MaquinariaAgrícola46%

Pesca27%

Ganadería5 0/0

Regadíos22 °/o

FIGURA 1.

Consumo de energía en la agricultura (Fuente IDAE).

DOSSIER AGRICULTURA DE PRECISIÓN

LA REDUCCIÓN DE INSUMOS QUE SE CONSIGUE PODRÍA SUPONER DE LA VIABILIDAD DEL CULTIVO EN ALGUNOS CASOS

Aplicaciones que optimizanel ahorro energéticoen agricultura de precisiónLa demanda de energía en el sector agrícola espa-ñol ha seguido un ritmo de crecimiento paralelo alde la economía, con sus consecuentes efectos ne-gativos sobre la competitividad (costes) de losproductos y sobre el gasto medioambiental (emi-

siones). El nuevo escenario energético obliga alsector a afrontar el desafío que supone el ahorrode energía y la mejora de la eficiencia energética,aspecto que se puede conseguir mediante las téc-nicas de agricultura de precisión.

Manuel Pérez Ruiz.Dpto. de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos.Área de Ingeniería Agroforestal. Universidad de Sevilla.

Juan Agüera Vega.Dpto. de Ingeniería Rural. Universidad de Córdoba.

E

I trabajo humano fue la primerafuente de energía que utilizaron losprimeros agricultores, pero a co-mienzo del siglo XIX fue sustituida

por la energía animal provenientes funda-mentalmente de caballos, camellos, búfa-los e incluso elefantes, suponiendo una pri-mera transformación en laagricultura.

En 1858 la energía me-cánica con el desarrollo dela máquina de vapor seconvirtió en la principalfuente, pero treinta añosmás tarde, en 1889, unasegunda transformacióntuvo lugar, la máquina devapor dio paso al primertractor con un motor decombustión interna permi-tiendo esto un mayor desa-rrollo de potencia, vehícu-

los más ligeros y un incremento de productivi-dad en el sector agrícola. La llegada de la in-tegración de componentes mecánicos y elec-trónicos coordinados por una arquitectura decontrol (mecatrónica) a este sector junto conlas técnicas para hacer una agricultura locali-zada en el espacio y en el tiempo está supo-niendo una tercera transformación.

Esta última transformación tiene comoobjetivo prioritario la reducción de los costesenergéticos en las prácticas agrícolas, maxi-mizar los beneficios al empresario agrario yreducir la contaminación medioambientalmejorando la eficiencia de las aplicaciones.

La demanda de energía en el sector agrí-cola español ha seguido un ritmo de crec-

miento paralelo al de la economía, con susconsecuentes efectos negativos sobre lacompetitividad (costes) de los productos ysobre el gasto medioambiental (emisiones).El nuevo escenario energético obliga al sectora afrontar el desafío que supone el ahorro deenergía y la mejora de la eficiencia energética.

El tractor tal y como se presenta en nues-tros días es una máquina muy sofisticada contransmisión hidrostática,servoselectrohidráu-licos para controlar la fuerza de tiro y la profun-didad de trabajo, diseño ergonómico, climati-zación en la cabina, etc.Todo ello es vital paradesempeñar un buen trabajo en campo, perono se debe olvidar que el consumo de com-bustible del tractor supone entre el 17 y el

40% de su coste horario total yla maquinaria agrícola suponecerca del 50% del consumoenergético del sector, lo que re-fleja la importacia de la eficien-cia energética de ambos aspec-tos (figura 1).

En los últimos años el IDAE(Instituto para la Diversificacióny Ahorro de la Energía) en sumisión de fomentar la eficien-cia energética y el uso de fuen-tes de energías renovables yrespetuosas con el medio am-biente ha llevado a cabo la rea-

IS] Vida RURAL (15/Julio/2009)

FIGURA 2.

Localización de la maquinaria agrícola mediante la constelación de satélites GPS

(Fuente: Universidad de Sevilla).

lización de hasta once documentos técnicos,donde se desarrollan algunos métodos de re-ducción de energía en el sector agrícola:

-Documento n°1: Consumos Energéticosen las Operaciones Agrícolas en España.

- Documento n °2: Ahorro y EficienciaEnergética en Agricultura de Regadío.

- Documento n °3: Ahorro y EficienciaEnergética en Instalaciones Ganaderas.

