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INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Drones sobre el campo

Avances tecnológicos expanden las posibilidades de uso de aeronaves no tripuladas en la agricultura

Un sistema orquestado: el intercambio de información entre sistemas empotrados en el dron...

EDUARDO CESARUn sistema orquestado: el intercambio de información entre sistemas empotrados en el dron…EDUARDO CESAR

Avances recientes en áreas de la tecnología de la computación, asociados con el desarrollo de sistemas globales de navegación y geoprocesamiento, están expandiendo las perspectivas de uso de los vehículos aéreos no tripulados ‒los llamados drones‒ en la agricultura. Estas aeronaves, relativamente baratas y de uso fácil, equipadas con sensores y recursos de imágenes cada vez más eficientes y precisos, pueden ayudar a los agricultores a incrementar la productividad y reducir daños en los cultivos mediante mapeos de datos que permiten detectar plagas y estimar el índice de crecimiento de las plantas, sólo por mencionar algunos ejemplos. Frente a las posibilidades de utilización de estas aeronaves, los científicos de la computación Bruno Squizato Faiçal, Heitor Freitas y el profesor Jó Ueyama, del Instituto de Ciencias Matemáticas y Computación de la Universidad de São Paulo (ICMC-USP), con sede en la ciudad de São Carlos, interior paulista, desarrollaron un sistema inteligente y autónomo de pulverización de agroquímicos con drones.

El uso de agroquímicos es esencial en la agricultura a gran escala. Estos defensivos químicos, en general, se pulverizan manualmente sobre los cultivos, o mediante el uso de tractores. Aun cuando los trabajadores rurales emplean algún tipo de protección ‒máscaras, por ejemplo‒, quedan expuestos al producto, que puede provocar serios problemas de salud, tales como cáncer y efectos adversos en el sistema nervioso central y periférico. Brasil es el mayor consumidor de plaguicidas. Las ventas de estos productos en el país crecieron sustancialmente en los últimos años, al trepar de 2.000 millones de dólares en 2001 a más de 8.500 millones de dólares en 2011, de acuerdo con un informe del Instituto Nacional del Cáncer (Inca) sobre los riesgos para la salud humana del uso de plaguicidas. A su vez, el control de la cantidad de agroquímicos aplicados en los cultivos resulta sumamente difícil. La pulverización casi siempre está sujeta a factores meteorológicos, tales como la velocidad y la dirección del viento, que pueden comprometer su aplicación en las áreas de cultivo, esparciéndolo por áreas vecinas.

... y sensores instalados en suelo...

EDUARDO CESAR… y sensores instalados en suelo…EDUARDO CESAR

El sistema desarrollado por los investigadores del ICMC-USP prevé el uso orquestado de un dron de alas rotativas en forma de hélices, y una red de sensores inalámbricos instalada alrededor del área de cultivo. Se basa en un sistema de inteligencia artificial capaz de ajustar la ruta de la aeronave de acuerdo con condiciones meteorológicas específicas. Según los investigadores, esto se concreta mediante el cruzamiento de datos generados por el dron con los que se obtienen en tiempo real con los sensores instalados en los bordes del área que será pulverizada. “En primer lugar, el dron realiza algunos vuelos de entrenamiento a distintas alturas y con diversas condiciones meteorológicas para conocer el patrón de precipitación de su sistema de pulverización y la influencia de las condiciones meteorológicas”, explica Squizato Faiçal. “Esta información se almacena para que posteriormente se la utilice en la construcción de un modelo de conocimiento que le permita al dron tomar decisiones durante la pulverización en condiciones meteorológicas análogas a las anteriores o inéditas.”

Al acercarse a los sensores instalados alrededor del área pulverizada, el dron verifica si la información que generó coincide con la obtenida en tiempo real por los aparatos apostados en suelo. Con base en el cruzamiento de estas informaciones, el sistema es capaz de regular la liberación del producto químico sobre el cultivo. La idea es que la aeronave y los demás sensores funcionen de modo autónomo, con una estación de control y un técnico que se encarga de monitorear la marcha del proceso.

