a reta de trajetória inicial é possível calcular as retas paralelascom distância fixa entre si, sendo que essa distância, ou implemento, é definida pelo usuário.Durante o processo de guiar o algoritmo calcula a distância entre a posição atual da máquinaagrícola e a reta mais próxima pertencente à trajetória. Assim, é definido em qual das retasparalelas a trajetória inicial o veículo deveria estar e é indicada a direção a ser tomada para semanter nessa reta.Para que seja possível guiar o sistema em curvas se criou uma abordagem genérica que utilizapequenos trechos de retas formando a trajetória inicial desejada. Similarmente ao ilustradoanteriormente o usuário deve definir o ponto inicial e o ponto final da trajetória inicial, porémno modo Configuração de Curva o computador de bordo automaticamente grava um novoponto a cada dois metros durante a movimentação da máquina agrícola, para calcular uma reta

entre o ponto atual e o ponto gravado anteriormente. Assim, é definido um conjunto desegmento de retas que juntos formam a trajetória inicial desejada.Para cada segmento de reta são calculadas suas retas paralelas com distância entre si definidapelo usuário. Assim, para cada dois segmentos de reta (A e B) existe um ponto em comum(p1) e é possível calcular a reta entre p1 e o ponto (p2) em comum entre a reta paralela de A(A1) e a reta paralela de B (B1).Utilizando equações de distância de um ponto até uma reta o algoritmo pode calcular em qualtrecho de segmentos de reta a máquina agrícola se encontra e, com isso, utilizar os algoritmosdesenvolvidos para Guiar em Retas para o dado segmento de reta.6. CONCLUSÕESNesse trabalho foi descrito o computador de bordo desenvolvido para utilização emaplicações de agricultura de precisão. Foram ilustrados os principais módulos do sistema, ainterface com o usuário, e foi fornecida uma visão geral dos algoritmos desenvolvidos.Uma das principais contribuições do trabalho consiste na criação dos algoritmos para cálculodas trajetórias das máquinas agrícolas. Outra contribuição importante consiste, justamente, nodesenvolvimento de uma solução com tecnologia nacional, o que resulta em um produto compreços mais acessíveis para o mercado interno, viabilizando a disseminação da agricultura deprecisão.O objetivo inicial de criar um protótipo com tecnologia nacional foi alcançado. O próximopasso é a criação de um produto que possa chegar ao consumidor final. Para alcançar esseobjetivo final, se faz necessária a cooperação com um fabricante de equipamentos, uma vezque a empresa parceira desse projeto é atua apenas em atividades de projeto edesenvolvimento de sistemas embarcados.A agricultura de precisão já é utilizada em diversos países, inclusive no Brasil, e já se provoude grande valia nas mais diversas aplicações. Os equipamentos baseados em GPS paraagricultura de precisão importados tem a desvantagem de ter o valor elevado devido aosfatores relativos à importação, tornando o Agritec uma solução viável para o mercadonacional.7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASCAPPELLI, N. L.; UMEZU, C. K.; SILVEIRA, A. C. de; GARCIA, A. P. Desempenhocomparativo entre receptores GPS, São Paulo, SP. Revista Brasileira de Agroinformática, SãoPaulo, SP, v. 8, n. 1, p. 63-77, 2006.CLARK, R.L. An Overview of developments in precision farming systems. IEEE/ASMEInternational Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Tokyo, p.13, 16-20, jun,1997.EATON, R.; KATUPITIYA, J.; SIEW, K. W.; DANG, K. S. Precision Guidance ofAgricultural Tractors for Autonomous Farming. 2nd Annual IEEE Systems Conference,Montreal, p. 1-8, April 2008.KAPLAN, E.D. Understanding GPS: Principles and Applications. 2. ed. Boston: ArtechHouse, 2006. p. 533.SCHIEDEL, M.; FERREIRA, M. F. Introdução à agricultura de precisão: Conceitos evantagens, Ciência Rural, Santa Maria, RS, v. 32, n. 1, p.159-163, fev. 2002.SNYDER, J. P., Map Projections: A Working Manual, U.S. Geological SurveyProfessional Paper. United States Government Printing Office, Washington D.C, 1987, 385 p.