- Documento n°4: Ahorro, Eficiencia Ener-gética y Sistemas de Laboreo Agrícola.

-Documento n°5: Ahorro, Eficiencia Ener-gética y Estructura de la Explotación Agrícola.

- Documento n°6: Ahorro, Eficiencia Ener-gética y Fertilización Nitrogenada.

- Documento n°7: Ahorro y EficienciaEnergética en Invernaderos.

- Documento n°8: Protocolo de AuditoríaEnergética en Invernaderos. Auditoría energé-tica de un invernadero para cultivo de flor cor-tada en Mendigorría.

- Documento n °9: Ahorro y EficienciaEnergética en las Comunidades de Regantes.

- Documento n°10: Protocolo de Audito-ría Energética en Comunidades de Regantes.

- Documento n°11: Ahorro y EficienciaEnergética en los Cultivos Energéticos y Agri-cultura.

Estos documentos contemplan aspectoscomo una elección adecuada del tractor se-gún operacion a realizar, el laboreo y aperosmás apropiados para cada labor agrícola, ve-locidad de trabajo adecuada, etc. Todo ellounido a los nuevos desarrollos tecnológicosen materia de automatización de tractores,sistema GPS, sistemas inteligentes para laaplicación de agroquímicos, monitorizacióndel rendimiento, sensores remotos, elimina-ción de mala hierba de forma mecánica, dis-tribución variable y monitorización del rendi-miento de campo de las operaciones mecani-zadas, pueden ayudar a conseguir un modeloenergético agrícola sostenible con el medioambiente y una reducción de los costes deproducción de las explotaciones agrícolas.

GPS, el elemento clave enla reducción de insumos

Para conseguir un tratamiento diferencia-do es imprescindible el uso de un sistemaque sea capaz de manera precisa de identifi-car la posición de la maquinaria trabajandoen el campo (latitud, longitud, altitud, etc.).Esto fue posible debido a la aparición del Sis-tema de Posicionamiento Global (GPS), que

comenzó en EE.UU., en los años setentacuando el Departamento de Defensa creó unsistema de posicionamiento mediante satéli-tes para conocer la ubicación de objetivosmilitares. Este sistema proporciona continua-mente información de posicionamiento ytiempo en cualquier lugar del mundo y bajocualquier condición climática (figura 2).

El principio físico utilizado por un GPS esbastante simple. Si las distancias desde unpunto de la tierra (receptor GPS montado enun vehículo agrícola) a tres satélites GPS seconocen, la ubicación de ese punto se puededeterminar simplemente aplicando el princi-pio geométrico de la triangulación. Pero,¿cómo se puede obtener la distancia a lossatélites?

Cada satélite GPS está transmitiendocontinuamente señales de radiofrecuenciadesde su órbita. En el momento que esta se-ñal es recibida por la antena del receptor GPSmontado en la máquina agrícola que se en-cuentra en la superficie terrestre se generauna esfera imaginaria que envuelve al satéli-te. El propio satélite actuará como centro de

El sistema de guiadoRTK-GPS mejora lacalidad de siembray ahorra recursosal disminuir lossolapes en valoressuperiores al 6%

la esfera, por tanto, el radio de la esfera seráigual a la distancia que separa al satélite delreceptor. A partir de este instante el receptorGPS medirá la distancia que lo separa de. almenos, dos satélites más. Para ello tendráque calcular el tiempo que tarda cada señalen viajar desde los satélites hasta el puntodonde se encuentra situado y realizar los co-rrespondientes cálculos matemáticos. Parala determinación exacta de un punto es nece-sario que tengamos tres esferas imaginariascreadas por tres satélites, dos esferas se cor-tan en una circunferencia, pero tres lo hacenen dos puntos, uno de los cuales resulta ab-surdo como solución, por quedar dentro de lacorteza terrestre o a una altura de ésta quenos situaría en el espacio exterior.

