L AUTOMAZIONE NELLE MACCHINE AGRICOLE

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1 Corso di Tecnologie Informatiche per la Meccanizzazione Agricola L AUTOMAZIONE NELLE MACCHINE AGRICOLE Aldo Calcante Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Milano TECNICHE ED ESIGENZE EMERGENTI Precision agriculture Prescription farming Target farming Site-specific farm management Utilizzo di tecnologie, tecniche e metodiche di lavoro in pieno campo che consentono la coerente e non ambigua possibilità di trattare in modo differenziato singole aree omogenee di terreno delle quali si conoscono le reali proprietà, fabbisogni e caratteristiche produttive Logica SITO-SPECIFICA SPECIFICA 1

2 UNA MIGLIOR DEFINIZIONE STRATEGIA GESTIONALE CHE CHE UTILIZZA TECNOLOGIE INFORMATICHE PER PER RACCOGLIERE DATI DA DA FONTI MULTIPLE IN IN VISTA DI DI UN UN LORO SUCCESSIVO UTILIZZO NELL AMBITO DI DI DECISIONI RIGUARDANTI LE LE ATTIVITA PRODUTTIVE DI DI CAMPO AP innanzitutto come STRATEGIA DI GESTIONE (NRC USA, 1999) CAPACITA DECISIONALE QUALITA GESTIONALE DECISIONI BASATE SU INFORMAZIONI MIRATE AP e MANAGEMENT INFORMATIZZATO CAPACITA DECISIONALE QUALITA GESTIONALE Necessario automatizzare i processi di monitoraggio 2

3 I COMPONENTI DI UN SIA SOFTWARE HARDWARE Applicativi di utilità generale Database Management Systems ANALISI UTILIZZO RACCOLTA Dispositivi e sistemi di regolazione e controllo, automazione e raccolta dati Applicativi specifici e sistemi di supporto alle decisioni ELABORAZIONE Sistemi di elaborazione, comunicazione e trasferimento dati Sistemi INFORMAZIONALI Sistemi OPERAZIONALI L AP COME SISTEMA INTEGRATO TRATTAMENTI DISERBI POTATURE CIMATURE CONCIMAZIONI CONTROLLO OPERAZIONI 3 2 RACCOLTA REGISTRAZIONE DATI 1 LAVORAZIONI DEL TERRENO ANALISI E PIANIFICAZIONE OUT IN GESTIONE TELERILEVAMENTO EXTERNAL SERVICE 3

4 INQUADRAMENTO TECNOLOGIE DI BASE TECNOLOGIE ELETTRONICHE DI BASE monitoraggio, regolazione e controllo operativo (sistemi di identificazione, sensori e attuatori) TECNOLOGIE DI POSIZIONAMENTO indispensabili quando il contenuto dell informazione necessita di ulteriori attributi per la sua collocazione in un sistema spaziale di riferimento TECNOLOGIE INFORMATICHE HARDWARE gestione fisica delle informazioni TECNOLOGIE INFORMATICHE SOFTWARE gestione semantica delle informazioni UN PO DI STORIA Forza animale Motore Automazione Elettronica Lavorazione manuale Potenza meccanica Centrale mobile di potenza Macchine intelligenti 4

5 L AUTOMAZIONE Tratto distintivo che accomuna l attuale l evoluzione di macchine e impianti agricoli Sistemi che sostituiscono l operatore l nella gestione diretta di un processo Gestione dei parametri operativi in base a impostazioni ottimali predefinite variazioni esterne esterne impostazioni dell operatore gestione dei dei parametri operativi L AUTOMAZIONE NEGLI ANNI Accompagna l evoluzione l della meccanizzazione dagli albori La storia delle discipline dell ingegneria agraria è ricca di eleganti esempi di sistemi meccanici o idraulici con compiti di automazione Regolazione automatica dello sforzo di trazione (Ferguson( Ferguson,, 1936) 5

6 L AUTOMAZIONE NEGLI ANNI La disponibilità di dati in formato elettrico permette l introduzione l di circuiti analogici con funzioni di automazione, precursori degli attuali sistemi di controllo controllore impostazioni memorizzate comandi operatore attuatori attuatori sensori sensori dispositivo controllato perturbazioni L AUTOMAZIONE NEGLI ANNI Introduzione e rapida diffusione degli attuali controllori a tecnologia digitale L innovazione radicale consiste nell impiego di microprocessori programmabili le funzioni operative sono definite dagli algoritmi contenuti nel n software le architetture hardware assumono nel tempo strutture standardizzate 6

