Projeto Agrisus No: 2614/18
Título da Pesquisa: Estudo da mobilização do solo promovida por haste sulcadora no sistema plantio direto
Interessado: André Luiz Johann
Instituição: IDR Paraná (Instituto Desenvolvimento Rural do Paraná – IAPAR – EMATER), Rodovia Celso Garcia Cid, km 375, Londrina-PR, Tel.: 43 3376-2252, e-mail: andre.johann@iapar.br
Local da Pesquisa: Londrina - PR
Valor financiado pela Fundação Agrisus: R$ 20.000,00 Vigência do Projeto: 01/04/19 a 01/04/21
SEGUNDO RELATÓRIO PARCIAL
1. INTRODUÇÃO
A preocupação com o impacto da mecanização agrícola nos processos de compactação e erosão do solo existe há muito tempo e persiste até hoje, evidenciando que tais problemas ainda não foram satisfatoriamente resolvidos. Este fato pôde ser confirmado nas viagens realizadas pela equipe do IDR Paraná durante as atividades dos projetos, subsidiados pela Fundação AGRISUS em 2018, para o estudo do estado da arte da semeadura e semeadoras no SPD brasileiro, nos quais se observou percentual significativo propriedades com problemas de compactação do solo e erosão.
O sistema plantio direto (SPD) é um sistema conservacionista de manejo de solos agrícolas cujos benefícios para a sustentabilidade da produção, em condições tropicais e subtropicais, são reconhecidos por inúmeras pesquisas. Seus principais fundamentos são o revolvimento mínimo do solo, a manutenção do mesmo permanentemente coberto com palha e a prática da rotação de culturas com uso de plantas de cobertura. Este sistema contribui substancialmente para o controle da erosão do solo, mas ao mesmo tempo a ausência de revolvimento deste contribui para que ocorra compactação superficial (TORMENA; ROLOFF; SÁ, 1998; DE MARIA; CASTRO; SOUZA DIAS, 1999). Além disso, o constante crescimento do porte dos tratores e implementos tende a elevar este problema, dado o tráfego de equipamentos cada vez mais pesados. Além do manejo com plantas de cobertura, o emprego de novas tecnologias como o uso de sistemas de navegação por satélite e pneus de alta flutuação, tem surgido na tentativa de minimizar tais efeitos. No entanto, em uma semeadora direta os pneus não são os únicos elementos em contato com o solo.
Em uma semeadura qualidade as sementes das plantas cultivadas, ao serem colocadas no solo, devem encontrar neste um meio que reúna todos os atributos desejáveis para sua germinação, formação do sistema radicular e desenvolvimento da
cultura (MIALHE, 2012). Além disso, para que a germinação e emergência ocorram rapidamente, a semente necessita de um contato total com o solo de modo a acelerar a absorção de água (MUZILLI, 2006). Por outro lado, o adensamento excessivo do solo prejudica a sua oxigenação, dada a diminuição da sua porosidade.
Em uma semeadora-adubadora direta, a operação em cada linha de plantio consiste no corte da palha, abertura do sulco e deposição do fertilizante, abertura do sulco e deposição das sementes, fechamento do sulco (ou sulcos) e compactação do solo acima e/ou ao redor das sementes.
As hastes sulcadoras são ferramentas largamente empregadas nas semeadoras diretas e que desempenham a função de abertura do sulco ao mesmo tempo em que quebram a camada superficial de solo compactado, quando essa existir. O seu desenvolvimento as diferenciam das demais ferramentas de ataque ao solo, pois as mesmas dividem o dilema de resolver problemas de compactação superficial distanciando-se do revolvimento mínimo inerente ao sistema plantio direto. Além disso, a mobilização do solo promovida pela haste sulcadora define como este será entregue aos elementos de fechamento dos sulcos e compactação, sendo que a regulagem inadequada destes elementos pode resultar em problemas de compactação do solo ou erosão, bem como em um ambiente pouco adequado às sementes.
Diante disto, mostra-se necessário aprofundar o entendimento da interação entre a haste sulcadora e o solo, além de saber se estimar a mobilização promovida por esta ferramenta, pois constitui fator importante para a redução da compactação e da erosão superficial do solo no SPD, e para a melhoria da qualidade do processo de semeadura.
