Como os veículos autônomos melhorarão a sustentabilidade e a produtividade na agricultura

Tratores autônomos, drones e plantio de sementes, capina e robôs de colheita são várias das tecnologias em desenvolvimento que transformarão a agricultura e ajudarão a aliviar a escassez de alimentos, melhorando a sustentabilidade e a produtividade das atividades agrícolas. Veículos autônomos de todos os tipos libertarão as pessoas da condução de tratores e outras máquinas, permitindo-lhes realizar atividades com maior valor agregado. Estes incluem a implementação de agricultura de precisão que irá aumentar os rendimentos, reduzir os impactos ambientais negativos e melhorar a sustentabilidade das operações agrícolas, abordando questões relacionadas à escassez de água, escassez de mão-de-obra e outras limitações.

Enquanto drones e robôs agrícolas representam novos sistemas sendo desenvolvidos e implantados a partir do zero, os tratores são diferentes. Já existe uma grande base instalada de tratores, e eles tendem a ter uma longa vida operacional. Como resultado, além de desenvolver novos projetos totalmente automatizados, os tratores existentes serão equipados com acionamentos elétricos e atualizados com sistemas digitais para fins específicos, os chamados "implementos digitais de tratores".

Este artigo analisa o desenvolvimento de implementos digitais de tratores e tratores elétricos emergentes ("e-tractors"). Ele analisa os desafios no campo de tratores autônomos e examina como drones, sensores em tratores e AI e ML são usados na agricultura de precisão. Também examina algumas das tecnologias necessárias para realizar o desenvolvimento de veículos agrícolas autônomos e como a extensa oferta de produtos da DigiKey, incluindo visão de máquina, motores e controles, conversores de energia, sensores e interruptores, interfaces de comunicação com e sem fio, e uma gama de cabos e conectores de sinal e energia podem ajudar os projetistas a agilizar seus processos de desenvolvimento. O artigo é encerrado olhando brevemente para o futuro, onde fazendas totalmente autônomas serão controladas por sistemas operacionais sofisticados que podem gerenciar frotas mistas, incluindo equipamentos agrícolas tanto autônomos quanto padrão, para maximizar a produtividade e a sustentabilidade.

Os implementos agrícolas entram no ISObus

Assim como a Indústria 4.0, a agricultura está se movendo em direção ao uso de máquinas inteligentes e interligadas. É aí que entra a Organização Internacional de Normalização (ISO) 11783, os tratores e máquinas para barramento da rede de dados em série da agricultura e da silvicultura. Na indústria agrícola, é simplesmente chamada de ISObus. É baseado no protocolo J1939 da Society of Automotive (SAE), que inclui o barramento da Rede de Área de Controle (CAN em inglês) e foi otimizado para aplicações agrícolas. O ISObus é promovido ativamente pela Agricultural Industry Electronics Foundation, que trabalha para coordenar testes de certificação aprimorados para a norma ISO 11783.

Antes da ISObus, os agricultores tinham tratores com sistemas de controle proprietários que limitavam a flexibilidade, o desempenho e a interoperabilidade. O ISObus inclui conectores padronizados, protocolos de comunicação e diretrizes operacionais e permite o desenvolvimento de sensores e sistemas de controle interconectados de diferentes fabricantes (Figura 1). ISObus também suporta a eletrificação de implementos dos tratores, incluindo tomadas de força (PTOs) mecânicas acionadas eletricamente e conectores de alta tensão dimensionados para até 700 volts (V) e 100 quilowatts (kW) para alimentar implementos acionados eletricamente.

Figura 1: ISObus pode permitir a integração de sensores e implementos de diversos fabricantes em um sistema plug-and-play. (Fonte da imagem: Armin Weigel/dpa (Foto de Armin Weigel/ picture alliance via Getty Images)

O ISObus está evoluindo para desenvolver um sistema de gerenciamento de implementos para tratores (TIM). Como previsto, a versão avançada do ISObus permitirá que os implementos forneçam resposta ao trator, apoiando a otimização do sistema combinado trator/implemento. Também permitirá maiores níveis de integração de sensores em implementos de apoio à agricultura de precisão. O trator fornecerá a consciência da localização, e o sistema combinado coletará continuamente dados sobre as condições do solo e da cultura. Com percepções mais detalhadas, tanto o rendimento como a sustentabilidade podem ser aumentados.

tratores elétricos, adaptações e tratores autônomos

Além do desenvolvimento contínuo do ISObus, a eletrificação dos tratores será importante na futura implantação de veículos autônomos e no aumento da sustentabilidade agrícola. A redução das emissões é uma consideração essencial. Um quarto das emissões mundiais de gases de efeito estufa vem da agricultura e atividades relacionadas à agricultura, e um trator é igual em emissões a 14 carros.¹