7 GLI AMBITI DELL AUTOMAZIONE IN AGRICOLTURA L automazione riguarda: Ottimizzazione funzionale Aspetti ambientali Sistemi informativi aziendali Tracciabilità Qualità INFINE...IL.IL SOLITO DIAGRAMMA! AUTOMAZIONE 7

8 I VARI LIVELLI DELL AUTOMAZIONE TEMI DESCRITTI 1 L elettronica per la gestione operativa del trattore 2 - La guida assistita del trattore 3 - La guida semi automatica del trattore e delle semoventi 4 - Il controllo della macchina operatrice 5 - La robotica L ELETTRONICA PER LA GESTIONE OPERATIVA DEL TRATTORE 8

9 Tema 1 - I SISTEMI AUTOMATICI SUI TRATTORI (1) L attuale architettura dei sistemi automatici è di tipo distribuito Ogni singolo controllore, detto ECU (Electronic Control Unit), gestisce uno specifico sottosistema della macchina o impianto Gestione di di più più apparati apparati coordinati e integrati per per un ottimizzazione complessiva di di funzionamento Tema 1 - I SISTEMI AUTOMATICI SUI TRATTORI (2) Capacità di colloquio di ECU con interscambio di dati attraverso il Bus di sistema Gestione di di sistemi sistemi complessi 9

10 Tema 1 - I SISTEMI AUTOMATICI SUI TRATTORI (3) Dalle diverse ECU i dati confluiscono nel terminale principale da dove possono essere esportati L automazione si si interfaccia con con l informatical Tema 1 - UN PO DI ESEMPI 1-- Sollevatore elettronico con con controllo dello dello slittamento 2--Cambio Powershift elettronico 3-- Regolatore elettronico motore motore 4--Cambio automatico 5-- Gestione comandi sequenziali 10

11 Tema 1 - UN PO DI ESEMPI Curve caratteristiche di un motore a gestione elettronica dell iniezione Tema 1 - UN PO DI ESEMPI Gestione automatica delle operazioni sequenziali 11

12 Tema 1 - UN PO DI ESEMPI Risparmio energetico Gestione elettronica iniezione % Controllo dello slittamento 5 10 % Gestione elettronica trasmissione 6 8 % Totale % Tema 1 - IL COMFORT SAME Intellicab 12

13 LA GUIDA ASSISTITA DEL TRATTORE Tema 2 LA GUIDA ASSISTITA Traiettoria Traiettoria attuale attuale Traiettoria Traiettoria da da raggiungere raggiungere L L y y δ = angolo angolo sterzatura angolo sterzatura y = scostamento laterale laterale da da traiettoria ideale ideale Ψ = direzione trattore trattore L = passo passo = centro centro istantanea rotazione 13

14 Tema 2 - QUANDO SERVE LA GUIDA ASSISTITA? Ruotino Livello strategico Livello direttivo Schiumogeno Livello operativo Base del controllo operativo NON necessita di SI APPLICAZIONI TECNOLOGICHE 1 Guida assistita Ricevitore GPS 2. Correzione DGPS 3. Sistema di elaborazione dati 4. Interfaccia di comando 14

15 COME FUNZIONA BARRA BARRA A LED LED INT. INT. GRAFICA LA GUIDA SEMI-AUTOMATICA DEL TRATTORE E DELLE SEMOVENTI 15

16 Tema 3 - LA GUIDA SEMI-AUTOMATICA E UN IDEA RECENTE? BREVETTO 1925 Willrodt Tema 3 - LA GUIDA SEMI-AUTOMATICA Diagramma di flusso Pianificazione Pianificazione del del percorso percorso Percorso Percorso desiderato Errori Controllo Controllo desiderato Controllo Errori Controllo Σ guida guida sterzo sterzo Software Software di di controllo controllo Sensori Sensori postura postura veicolo veicolo Dinamica Dinamica del del trattore trattore Postura Postura Veicolo Veicolo 16