...permite una pulverización más precisa y segura, con técnicos que monitorean la marcha del proceso

EDUARDO CESAR…permite una pulverización más precisa y segura, con técnicos que monitorean la marcha del procesoEDUARDO CESAR

Las coordenadas registradas en el sistema de navegación del dron, en coincidencia con los cálculos cruzados entre la aeronave y los sensores, determinan la potencia de una bomba que regula la cantidad de agroquímico que se libera. Cuanto mayor sea la potencia, más producto cae pulverizado. Según los investigadores, esto favorece una pulverización más segura y precisa, capaz de mejorar la cobertura de aplicación y la calidad del proceso de cultivo, asegurándoles así a las plantas un mayor aprovechamiento de esas sustancias con menos perjuicios para el medio ambiente. El sistema se probó en un dron de ala rotativa con ocho motores eléctricos mantenidos por baterías y una capacidad de carga de 2,5 kilogramos (kg), en campos abiertos dentro de la propia universidad.

El prototipo se mostró eficaz al liberar cantidades controladas de agroquímicos en áreas predeterminadas, teniendo en cuenta aspectos meteorológicos y las rutas calculadas por su sistema de GPS. “Nuestro sistema podrá asegurar una aplicación específica e inteligente, con menos desperdicio y menor contacto del agricultor con el plaguicida”, comenta Squizato Faiçal. Otra ventaja, según el investigador, consiste en que este mismo sistema puede adaptarse e instalarse en otros vehículos utilizados en tierra, tales como tractores, por ejemplo, conectándose con sensores distribuidos por el cultivo. Pero aún existe un largo camino por recorrerse hasta que esta tecnología esté a disposición de los agricultores. Uno de los desafíos consiste en adaptar todo el sistema para su utilización en aeronaves mayores, capaces de pulverizar sobre grandes áreas agrícolas. El equipo del ICMC-USP ya ha solicitado una patente a través de la Agencia USP de Innovación.

El drone de Embrapa, similar a un minihelicóptero, ayuda en la detección de enfermedades que afectan la maduración de los frutos

EDUARDO CESAREl drone de Embrapa, similar a un minihelicóptero, ayuda en la detección de enfermedades que afectan la maduración de los frutosEDUARDO CESAR

Nuevas aplicaciones
En los últimos 15 años, agricultores de diversos países empezaron a ver en los drones una oportunidad para aplicar en el campo conceptos de la denominada agricultura de precisión, basada en el uso de instrumentos y recursos de la tecnología de la información para implementar mejoras en la producción agrícola. La ventaja de los drones sobre otros sistemas de monitoreo reside en que pueden realizar sobrevuelos semanales y a bajo costo, y durante todo el período de producción. La estatal Embrapa Instrumentación, con sede en São Carlos, en el interior de São Paulo, invierte desde la década de 1990 en el desarrollo de nuevos sistemas y aeronaves capaces de operar con un buen rendimiento aun en condiciones de campo adversas. Bajo la coordinación del ingeniero electrónico Lúcio André de Castro Jorge, los proyectos apuntan a expandir las posibilidades de adaptación de los drones a operaciones agrícolas diversas mediante el uso de cámaras convencionales de alta definición, sensores y cámaras termales y multiespectrales, en general utilizadas en el monitoreo de cultivos, en estimaciones de volumen de producción y del índice de enfermedades y plagas.

En Gavião Peixoto, un municipio situado cerca de São Carlos, investigadores están probando nuevos componentes en drones similares a minihelicópteros, con hélices de 2,80 metros (m) de diámetro. Estas aeronaves realizan sobrevuelos periódicos en naranjales para la detección del greening, una enfermedad que afecta la maduración de los frutos y deja a las hojas de las plantas amarillentas; y que suele detectársela sólo cuando ya se encuentra en un estadio avanzado. Los drones de Embrapa, más flexibles y precisos durante la pulverización, sin uso de sensores y en forma manual, también en cultivos de arroz, soja y trigo, integran un conjunto más amplio de investigaciones orientado al desarrollo de software y sistemas empotrados de captura de imágenes adecuados a diversas aplicaciones agrícolas, que van de pequeñas a grandes propiedades.

Para despegar, el dron Echar, de la empresa XMobots, es posicionado en una estructura similar a una honda y luego es catapultado

EDUARDO CESARPara despegar, el dron Echar, de la empresa XMobots, es posicionado en una estructura similar a una honda…EDUARDO CESAR

Los proyectos cuentan con el apoyo de la Red de Agricultura de Precisión de la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep), del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y de la propia Embrapa, y se desarrollan en el nuevo Laboratorio de Referencia Nacional en Agricultura de Precisión (Lanapre), inaugurado en 2013. En él, el equipo de Lúcio Jorge trabaja en la concepción de nuevos sistemas integrados, probándolos y validándolos en plantaciones de soja y de maíz, y en pasturas cultivadas en una propiedad rural de Embrapa ubicada al lado del laboratorio. “Las pruebas se realizan con distintos modelos de aeronaves: Isis, de Hórus, Echar, de XMobots, y Otus, de la Aérials, todas empresas brasileñas, y empotrados con software libre, lo que ayuda a abaratar el proceso de innovación”, dice el investigador.