A mobilização do solo promovida por uma ferramenta de ataque está relacionada às propriedades deste, as quais apresentam um padrão de comportamento com elevado grau de complexidade, bem como notada variabilidade temporal e espacial (MOLIN, 1997; HEUVELINK; WEBSTER, 2001; LI et al., 2002; CORRÊA; TAVARES; URIBE-OPAZO, 2009). Os modelos matemáticos que procuram descrever o desempenho de ferramentas de cultivo do solo foram desenvolvidos de forma analítica e visam, em geral, determinar as forças atuantes sobre as ferramentas (otimização energética), mas não a interação em termos da mobilização do solo. Quando a mobilização é considerada, ela normalmente é um resultado secundário. Além disso, estes modelos apresentam limitações resultantes das hipóteses simplificadoras nas quais se baseiam e das aproximações inerentes ao processo analítico. Como consequência, surgem restrições ao seu emprego com situações nas quais não podem ser aplicados.
O modelo proposto por Mckyes e Ali (1977), o único que chega a representar a mobilização do solo, não descreve situações onde o ângulo de ataque da ferramenta é pequeno, como é caso das hastes sulcadoras utilizadas nas semeadoras diretas, pois o foco deste modelo foi o de representar ferramentas maiores, normalmente empregadas nos países do hemisfério norte. Logo, torna-se necessário o desenvolvimento de um modelo capaz de representar estas novas situações, observadas no SPD brasileiro.
As lógicas computacionais são técnicas normalmente utilizadas para suprir as limitações, ou deficiências, dos modelos analíticos e estatísticos. Dentre elas, a modelagem fuzzy é aquela que permite agregar ao modelo o conhecimento linguístico, subjetivo, que se tem sobre o fenômeno, permitindo lidar com situações nas quais há a presença de incertezas e ambiguidades. Trata-se de uma abordagem com grande potencial de uso em situações nas quais se deseja que o modelo mantenha uma representação abrangente, sem ficar restrito a universo descrito pelos dados.
Esse tema já foi foco de estudo da equipe da Área de Engenharia Agrícola do IDR Paraná com o desenvolvimento de um sistema de controle automático dos
elementos de acabamento do sulco, que ainda carece de um algoritmo de software mais eficiente.
Em Johann, et al. (2016) se propôs o uso da modelagem fuzzy para representar a mobilização promovida por uma haste sulcadora no SPD. Neste trabalho, o modelo foi construído empregando-se extrapolações do modelo analítico, associada ao conhecimento especialista dos autores e da equipe, sendo que este novo modelo ainda carece de refinamento para que o mesmo possua aplicação prática.
Desta forma, a presente pesquisa tem por finalidade aprofundar o conhecimento sobre a interação entre as hastes sulcadoras empregadas em semeadoras diretas e o solo, bem como aperfeiçoar o modelo fuzzy já proposto, por meio do estudo teórico e experimental. Neste estudo, o foco será obter parâmetros para: o projeto e aperfeiçoamento das hastes sulcadoras utilizadas no SPD brasileiro, à elaboração de recomendações relacionadas à seleção e regulagem de componentes de aterramento do sulco e compactação do solo sobre e ao redor das sementes, e o desenvolvimento de algoritmos de software e aplicativos.
- Objetivo geral:
Estudar a mobilização do solo promovida por hastes sulcadoras empregadas no SPD, melhorando o entendimento do seu papel nos processos de compactação superficial e erosão do solo.
- Objetivos específicos:
1. Estudar experimentalmente a relação entre as hastes sulcadoras e mobilização do solo promovida por estas.
2. Propor um modelo preditivo fuzzy da mobilização do solo, ajustado com dados experimentais, contemplando cenários não representados pelo atual modelo analítico existente, os quais envolvem hastes sulcadoras no SPD brasileiro. 3. Fornecer parâmetros para o aperfeiçoamento das hastes sulcadoras presentes no
mercado brasileiro, para a elaboração de recomendações técnicas relacionadas à seleção e regulagem de componentes em semeadoras, bem como para publicações, difusão de tecnologia e palestras.
2. MATERIAIS & MÉTODOS
A primeira fase deste estudo envolve o projeto e a construção de dispositivos para uso na fase experimental. O IDR Paraná já dispõe de parte da infraestrutura necessária a condução de experimentos desta natureza, com exceção de alguns equipamentos, sendo necessário:
O projeto e construção de um rolo compactador, que em conjunto com uma enxada rotativa, serão empregados na preparação do solo para a condução de parte dos ensaios da fase experimental;
Melhorias em um protótipo de um módulo de plantabilidade o qual apresenta deficiências no seu levante e limitações no emprego de transmissão mecânica, impedindo o seu uso de forma adequada, o que implica:
o No projeto e construção de um dispositivo, para suspender o chassi e todos os componentes de interação com o solo, dotado de atuadores hidráulicos; o No desenvolvimento de solução eletrônica e mecânica para o acionamento
alguns sensores e um datalogger (i.e. sensores óticos, sincronização de vídeo, posicionamento das leituras, etc.).