Os tratores elétricos estão começando a aparecer. Além de reduzir as emissões, os tratores elétricos podem reduzir significativamente os custos de combustível. Os tratores elétricos estão atualmente limitados a modelos menores, pois os modelos grandes e de alta potência requerem baterias maiores do que o tamanho do trator convencional que eles substituiriam. Os grandes tratores elétricos também pesam mais, resultando em maior compactação do solo, o que é indesejável. Finalmente, os tempos de carregamento de grandes pacotes de baterias são muito longos para serem práticos em uma operação agrícola. Já estão sendo testados tratores elétricos menores com motores de 25 a 70 cavalos de potência (HP), cerca de 18,6 a 52 kW, e pequenos conjuntos de pacote de baterias. A eletrificação do trator é mais do que o trem de força. Trata-se também de substituir a hidráulica para alimentar e controlar os implementos do trator (Figura 2).

Figura 2: Pequenos tratores elétricos com motores de 25 a 70 HP estão sendo testados e preparados para serem implantados. (Fonte da imagem: Foto de brizmaker via Getty Images)

Para tratores maiores, estão disponíveis kits híbridos de adaptação. Por exemplo, uma empresa oferece um kit com um gerador de 250 kW que pode ser acoplado ao motor de combustão interna existente do trator no lugar da bomba hidráulica. O kit também inclui quatro motores elétricos para substituir o sistema de acionamento hidráulico e uma transmissão elétrica para alimentar os implementos existentes. Ao substituir os sistemas hidráulicos, o kit de adaptação reduz os custos de combustível e manutenção e aumenta a disponibilidade e a confiabilidade do trator elétrico híbrido.

Como no lançamento de automóveis e caminhões autônomos, a implantação de tratores autônomos enfrenta um futuro indeterminado. Por exemplo, os regulamentos atuais na Califórnia exigem que "todos os equipamentos autopropulsionados devem, quando sob seu próprio poder e em movimento, ter um operador estacionado nos controles veiculares". A autonomia total terá que esperar.

Voando sobre os campos

Atualmente, os drones são utilizados para uma ampla gama de tarefas na agricultura. Exemplos incluem:

• Geração de imagens da saúde da planta. Os drones substituíram em grande parte as imagens de satélite para monitorar a saúde das culturas. Equipado com equipamento de geração de imagens de Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI), os drones fornecem imagens coloridas detalhadas que podem ser usadas para monitorar a saúde da planta. Enquanto as imagens de satélite levam tempo para serem recuperadas e podem fornecer precisões de medidores, os drones podem dar às imagens precisões milimétricas e apoiar a identificação altamente direcionada de doenças, pestes ou outros problemas em tempo real.
• Monitoramento das condições de campo. Os drones também monitoram o solo e as condições de drenagem em campos inteiros. Isso pode permitir programas de irrigação mais eficientes e sustentáveis.
• Plantio. Os plantadores automáticos de sementes com drones são comuns nas indústrias florestais, e seu uso está sendo expandido para a agricultura em geral. Os drones podem plantar árvores ou sementes rapidamente e alcançar áreas inacessíveis de forma mais eficiente. Por exemplo, 400.000 árvores podem ser plantadas por dia por uma equipe de dois operadores utilizando vários drones.
• Aplicações de pulverização. O uso de drones para aplicar tratamentos por pulverização de fertilizantes e pesticidas é uma aplicação emergente cujo uso varia de acordo com a região (Figura 3). Por exemplo, na Coréia do Sul, os drones são utilizados para cerca de 30% das pulverizações agrícolas. Enquanto que no Canadá, não é legal o uso de drones para pulverização agrícola. Nos Estados Unidos, a pulverização com drone requer licenciamento e certificação conforme exigido pela Federal Aviation Administration (FAA) e pelos departamentos estaduais de agricultura, negócios e transporte.

Figura 3: Foram desenvolvidos grandes drones que podem ser usados para aplicar tratamentos por pulverização de fertilizantes e pesticidas. (Imagem: Foto de baranozdemir via Getty Images)

A precisão produz mais com menos

Mesmo antes dos tratores autônomos serem realidade, esperava-se que os drones e a eletrificação de tratores e implementos de tratores suportassem a agricultura de precisão e aumentassem a sustentabilidade.

