Reducción de contaminantes atmosféricos e hídricos en agricultura de precisión utilizando sistemas robotizados

Résumé

En las últimas décadas se ha producido un gran aumento en la contaminación del medioambiente. El incesante uso de combustible fósil genera una gran contaminación atmosférica con las consecuentes alteraciones climáticas, además de los problemas de salud provocados por estas emisiones contaminantes. Estos combustibles son la principal fuente de energía para vehículos móviles, como lo son los vehículos agrícolas. Otra problemática generada en la actual agricultura intensiva es el uso de productos químicos utilizados para combatir las plagas indeseadas que merman y dañan la producción. Gran parte de estos productos suele terminar en el subsuelo contaminando las aguas freáticas. Abordando estas problemáticas, esta memoria de tesis doctoral presenta una serie de publicaciones de investigación para reducir la contaminación generada en las tareas agrícolas llevadas a cabo por sistemas automatizados. Concretamente, las 4 publicaciones expuestas en esta memoria de tesis doctoral por compendio de publicaciones se centran en la reducción contaminantes atmosféricos e hídricos utilizando sistemas robotizados para tratamientos de precisión aplicados en agricultura. Para las pruebas experimentales presentadas en estas publicaciones se han utilizado los vehículos robóticos e implementos desarrollados en el proyecto RHEA (European Union FP7-NMP 245986), las tareas agrícolas consideradas en estas publicaciones también han sido las desarrolladas dentro de este proyecto: (a) control de malas hierbas en cultivos agrícolas utilizando herbicidas; (b) control de malas hierbas en cultivos con surcos amplios y gran resistencia a temperaturas elevadas durante pequeños periodos de tiempo (como maíz, cebollas, ajos, puerros, etc.) mediante la aplicación directa de llamas; y (c) control de plagas en árboles aplicando insecticidas. Además, es importante tener en cuenta que gran parte de los resultados obtenidos se pueden extender a otras tareas, tanto del sector agrícola como de otros sectores. En primer lugar se presenta y analiza una metodología para reducir el combustible empleado en tareas agrícolas. Para ello se desarrolla un modelo de consumo de combustible del robot agrícola y una representación tridimensional del terreno para analizar y estudiar el consumo en cada instante y en cada zona del cultivo. Con estos datos se aplican una serie de algoritmos diseñados para buscar la mejor secuencia de actuación respecto al consumo de combustible por parte del robot agrícola para llevar a cabo la tarea correspondiente. Finalmente, se valida el método realizando una serie de pruebas experimentales en cultivos reales para las tres tareas agrícolas consideradas mediante el análisis de los resultados obtenidos. Los resultados demuestran que el uso de este tipo de métodos reduce significativamente el combustible empleado, y que considerar las alturas del terreno es especialmente interesante para tareas donde existen variaciones importantes en la masa del sistema. Cabe destacar que el método descrito también es válido para otras tareas, tanto agrícolas como de otro tipo. La segunda publicación presenta la reducción de los gases de escape nocivos para el medio ambiente y para la salud utilizando un sistema hibrido de energía. Para ello se reduce carga al motor de combustión interna añadiendo un sistema de abastecimiento energético eléctrico basado en fuentes limpias, el cual está formado por una pila de combustible, baterías y un panel fotovoltaico. Un primer estudio analiza que parte de la demanda energética es factible abastecer con el sistema eléctrico y se determinan los cambios más convenientes a realizar en los vehículos e implementos para un buen aprovechamiento del sistema hibrido de potencia. A continuación se desarrolla un modelo energético para calcular la demanda energética de las diferentes tareas, los picos de potencia y su valor medio, así como los demás datos necesarios para diseñar y dimensionar el sistema de abastecimiento de energía eléctrica. Finalmente, se analizan los gases de escape emitidos al utilizar este sistema hibrido de potencia y se comparan estos valores con los resultados obtenidos al utilizar el motor de combustión interna como única fuente de potencia. En esta comparación se obtiene que la reducción de gases contaminantes alcanza valores cercanos al 50%. La tercera publicación analiza el control de malezas en cultivos agrícolas mediante la aplicación precisa de herbicidas utilizando un sistema de sulfatación robotizado. En esta publicación se describe detalladamente el sistema robotizado para llevar a cabo una fumigación con herbicida sobre los parches de malezas en cultivos agrícolas, donde el mapa de malas hierbas puede ser conocido a priori o generado mientras se está realizando la tarea. Se presenta una serie de experimentos que demuestran que el uso de este sistema logra tratar más del 99% de las hierbas detectadas desperdiciando una cantidad mínima de herbicida. El uso de este tipo de sistemas reduce significativamente los productos químicos vertidos sobre el suelo que pueden llegar al nivel freático con la consecuente contaminación de las aguas subterráneas. Finalmente, la cuarta publicación expuesta en esta tesis doctoral describe y analiza un sistema para el tratamiento ecológico de malas hierbas en cultivos con gran resistencia al fuego y surcos amplios. Este sistema sustituye los productos químicos empleados (herbicidas) por energía calorífica, lo que hace que pueda ser utilizado tanto en la agricultura ecológica como en la sostenible. Esta energía puede ser proporcionada por fuentes limpias como los son los diferentes tipos de biogás. Además, este tratamiento térmico se centra en las zonas de las líneas de cultivo infestadas de hierba, aplicando un proceso de aricado entre dichas líneas. La publicación describe una serie de experimentos de campo que demuestran que este sistema es capaz de tratar el 91% de las malas hierbas germinadas junto a las líneas del cultivo (en estas