A segunda fase envolverá o planejamento e a execução de experimentos para avaliar o comportamento de diferentes geometrias de hastes sulcadoras, comparando-o com o modelo analítico, bem como avaliando situações não representadas por este.
O planejamento e delineamento experimental serão definidos de acordo com a característica de cada experimento e o comportamento estatístico dos parâmetros a serem avaliados. Serão conduzidos experimentos avaliando ferramentas com diferentes geometrias e seu efeito na mobilização do solo promovida por elas durante a operação de semeadura.
A proposta inicial seria que os experimentos fossem conduzidos a campo, em área adotando SPD, pois é esta a condição real de operação das hastes. No entanto, o solo nestas condições apresenta elevada complexidade (estruturação, presença de matéria orgânica, raízes, zonas compactadas de forma heterogênea, dentre outros) incorporando grande variabilidade as leituras, cuja solução estatística possa vir a inviabilizar a realização do estudo dentro da quantidade área e tempo disponível. Neste primeiro momento serão conduzidos experimentos em caixa de solo, se estendendo futuramente a experimentos em campo.
No projeto estão previstos laboratório e instrumentação para a determinação de até sete parâmetros, dependendo das necessidades de cada experimento. São eles:
Os esforços atuantes na haste, que serão determinados em duas direções (horizontal e vertical), por meio de um arranjo de células de carga proposto por Santo et al. (2010), denominado de Dispositivo de Medição de Esforços em Hastes Sulcadoras – DMEHS (Figura 1). Neste arranjo, duas células de carga determinam os esforços na direção horizontal, por meio da decomposição dos momentos atuantes nesta direção. A leitura dos esforços verticais é feita diretamente.
A umidade do solo que será determinada por meio de amostras coletadas em pontos demarcados ao longo da caixa de solo ou em cada parcela (no caso dos experimentos a campo), nas profundidades de 25 a 75 mm, antes logo após a passagem da haste. As amostras serão pesadas logo após sua coleta, posteriormente encaminhadas para secagem em estufa por 24 h a 105°C e pesadas novamente.
A densidade do solo, que será determinada por meio de amostras indeformadas utilizando anéis volumétricos com 100 cm3 (50 mm de diâmetro e 50 mm de altura) coletados e levados à estufa por 24 h a 105°C e pesadas novamente.
O índice de cone do perfil do solo, que será obtido por meio de um penetrógrafo eletrônico comercial, marca Spectrum, modelo SC-900.
A movimentação da haste em relação ao chassi, que é uma leitura indireta, útil em experimentos a campo, determinada por meio de sensor de distância ótico fixo ao chassi do módulo, com o seu feixe de luz laser incidindo sobre a superfície superior de DMEHS.
A velocidade de operação, é uma leitura importante em experimentos a campo, que será determinada por meio de um receptor Garmin GPS 18 de 5Hz, sendo as suas leituras armazenadas, juntamente com as do DMEHS e sensor ótico, por datalogger para ambiente robusto, com taxa de aquisição de até 100kHz, marca HBM – Somat, modelo eDAClite.
A área de solo mobilizado e a profundidade de trabalho da ferramenta, que serão obtidas por meio de um perfilógrafo eletrônico microprocessado, desenvolvido anteriormente pela área de engenharia agrícola do IDR PARANÁ. Para a realização das leituras, o solo cisalhado e mobilizado será removido manualmente, realizando-se a leitura da seção transversal à superfície de solo não mobilizada (Figura 2).
Figura 2 - Representação da área de solo mobilizado. (JOHANN, 2016).
Também será realizado o registro visual da operação da haste, por meio câmeras GoPro realizando a filmagem em duas ou três tomadas simultâneas. As imagens serão aproveitadas durante as análises, sendo que para tanto serão confeccionados circuitos sinalizadores, permitindo a sincronia entre as imagens e as leituras registradas pelo datalogger.
Até o momento estão previstos experimentos em caixa de solo, que utilizarão LATOSSOLO VERMELHO distroférrico típico, textura muito argilosa (80 dag kg-1 de argila) conforme Sistema Brasileiro de Classificação de Solos (Santos et al., 2018). Trata-se de um solo bastante sensível aos efeitos da umidade e densidade, adequado a este primeiro estudo.