17 APPLICAZIONI TECNOLOGICHE Guida automatica Ricevitore DGPS 2. Sensore angolo di sterzo 3. Sistema di elaborazione dati 4. Attuatore Tema 3 I SISTEMI DI GUIDA SEMI-AUTOMATICA PER MACCHINE SEMOVENTI Occhio all operaio operaio e alla barra 17

18 IL CONTROLLO DELLA MACCHINA OPERATRICE Tema 4 IL SISTEMA VRT ( (Variable Rate Technology) VRT basata su mappe Mappa di prescrizione Unità di acquisizione dati Unità di controllo Attuatori Sensori della macchina VRT basata su sensori Sensori ambientali Unità di acquisizione dati Unità di controllo Attuatori Sensori della macchina 18

19 Tema 4 - LA DISTRIBUZIONE LOCALIZZATA DEI REFLUI ZOOTECNICI L automazione del dosaggio SITO-SPECIFICO SPECIFICO Gestione Gestione di di aree aree SUB-appezzamento SUB-appezzamento Rese basse Rese medie Dosi bassa media elevata Rese alte MAPPE MAPPE di di prescrizione prescrizione NECESSITA del del SI SI APPLICAZIONI TECNOLOGICHE (1) Gestione sito-specifica: specifica: lavorazioni terreno Sistema di lavorazione Profondità di lavorazione Mappa di prescrizione Mappa di prescrizione Vantaggi: Vantaggi: riduzione dei dei costi costi (-15%)( riduzione dell erosione dell erosione erosione minor inquinamento inquinamento delle delle acque acque e dell aria dell aria aumento della della fertilità fertilità 19

20 APPLICAZIONI TECNOLOGICHE (2) Gestione sito-specifica: specifica: semina Densità di semina Tipo di seme Vantaggi: Vantaggi: riduzione dei dei costi costi migliore adattabilità adattabilità della della coltura coltura APPLICAZIONI TECNOLOGICHE (3) Mappa di prescrizione Mappa di prescrizione Gestione sito-specifica: specifica: concimazione Vantaggi: Vantaggi: aumento del del reddito reddito migliora l efficienza l efficienza l del del concime concime minori perdite perdite nell ambiente nell ambiente (3-75%) (3-75%) 20

21 APPLICAZIONI TECNOLOGICHE (4) Gestione sito-specifica: specifica: concimazione Ricevitore GPS GPS Attuatore elettro-idraulico elettro-idraulico Connessione standard standard Mappa di prescrizione Mappa di prescrizione SPANDICONCIME A DOSAGGIO PROPORZIONALE ALLA VELOCITA DI AVANZAMENTO (1) Spandiconcime a due piatti OBBIETTIVO: OBBIETTIVO: mantenere mantenere costante costante la la dose dose distribuita distribuita anche anche in in presenza presenza di di variazioni variazioni della della velocità velocità d avanzamento d avanzamento 21

22 SPANDICONCIME A DOSAGGIO PROPORZIONALE ALLA VELOCITA DI AVANZAMENTO (2) Schema di di funzionamento a a = = sensore sensore di di velocità velocità b = = attuatori attuatori idraulici idraulici sulle sulle paratie paratie del del disco disco distributore distributore c c = = sensore sensore di di apertura apertura paratie paratie del del disco disco distributore distributore d = = computer computer di di bordo bordo APPLICAZIONI TECNOLOGICHE (5) Gestione sito-specifica: specifica: distribuzione agrofarmaci Vantaggi: Vantaggi: risparmio di di prodotto prodotto (dal (dal 30-80%): 30-80%): --24% per per erbicidi erbicidi --19% per per pesticidi pesticidi minor inquinamento inquinamento delle delle acque acque e dell aria dell aria sicurezza per per l operatore l operatore l 22

23 APPLICAZIONI TECNOLOGICHE (6) Viticoltura di precisione: defogliatura Consente di regolare il numero di foglie asportate in relazione alla rotazione del tamburo metallico di strappo, la rotazione può essere gestita per mezzo delle elettroniche ISOBUS. L utilizzo di opportuni attuatori ci consente di individuare zone di sfogliatura elevata, di sfogliatura moderata e di assenza totale di sfogliatura per le zone a più basso vigore vegetativo. ESEMPIO 1 - LA DISTRIBUZIONE LOCALIZZATA DEI REFLUI ZOOTECNICI Dosaggio automatico sito-specifico specifico Massima sofisticazione della tecnologia Comunicazione su CAN bus 23