pruebas todo el espacio entre líneas de cultivo es aricado) En las últimas décadas se ha producido un gran aumento en la contaminación del medioambiente. El incesante uso de combustible fósil genera una gran contaminación atmosférica con las consecuentes alteraciones climáticas, además de los problemas de salud provocados por estas emisiones contaminantes. Estos combustibles son la principal fuente de energía para vehículos móviles, como lo son los vehículos agrícolas. Otra problemática generada en la actual agricultura intensiva es el uso de productos químicos utilizados para combatir las plagas indeseadas que merman y dañan la producción. Gran parte de estos productos suele terminar en el subsuelo contaminando las aguas freáticas. Abordando estas problemáticas, esta memoria de tesis doctoral presenta una serie de publicaciones de investigación para reducir la contaminación generada en las tareas agrícolas llevadas a cabo por sistemas automatizados. Concretamente, las 4 publicaciones expuestas en esta memoria de tesis doctoral por compendio de publicaciones se centran en la reducción contaminantes atmosféricos e hídricos utilizando sistemas robotizados para tratamientos de precisión aplicados en agricultura. Para las pruebas experimentales presentadas en estas publicaciones se han utilizado los vehículos robóticos e implementos desarrollados en el proyecto RHEA (European Union FP7-NMP 245986), las tareas agrícolas consideradas en estas publicaciones también han sido las desarrolladas dentro de este proyecto: (a) control de malas hierbas en cultivos agrícolas utilizando herbicidas; (b) control de malas hierbas en cultivos con surcos amplios y gran resistencia a temperaturas elevadas durante pequeños periodos de tiempo (como maíz, cebollas, ajos, puerros, etc.) mediante la aplicación directa de llamas; y (c) control de plagas en árboles aplicando insecticidas. Además, es importante tener en cuenta que gran parte de los resultados obtenidos se pueden extender a otras tareas, tanto del sector agrícola como de otros sectores. En primer lugar se presenta y analiza una metodología para reducir el combustible empleado en tareas agrícolas. Para ello se desarrolla un modelo de consumo de combustible del robot agrícola y una representación tridimensional del terreno para analizar y estudiar el consumo en cada instante y en cada zona del cultivo. Con estos datos se aplican una serie de algoritmos diseñados para buscar la mejor secuencia de actuación respecto al consumo de combustible por parte del robot agrícola para llevar a cabo la tarea correspondiente. Finalmente, se valida el método realizando una serie de pruebas experimentales en cultivos reales para las tres tareas agrícolas consideradas mediante el análisis de los resultados obtenidos. Los resultados demuestran que el uso de este tipo de métodos reduce significativamente el combustible empleado, y que considerar las alturas del terreno es especialmente interesante para tareas donde existen variaciones importantes en la masa del sistema. Cabe destacar que el método descrito también es válido para otras tareas, tanto agrícolas como de otro tipo. La segunda publicación presenta la reducción de los gases de escape nocivos para el medio ambiente y para la salud utilizando un sistema hibrido de energía. Para ello se reduce carga al motor de combustión interna añadiendo un sistema de abastecimiento energético eléctrico basado en fuentes limpias, el cual está formado por una pila de combustible, baterías y un panel fotovoltaico. Un primer estudio analiza que parte de la demanda energética es factible abastecer con el sistema eléctrico y se determinan los cambios más convenientes a realizar en los vehículos e implementos para un buen aprovechamiento del sistema hibrido de potencia. A continuación se desarrolla un modelo energético para calcular la demanda energética de las diferentes tareas, los picos de potencia y su valor medio, así como los demás datos necesarios para diseñar y dimensionar el sistema de abastecimiento de energía eléctrica. Finalmente, se analizan los gases de escape emitidos al utilizar este sistema hibrido de potencia y se comparan estos valores con los resultados obtenidos al utilizar el motor de combustión interna como única fuente de potencia. En esta comparación se obtiene que la reducción de gases contaminantes alcanza valores cercanos al 50%. La tercera publicación analiza el control de malezas en cultivos agrícolas mediante la aplicación precisa de herbicidas utilizando un sistema de sulfatación robotizado. En esta publicación se describe detalladamente el sistema robotizado para llevar a cabo una fumigación con herbicida sobre los parches de malezas en cultivos agrícolas, donde el mapa de malas hierbas puede ser conocido a priori o generado mientras se está realizando la tarea. Se presenta una serie de experimentos que demuestran que el uso de este sistema logra tratar más del 99% de las hierbas detectadas desperdiciando una cantidad mínima de herbicida. El uso de este tipo de sistemas reduce significativamente los productos químicos vertidos sobre el suelo que pueden llegar al nivel freático con la consecuente contaminación de las aguas subterráneas. Finalmente, la cuarta publicación expuesta en esta tesis doctoral describe y analiza un sistema para el tratamiento ecológico de malas hierbas en cultivos con gran resistencia al fuego y surcos amplios. Este sistema sustituye los productos químicos empleados (herbicidas) por energía calorífica, lo que hace que pueda ser utilizado tanto en la agricultura ecológica como en la sostenible. Esta energía puede ser proporcionada por fuentes limpias como los son los diferentes tipos de biogás. Además, este tratamiento térmico se centra en las zonas de las líneas de cultivo infestadas de hierba, aplicando un proceso de aricado entre dichas líneas. La publicación describe una serie de experimentos de campo que demuestran que este sistema es capaz de tratar el 91% de las malas hierbas germinadas junto a las líneas del cultivo (en estas pruebas todo el espacio entre líneas de cultivo es aricado).