Superfície de solo não mobilizado
Ferramenta
Área de solo mobilizado
x y
A preparação da caixa de solo envolverá três etapas: quebra da estrutura do ou descompactação do solo, que é feita por meio de uma enxada rotativa (Figura 3); ajuste da umidade; compactação do solo na densidade desejada.
Figura 3 - Enxada rotativa em operação.
O processo de ajuste da umidade e compactação do solo será feito por meio do mesmo equipamento, desenvolvido durante a primeira fase do projeto (Figura 4). Estas operações são feitas em momentos distintos. Primeiro o equipamento passa levantado, com o rolo não tocando o solo, aplicando a água sobre a superfície. Posteriormente o equipamento passa abaixado compactando o solo.
Figura 4 - Estrutura do rolo compactador incluindo sistema para umidificação do solo.
O ajuste da umidade é feito para o solo atingir a condição de umidade ótima para compactação na densidade desejada para o ensaio. Isto se faz o auxilio da curva de compactação do solo.
A curva de compactação para o solo da Estação Experimental do IDR Paraná, em Londrina, foi determinada por Bareiro (2018) através do método conhecido como ensaio de Proctor, sendo descrita pela equação polinomial Ds = -25,0489 Ug² + 15,1394 Ug – 0,8244 (Figura 5), com coeficiente de determinação de 82%. O autor explica que nesse ensaio, utilizando a mesma energia de compactação, a densidade do solo obtida depende da umidade em que este se encontra. No ponto máximo desta curva se obtém a umidade mais propícia para a compactação.
Figura 5 - Curva de compactação de um Latossolo Vermelho Distroférrico típico, textura muito argilosa, em SPD e sucessão soja - aveia preta (BAREIRO, 2018).
As informações provenientes desta curva auxiliarão na definição da quantidade de lastro necessária no rolo compactador (Figura 4) e a umidade ideal para que seja feita a sua compactação. A área de contato entre o rolo compactador e a superfície do solo será determinada experimentalmente.
Como o solo na caixa de solo esta em pousio a cinco anos, este encontra-se com baixos teores de carbono e a expectativa é que apresente valores de densidade máxima ligeiramente maiores e de umidade ótima ligeiramente menores aos determinados por Bareiro (2018). Esse efeito é esperado baseando-se nas observações feitas por Araujo-Junior e Miyazawa (2012) e Assis e Lanças (2003). No primeiro trabalho se observou que o quando menor o teor de carbono maior foi a densidade máxima do solo obtida em laboratório. Já no segundo trabalho se observou que maiores teores de carbono fazem com que o solo apresente um menor valor de densidade máxima e um maior valor de umidade ótima, influenciando a posição da curva de compactação ao longo de eixo da umidade.
O ajuste da umidade será feito por meio da determinação da umidade do solo antes da passagem do rolo compactador, com a qual será definida a lâmina de água necessária a ser aplicada pelo sistema de umidificação do solo. A densidade do solo também será observada durante o processo de compactação.
O ajuste do sistema de umidificação do solo será feito por meio da coleta da água liberada durante 1 minuto, determinando-se assim a sua vazão. A velocidade de deslocamento do trator será ajustada em função desta vazão e da lâmina que se deseja aplicar. A instalação hidráulica no prédio onde encontra a caixa de solo possibilita a alimentação do sistema à pressão constante podendo a vazão ser ajustada por meio de uma válvula reguladora. O seccionamento do fornecimento de água é manobrado por meio de duas válvulas de esfera. Se necessário, a enxada rotativa será utilizada para uniformizar o solo umidificado.
O número de passadas do rolo compactador será definido durante a operação, por meio da análise da curva do índice de cone vs profundidade e da densidade do solo.
As próximas atividades para a segunda fase compreenderão a definição de metodologia para os experimentos a serem conduzidos em caixa de solo, bem como a realização destes experimentos. Os experimentos da segunda fase deveriam ocorrer ao
longo de 2020 e início de 2021, mas deverão se estender devido aos impactos da pandemia de Coronavírus (COVID-19). Estes impactos estão descritos no capítulo 5.
Nos primeiros ensaios em caixa de solo será utilizado um módulo compacto, ligado ao engate de três pontos do trator (Figura 6). Neste módulo estará embarcado o datalogger, GPS, DMEHS (Figura 1) e câmeras GoPro.
Figura 6 - Módulo compacto equipado com a instrumentação para os primeiros ensaios em caixa de solo.