Segundo um estudo da Association of [agricultural] Equipment Manufacturers (AEM), o uso da agricultura de precisão pode levar a um aumento de 4% na produção agrícola, aumento de 7% na eficiência de colocação de fertilizantes, redução de 9% no uso de herbicidas e pesticidas e redução de 6% no uso de combustíveis fósseis². Além disso, o uso de água pode ser reduzido em 4% com irrigação de precisão.

Esses números são baseados na tecnologia atual. Com a adição de sistemas conectados e inteligência artificial (AI), espera-se que essas melhorias sejam multiplicadas. A adição de aprendizagem de máquinas (ML) para manutenção de equipamentos proporciona mais economia e melhorias na sustentabilidade.

De acordo com a AEM, espera-se que o equipamento agrícola autônomo resulte em uma melhoria incremental de 24% quando se considera tanto a economia de insumos quanto a melhoria da produção. Um fator significativo nessa melhoria é a suposição de que a maquinaria autônoma será mais leve do que o equipamento que ela substitui, resultando em menos compactação e melhores condições de solo.

AI e ML também serão fundamentais para o desenvolvimento de máquinas de precisão otimizadas para tarefas específicas. As máquinas dedicadas de tarefas podem ser ainda menores do que os tratores de uso geral. Por exemplo, estão sendo desenvolvidas máquinas de pequenas tarefas para colheita de culturas onde a visão da máquina, um toque delicado e destreza precisa são necessários.

O controle de ervas daninhas é outra área onde se espera que as máquinas de AI e ML para tarefas específicas contribuam significativamente. O controle de ervas daninhas é difícil, exige muita mão-de-obra e, se não for implementado eficientemente, contribui para o uso de mais água e para o esgotamento dos nutrientes do solo. A rotação de culturas é uma solução parcial, mas não pode eliminar a necessidade de herbicidas ou controle manual de ervas daninhas. Estão sendo testados robôs de gerenciamento de ervas daninhas que combinam visão de máquina com AI e ML. Estas pequenas máquinas também minimizam a compactação do solo (Figura 4).

Figura 4: Exemplo de robôs autônomos de colheita que combinam visão de máquina com AI e ML. (Fonte da imagem: Foto de onurdongel via Getty Images)

S.O. agrícolas e frotas de equipamentos autônomos

A indústria agrícola está olhando para um futuro onde as fazendas totalmente autônomas serão controladas por um sistema operacional (SO) sofisticado capaz de gerenciar frotas mistas, incluindo equipamentos agrícolas tanto autônomos quanto padrão, além de máquinas terrestres e drones, para maximizar a produtividade e a sustentabilidade (Figura 5). Essas frotas de equipamentos agrícolas serão operadas em coordenação para ajudar a controlar os gastos de capital, minimizar as necessidades de mão-de-obra e fornecer o big-data necessário para permitir uma execução autônoma e uma agricultura de precisão. Além disso, o SO agrícola do futuro será padronizado e otimizado para suportar uma gama diversificada de equipamentos de inúmeros fornecedores. A adoção do ISObus é apenas o primeiro passo para uma abordagem de código aberto e padronizada para a automação agrícola.

Figura 5: Os enxames de máquinas agrícolas autônomas coordenadas em solo e em vôo conduzirão a níveis mais altos de sustentabilidade. (Fonte da imagem: Ilustração de Scharfsinn86 via Getty Images)

Os benefícios adicionais esperados do SO agrícola proposto são a redução das emissões de CO2, o menor consumo de combustível e a otimização do carregamento e do gerenciamento da bateria. Uma análise de big-data também desempenhará um papel importante no futuro da agricultura. Grandes quantidades de dados em tempo real diretamente do campo serão usadas para treinar continuamente os algoritmos AI e ML necessários para a tomada de decisões, controle e planejamento operacional para otimizar a agricultura de precisão.

Resumo

Ainda está cedo para o desenvolvimento de veículos agrícolas autônomos e uma agricultura de precisão sustentável. A indústria começou a seguir o caminho com o ISObus. A próxima geração de ISObus dará suporte ao aumento da interoperabilidade e ajudará a conduzir frotas mais complexas e interconectadas de equipamentos agrícolas. O objetivo é o desenvolvimento de um SO agrícola que possa levar essas frotas de equipamentos agrícolas, combiná-los com dados massivos de sensores em tempo real usando algoritmos AI e ML e implantá-los como formações de máquinas coordenadas em solo e em vôo, produzindo altos níveis de sustentabilidade e produtividade.

1. Tratores autônomos com cérebros de robô estão vindo para assumir a fazenda, Autoweek
2. Os benefícios ambientais da agricultura de precisão quantificada, AEM