Los sistemas actualmente desarrollado por el grupo de Lúcio Jorge han hecho posible detectar fallas en los cultivos, estimar el índice de crecimiento de las plantas y registrar distintos niveles de estrés nutricional y anomalías causadas por óxido, estrés hídrico, hongos y plagas, mediante cámaras multi e hiperespectrales, capaces de obtener simultáneamente imágenes de alta resolución espacial, espectral –con varios rangos de longitud de onda electromagnética en la formación de la fotografía– y de infrarrojo. Otras, aún en desarrollo, podrán ayudar en la dispersión de semillas de eucalipto y la suelta de enemigos naturales de algunas plagas para el control biológico.

... y luego es catapultado

EDUARDO CESAR… y luego es catapultadoEDUARDO CESAR

Los primeros drones de Brasil empezaron a desarrollarse a mediados de la década de 1980, con el Acauã, una aeronave en forma de miniavión concebida por el Centro Tecnológico Aeroespacial (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 211) en colaboración con la empresa Avibras, inicialmente con fines militares. La expansión –más allá del ámbito militar– se ha visto reflejada en aplicaciones diversas, que van del monitoreo ambiental a la inspección aérea en operaciones de combate contra el narcotráfico, y se extienden hasta las misiones humanitarias, con la entrega de medicamentos y vacunas en áreas de difícil acceso, por ejemplo.

Incluso con el desarrollo acelerado del sector, los vuelos de los drones aún carecen de reglas específicas. La legislación brasileña ha avanzó un poco en ese sentido a partir de una consulta pública realizada recientemente por la Agencia Nacional de Aviación Civil (Anac), según Lúcio Jorge. “No habrá restricciones al uso de drones en los campos, siempre y cuando se respeten las alturas establecidas”, dice. Las empresas del sector venden aeronaves, piezas y software, pero esperan que haya una regulación más específica. En Estados Unidos, el día 14 de diciembre, la Administración Federal de Aviación (FAA, por sus siglas en inglés) anunció nuevas reglas para el uso de drones en su espacio aéreo. Los propietarios de esas aeronaves en dicho país deberán registrar su nombre, su dirección física y su dirección de correo electrónico en un banco de datos nacional, que generará un certificado de registro de las aeronaves.

Tras el sobrevuelo, el motor se apaga y el paracaídas se abre para amortiguar el aterrizaje de la aeronave

EDUARDO CESARTras el sobrevuelo, el motor se apaga y el paracaídas se abre para amortiguar el aterrizaje de la aeronaveEDUARDO CESAR

Los drones son en gran medida responsables de la expansión y el desarrollo de la industria aeroespacial mundial, con estimaciones de importantes inversiones, que subirán de los actuales 2.700 millones de dólares por año a alrededor de 8.300 millones de dólares anuales en la próxima década. Las posibilidades son variadas, y con la reglamentación del sector, el uso civil de esta tecnología será aún más significativo. Mientras que los órganos regulatorios de Brasil buscan la mejor manera de actuar en asuntos relacionados con la seguridad y la privacidad, Lux Research, una empresa estadounidense de consultoría en estudios de mercado, estima que se venderán más de un millón de drones hasta 2025.

La tecnología empotrada será responsable por 670 millones de dólares de los 1.700 millones de dólares que moverá en este mercado durante dicho período. En el informe intitulado Commercial drones: Market shares, strategies, and forecasts, worldwide, 2015 to 2021, un documento de 620 páginas elaborado y divulgado por la empresa estadounidense RnR Market Research, analistas del sector afirman que los drones están cambiando la manera de conducir la agricultura en el mundo, y que estas aeronaves movieron 609 millones de dólares en 2014. Y estiman que ese valor trepará a 4.800 millones de dólares a nivel mundial en 2021.

Proyectos
1. Utilización de inteligencia computacional y VANTs para reducir la deriva en la aplicación de plaguicidas (nº 2013/18859-8); Modalidad Beca en el país – Regular – Doctorado; Investigador responsable Jó Ueyama (ICMC-USP); Becario Bruno Squizato Faiçal (ICMC-USP); Inversión R$ 72.650,00.
2. Exploración del abordaje sensor web y la teledetección participatoria en el monitoreo de ríos urbanos (nº 2012/22550-0); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Jó Ueyama (ICMC-USP); Inversión R$ 60.529,50.

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