O primeiro ensaio em caixa de solo seguirá o esquema fatorial. O delineamento experimental deverá ser definido nos próximos dias. As variáveis independentes serão: a largura da ferramenta; o seu ângulo de ataque e a densidade do solo. As variáveis dependentes serão: os esforços atuantes na haste; e a área de solo mobilizada pela haste, podendo ser detalhada em mais parâmetros dimensionais obtidos através da análise das leituras do perfilógrafo. Serão fixados os valores: da velocidade de operação, da profundidade da haste e da umidade do solo.
Serão avaliadas quatro geometrias de ponteiras planas, combinando duas larguras e dois ângulos de ataque e duas densidades do solo, sendo uma na condição ideal de plantio e outra na condição de solo adensado, totalizando oito tratamentos.
A condição ideal e de solo adensado será definida por meio do grau de compactação, medida que permite a comparação da compactação entre diferentes tipos de solo, conforme a relação abaixo:
𝐺𝐶 = 𝐷𝑠𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 𝐷𝑠𝑙𝑎𝑏𝑜𝑟𝑎𝑡ó𝑟𝑖𝑜
𝑥 100
Onde: GC é o grau de compactação percentual, 𝐷𝑠𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 é a densidade do solo obtida a campo e 𝐷𝑠𝑙𝑎𝑏𝑜𝑟𝑎𝑡ó𝑟𝑖𝑜 é a densidade do solo máxima obtida pelo ensaio de Proctor com energia intermediária de compactação (BAREIRO, 2018), apresentada na Figura 5. As classes de grau de compactação foram descritas por Bareiro (2018) para um LATOSSOLO VERMELHO Distroférrico típico, textura muito argilosa conforme (Araujo-Junior ,20181, comunicação pessoal) com intervalos: entre 76 e 85 % como sendo o de máximo crescimento aéreo e radicular, 86 a 95 % com limitações a aeração e
1 Cezar Fancisco Araujo-Junior, pesquisador da área de solos do IDR Paraná.
Datalogger DMEHS
Ponteira Câmeras
crescimento radicular das plantas; e acima de 95 % com severas limitações ao crescimento.
Adotando-se o número mínimo de três repetições por tratamento serão 24 ciclos de preparação da caixa de solo e trabalho com a ferramenta. Ainda não se sabe o tempo total dispendido para a realização destes ensaios, uma vez que não há recurso para acelerar a secagem do solo no caso do ajuste de umidade implicar em perda de água. Serão adotadas estratégias na tentativa de se evitar a necessidade de muitos processos de secagem do solo.
A terceira fase envolverá a análise dos resultados dos experimentos em conjunto com o desenvolvimento do modelo fuzzy para a representação da mobilização do solo. A análise dos dados fará o uso de ferramentas estatísticas, compreendendo o tratamento dos dados e a análise dos padrões de distribuição destes, tais como: as suas normalidades, características variacionais, interações, dentre outros. Para estas análises serão empregados os softwares Statistica, Pirouete e Matlab (c/ toolbox de estatística). O descarte de outiliers será realizado por meio do método dos desvios padronizados ou do desvio studentirizado. Cada parâmetro será submetido a um teste de normalidade que definirá se o parâmetro apresenta comportamento paramétrico ou não paramétrico. Será então levantada a matriz de correlação dos dados, que servirá para observar as interações existentes entres os parâmetros, bem como parâmetros descritivos, tais como médias e testes de significância estatística, que complementaram a análise. O comportamento variacional dos dados será determinado com o auxilio de método estatístico adequado, o qual será definido durante a fase de análise dos resultados.
Com estes resultados será possível avaliar as relações entre os parâmetros dimensionais das hastes e a mobilização do solo, em diferentes contextos de densidade, umidade, e eventualmente, de velocidade de trabalho. Os resultados destas análises serão confrontados com resultados da literatura e discutidos à luz da teoria de mecânica dos solos e do conhecimento especialista da equipe envolvida no projeto, sempre focando a sua aplicação prática.
A modelagem fuzzy aproveitará os resultados desta análise, substituindo os valores extrapolados do modelo analítico por relações advindas deste novo estudo, bem como reformulado as regras linguísticas atuais quando necessário. O modelo final será avaliado quanto ao seu desempenho, e poderá contribuir na análise.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O 1º semestre contemplou atividades referentes à primeira fase, envolvendo: 1. Projeto e construção do rolo compactador
2. Projeto de um sistema de levante hidráulico para o módulo de plantabilidade o qual irá portar os conjuntos de ferramentas, sensores e eletrônica embarcada a ser empregada no projeto.