Debido al uso militar, el Gobierno de losEE.UU. en un principio degradaba la señal dePosicionamiento Global por Satélites (GPS).Esta degradación se denominaba Disponibi-lidad Selectiva (SA) y proporcionaba erroresen la precisión de unos +/- 100 m, peropronto el interés de la aplicación del sistemaGPS en muchos campos de la vida civil hizoque el Gobierno deshabilitara la SA en 2000.Para mejorar el sistema GPS que existía has-ta entonces se construyó el sistema DGPS. Elfundamento del DGPS ó GPS diferencial radi-ca en el hecho de que los errores producidospor el sistema GPS afectan por igual a los re-ceptores situados próximos entre sí. Si supo-nemos que un receptor basándose en otrastécnicas conoce muy bien su posición, si estereceptor recibe la posición dada por el siste-ma GPS será capaz de estimar los erroresproducidos por el sistema GPS. Si este recep-tor transmite la corrección de errores a los re-

(15/Julio/2009) VidaRURAL ELI

u

DOSSIER AGRICULTURA DE PRECISIÓN

Foto 1. Maíz sembrado en círculo balo píyot con un sistema RTK-GPS (Fuente: Thmble Navigation). Foto 2. Preparación del terreno y plantación de lechuga con un sistemaguiado automático RTK-GPS (Fuente: Trimble Navigation)

ceptores próximos a él, éstos podrán co-rregirtambién los errores producidos por elsistema.

Para conseguir precisiones centimétri-cas en operaciones de campo (pulveriza-ción, alomado, siembra, fertilización, plan-taciones, monitorización del rendimiento,etc.) es fundamental la utilización al me-nos de un sistema de GPS diferencial y enlos casos de alta precisión un sistema RTK-GPS (fotos 1 y 2).

En los últimos tiempos con el desarro-llo de vehículos más grandes y más rápidosen la agricultura, los trabajos donde el con-ductor de una máquina agrícola necesitaconseguir pasadas paralelas son cada vezmás complicados. Desde hace una décadase vienen utilizando receptores GPS comoherramienta para la ayuda al guiado en ve-hículos agrícolas, obteniendose resultadosmuy interesantes desde el punto de vistade ahorro de insumos y por ende la reduc-ción en el gasto energético.

Estudios preliminares a la aplicaciónde la tecnología GPS en la conducción delos vehículos agrícolas demostraron quelos conductores tienden a producirsolapesentre una pasada y la contigua, con el gas-

Costes de la operación de siembra de trigo.

to de insumos que esto supone. De estos pri-meros trabajos se concluyó que se produceun solape próximo del 10% de la anchura dela pasada, dependiendo del ancho de la má-quina o apero (Nieminen y Sampo, 1993).

Comparativa en una siembra de trigoEn la Universidad de Córdoba se han rea-

lizados trabajos comparativos, de la opera-ción de siembra de trigo de invierno, con dostratamientos diferentes: realizando la siem-bra de forma convencional (sin guiado GPS) yrealizando la siembra con un sistema deguiado automático (RTK-GPS). Se han obte-nido porcentajes de ahorro de insumos parados años consecutivos de 6,16% y 6,31%(Pérez y Agüera, 2007). Con estos resultadosse ha generado el cuadro I, considerando losmismos precios de conbustible y kg de semi-lla para los dos años.

Del cuadro tse puede extraer que el equi-po de guiado automático instalado en el trac-tor produce para el primer año un ahorro delos insumos especificados de 6,45 €/ha ypara el segundo año de 7,26 €/ha. Comoconclusión puede decirse que el sistema deguiado RTK-GPS mejora la calidad de siem-bra y ahorra recursos al disminuir los solapes

en valores superiores al 6%. Además facilitala posterior realización de tratamientos entrelíneas y la recolección al mantenerse las líne-as completamente paralelas incluso las co-rrespondientes a pasadas contiguas. Otraventaja apreciada durante los ensayos, aun-que no evaluada en este trabajo, es la reduc-ción del tiempo de la siembra y la mejora er-gonómica para el conductor, por el hecho dedisminuir la atención en la conducción en lar-gos trayectos durante la siembra.

Precisión de la señal decorrección diferencial

También en la Universidad de Córdoba yen colaboración con la Universidad de Sevillase ha desarrollado una metodología paraevaluar las diferentes precisiones que se pue-den alcanzar en las operaciones agrícolas uti-lizando las diferentes correcciones diferen-ciales disponibles en España. De este estudiose ha podido establecer la siguiente clasifica-ción del error proporcionado (mayor a me-nor): Egnos > Rasant > IP > OmniStar > esta-ción base propia. Esta clasificación permiteal agricultor español seleccionar la señal decorrección diferencial a utilizar en función dela precisión requerida para la operación a re-alizar (más información Vida Rural n°260,2007).