24 ESEMPIO 1 - LA DISTRIBUZIONE LOCALIZZATA DEI REFLUI ZOOTECNICI OPERATRICE TRATTORE DGPS SOFTWARE SOFTWARE DI DI CONTROLLO CONTROLLO misura solo solo in in fase fase di di carico previsti anche controlli manuali ESEMPIO 1 - LA DISTRIBUZIONE LOCALIZZATA DEI REFLUI ZOOTECNICI SPANDILETAME SPANDILIQUAME 24

25 ESEMPIO 1 - LA DISTRIBUZIONE LOCALIZZATA DEI REFLUI ZOOTECNICI Visualizzazione di di mappa e percorsi in in tempo reale ESEMPIO 2 - L AUTOMAZIONE DELL IMPIANTO DI UN VIGNETO Fase 1 Squadratura appezzamento Fase 2 Trapianto meccanizzato Fase 3 Posa dei pali Risultato Dalla Dalla messa messa a a dimora dimora delle delle barbatelle barbatelle dipende dipende la la regolarità regolarità spaziale spaziale del del vigneto. vigneto. Essa Essa è è indispensabile indispensabile per: per: il corretto il svolgimento corretto delle svolgimento successive delle successive operazioni meccanizzate operazioni in meccanizzate vigneto in vigneto agevolare la agevolare vendemmia la meccanica vendemmia meccanica fini estetici fini e estetici paesaggistici e paesaggistici 25

26 ESEMPIO 2 - SCHEMA DEL SISTEMA DI CONTROLLO Radio-modem Dati RTK Stazione Base RTK L1+ L2 TRAPIANTATRICE Radio-modem RS232 Stazione Rover RTK L1+ L2 TRATTORE RS232 Freno elettromagnetico Motore elettrico Computer di bordo RS232 Inclinometro a due assi Distributore a stella RS232 Attuatori idraulici Allineamento X-YX ESEMPIO 2 - APPLICAZIONE SULLA MACCHINA Stazione Base RTK L1+ L2 Radio-modem Antenna GPS Motore elettrico Attuatori idraulici Freno elettromagnetico Computer di bordo 26

27 Tema 4 UN ALTRO ESEMPIO Identificazione automatica patologie e malerbe Tema 4 UN ALTRO ESEMPIO: IL WEEDSEEKER Distribuzione localizzata dei fitofarmaci due due sorgenti sorgenti luminose luminose se se la la riflettanza riflettanza è è quella quella della della clorofilla, clorofilla, si si apre apre l ugellol l ugello il il prodotto prodotto viene viene spruzzato spruzzato sulla sulla pianta pianta Dove si usa? AMBITO URBANO AMBITO AGRICOLO 27

28 LA ROBOTICA Tema 5 QUALCHE ESEMPIO Irroratrice a guida automatica operante a velocità v = 25 km / h 28

29 Tema 5 QUALCHE ESEMPIO GPS + sensori inerziali 29

30 L AUTOMAZIONE SPINTA RAPPRESENTA UN OPPORTUNITA OPPORTUNITA O UN PROBLEMA? 30

31 OSSERVAZIONI CONCLUSIVE Le applicazioni AP richiedono approcci complessi: attenzione a non indurre aspettative eccessive e a non creare false illusioni Fondamentale procedere al trasferimento di tecnologie operando nell ambito di un quadro metodologico di riferimento (per quanto banale, è utile distinguere tra esigenze di monitoraggio e di automazione) Operare con la consapevolezza che le maggiori difficoltà riguardano il trasferimento delle tecnologie informatiche in agricoltura (consistenti barriere nell applicare componenti OLAP) Progettare trasferimenti tecnologici GRADUALI, individuando esigenze primarie da soddisfare con soluzioni relativamente semplici (es.: guida assistita) e prevedendo minime applicazioni di monitoraggio (QCI) Fondamentale la formazione delle FIGURE PROFESSIONALI coinvolte 31