Comparativa en giros en cabecerasBochtis y Bougioukas (2008), en la Uni-

versidad Griega de Thessaloniki, han estudia-do los metros recorridos durante los giros delvehículo agrícola en las cabeceras. Analizan-do los datos registrados por un sistema DGPShan obtenido para los tres tipos de tratamien-tos estudiados unos valores de distancia

CUADRO 1.

AÑO 1 AÑO 2Tratamiento 1 Tratamiento 2 Tratamiento 1 Tratamiento 2

Combustible (1/ha) 7,57 7.14 7,59 7,14Semilla de trigo (€/ha( 114,02 108,00 114,81 108,00Coste l€/ha) 121,59 115,14 122,40 115,14Tratamiento 1: Operaciones convencionales (sin guiado GPS)

Tratamiento 2: Operaciones con el sistema de guiado automático (RTK-GPS)

111d8RURAL (15/Julio/2009)

Easting - 1,686,000 (m) Easting 1,686.000 (m) Eastmg - 7,686.000(m)

615

610

605

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bl (I) Penen615

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N (1) pattern615

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optimal pattern

dead distancee 174,14 rn..• •

. • •

• • •J :i ..... "

dead drstance= 132,25 m

••. .• • ••••••

dead drstance- 99,65 rn

..•••—•.

280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330 280 285 293 295 300 305 310 315 320 325 330 280 285 290 295 303 305 310 315 320 325 330

FIGURA 3.

Configuración 1, distancia muerta encabecera 174,4 m.(Fuente Aut. Emerg. Technologies).

FIGURA 4.

Configuración 2, distancia muerta encabecera 132,25 m.(Fuente Aut. Emerg. Technologies).

FIGURA 5.

Configuración 3, distancia muerta encabecera 99,65 m.(Fuente Aut. Emerg. Technologies).

muerta en cabeceras de 174,4 ni (figura 3),132,35 m (figura 4) y 99,65 m (figura 5).

Tecnología deaplicación variable

A día de hoy, se han desarrollado tres tiposdiferentes de metodología para afrontar lasaplicaciones de dosis variable: aplicación va-hable basada en mapas, aplicación basada ensensores y una combinación de ambas. Lastres metodologías están dentro del área cono-cida como agricultura de precisión, pero se di-ferencian de forma sustancial:

• Aplicación variable basada en mapas. Elvehículo agrícola de distribución de agroquími-cos modifica la dosis en función de la informa-ción consultada del mapa de variabilidad delas propiedades de la parcela. Este tipo deaplicación presenta el inconveniente de quenos prefija la dosis, y dado que transcurre uncierto tiempo entre el análisis del mapa y laaplicación, puede que la dosis prefijada no co-

rresponda exactamente con la que se necesitaen el momento de la aplicación si el análisis seha basado en propiedades que varían rápida-mente: contenido de nitratos en el suelo, con-tenido de humedad en el terreno, mala hierba,etc.

• Aplicación variable basada en sensores.El equipo de distribución, con un sensor o va-hos, detecta sobre la marcha la informaciónnecesaria (nitratos en el suelo, estado del cul-tivo, mala hierba, etc.), que es utilizada para laregulación de la dosis adecuada de agroquími-cos.

• Una combinación de ambas metodolo-gías. Podría ser usada, por ejemplo, para unafertilización nitrogenada. Un mapa nos podríafacilitar la información de la cantidad necesa-ha de nitrogeno a poner en cada zona de laparcela para conseguir una determinada pro-ducción, mientras que un sensor montado enla mismo vehículo nos puede indicar la canti-dad de nitrogeno existente en ese momento enel suelo. Haciendo esto el vehículo distribuidor

sólo tendría que poner en el suelo la cantidadadicional correspondiente.

Los autores de este artículo han llevado acabo un proyecto de optimización de aplica-ción de agroquímicos en olivartradicional. Hanmejorado un pulverizador hidroneumático conun sistema RTK-GPS, un equipo de adquisiciónde datos, un controlador de la aplicación y seiselectroválvulas, para proporcionar un volumende aplicación adaptado a las característicasdel árbol, sin reducir la calidad del tratamiento,consiguiendo de esta forma un ahorro de insu-mos para el empresario agrícola que implicaeste tipo de tratamientos con valores cercanosal 20%.

Para cultivos extensivos, recientementehan aparecido de forma comercial los equiposde control automático de tramos para barrasde tratamientos (figura 6). Utilizan un sistemaDGPS para conocer su posición y velocidad deavance, y de esta forma evitan realizar solapespermitiendo aumentar la velocidad de aplica-ción, consiguiendo un mejor trabajo en menos

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Luz Interruptor Interruptorindicadora cambio para ajustede estado dosis de dosis

FIGURA 6.Equipos de control automático de tramos para barras de tratamientos(Fuente Trimble Navigation Ltd.).

FIGURA 7.

Vehículo autopropulsado de 24 m de ancho de trabajo con un controlador automático detramos instalado (Fuente Universidad de Sevilla).

Foto 3. Cuchilla GPS cerrada eliminando la mala hierba existente entre plantas de tomate (Fuente: University ofCalifornia, Davis). Foto 4. Cuchilla GPS abierta saltando la planta de tomate (Fuente: University of California, Davis).

DOSSIER

En la Universidad de Davis (California) yen colaboración con la Universidad de Sevi-lla se ha desarrollado un sistema que permi-te eliminar la mala hierba que crece entreplantas de forma mecánica, sin ningún tipode aplicación química. Para ello, en primerlugar se ha montado un equipo RTK-GPS enuna transplantadora convencional de toma-te, que permine obtener un mapa con la ge-orreferenciación de cada una de las plantas,justo en el mismo momento de hacer laplantación. Posteriormente este mapa esusado como información para poner en fun-cionamiento una cuchilla neumática. Cuan-do esta cuchilla se desplaza por la línea detomate y encuentra la coordenada registra-da (planta de tomate) ésta se abre y unoscenteetros después de pasarla vuelve acerrarse ya eliminartoda la mala hierba quecrece entre plantas de tomate, a la esperade encontrar la siguiente planta de tomate yvolverse a abrir (fotos 3 y 4). •Agradecimientos

Este trabajo ha sido posible gracias a la financiación del pro-yecto INIA N° PTA 2006-00058-0O3-03 y al Department ofAgncultural and Biological Engineering,University of California, Davis, por su colaboración en los tra-bajos de investigación.

Renuncia de responsabilidad

La mención de productos comerciales, servicios, marcas, fa-bricantes, organizaciones, o estudios de investigación enesta publicación no implica la aprobación por parte de losautores, o de las Universidades a las que pertenecen. El nomencionar otros productos, servicios, martas, fabricantes,organizaciones, o estudios de investigación similares no im-plica la discriminación hacia éstos.

O O b ir, o e-,

BIBLIOGRAFÍA

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Nieminen y Sampo, 1993. Unmanned Vehicles for Agricul-tural und Off Highway Applications. In: 1993 International

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Pérez M., Agüera J. y Gil J. 2007. Desarrollo, evaluación y

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Rodríguez, E und Berenguel M. 2004 Control y robótica enagricultura. Universidad de Almería, ISBN: 84-8240-739-2

tiempo. Este sistema permite el control deforma automática de hasta diez secciones,proporcionando una aplicación más preci-sa y rápida que el ordenador habitual. Laempresa Trimble Navigation, nos ha pro-porcionado resultados de sus últimos en-sayos con un equipo automático de con-trol de tramos en un pulverizador; usandoeste equipo el area tratada es de 44,43 hay no usándolo de 47,23 ha, produciendo-se esta diferencia por una cantidad de so-lapes del 6,3% (figura 7).

De todo lo anterior, se puede deducir queeste tipo de tecnología se puede usar en trata-mientos de herbicidas, siembra, laboreo delsuelo, fertilización, etc., y que en todas estasoperaciones se produce una reducción de in-sumos, que en algunos casos podría suponerde la viabilidad del cultivo.

Usando algunas áreas de las disciplinas deautomatización y robotización, se puede con-seguir una mayor reducción de insumos e inclu-so en algunos casos se pueden llegar a elimi-nar por completo los tratamientos herbicidas.

AGRICULTURA DE PRECISIÓN

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