No 2º semestre se deu sequencia as atividades da primeira fase (a qual também terá atividades no 3º semestre), bem como se iniciou a segunda fase:
3. Re-projeto do sistema de levante hidráulico alterando-se o conjunto de rodas e cubo de rodas para atender a restrições de fabricação bem como as mudanças nos carregamentos resultantes, avaliadas com o auxilio da análise em elementos finitos.
4. Projeto do sistema de acionamento elétrico do distribuidor de sementes embarcado no módulo de plantabilidade, incluindo especificação do circuito de potência e de interface homem máquina.
5. Projeto dos circuitos de interface entre o sensor de distância laser e o datalogger usado no projeto, e de acionamento sincronizado das câmeras de vídeo via comunicação wi-fi.
As próximas atividades da primeira fase compreenderão a construção do respectivo sistema de levante hidráulico, bem como a construção do sistema de acionamento elétrico e mecânico do distribuidor de sementes embarcado no módulo de plantabilidade e dos circuitos de interface.
- Projeto e construção do rolo compactador
No segundo semestre de desenvolvimento do projeto, o rolo compactador (Figura 4) recebeu um raspador, necessário para ensaios em solos com elevado teor de argila. Também foi montado e instalado um sistema para a umidificação do solo, incluindo tubos, mangueiras e válvulas para conexão hidráulica e manobras.
- Projeto do sistema de levante hidráulico
O chassi foi originalmente desenvolvido para aproveitar o sistema de levante hidráulico de três pontos do próprio trator. No entanto, durante sua utilização observaram-se sérios problemas decorrentes do seu comprimento ser superior ao esperado para este tipo de acoplamento. Para resolver tais pontos propôs-se conferir ao chassi características de um equipamento de arraste propriamente dito, com o desenvolvimento de um sistema de levante hidráulico.
O projeto do sistema mecânico do levante hidráulico foi refeito. A abordagem feita no 1º semestre do projeto utilizava um conjunto de cubos de roda e rodas originais de camionetes Toyota Bandeirantes, os quais suportam esforços mais elevados se comparados às camionetes atuais. No entanto, pretendia-se utilizar peças extraídas de veículos inservíveis do IDR Paraná (antigo IAPAR), o que dependia de aprovação do Departamento de Transporte Oficial do Estado, e cuja solicitação ainda se encontra em análise. A primeira alternativa foi adquirir cubos de rodas e rodas de camionetes disponíveis nas lojas de autopeças. As peças com dimensional compatível e boa relação de custo são os cubos da Chevrolet S10 e da Mitsubishi L200. O primeiro cubo recai em modelos de rodas antigas e de difícil obtenção. O segundo cubo é mais viável, mas implica no aumento do momento torsor ao longo do braço do levante hidráulico. A sua fabricação requer maquinário que não se encontra em operação no instituto por enquanto, bem como eleva os gastos com material de construção mecânica repercutindo no orçamento do projeto. A segunda alternativa foi reaproveitar dois conjuntos de rodagens de uma semeadora Vence Tudo desativada.
O desenho mecânico do novo sistema de levante hidráulico é apresentado na Figura 7. O peso e centro de massa do módulo foram determinados para definição da capacidade requerida para os cilindros hidráulicos. O chassi e componentes pesam aproximadamente 500kg, com centro de massa próximo a parede frontal do tubo transversal central do módulo. O cálculo estrutural empregou a teoria dos elementos finitos. Na atual configuração mecânica do projeto do sistema de levante hidráulico, cada cilindro hidráulico irá suportar carregamento estático não superior 1000kgf.
O desenho mecânico foi elaborado com o auxilio do software Autodesk Inventor. Para os cálculos com elementos finitos foram utilizados o software FeeCAD,
em conjunto com o gerador de malhas GMSH e o solver CalculiX, rodando em ambiente Linux Ubuntu, e o ambiente FEM simplificado do Autodesk Inventor (Figura 8).
Os parâmetros dimensionais mantiveram as considerações de altura do engate da tomada de força de um trator marca New Holland, modelo TL75 e o requisito de altura mínima de 200 mm para a ferramenta mais baixa durante o transporte, que é o disco de corte de palha.
O acionamento do levante ocorrerá por meio de dois cilindros hidráulicos ligados em série (mestre e escravo), garantindo espaço livre no corpo central do módulo de plantabilidade e maior estabilidade ao mesmo.
Os cubos de roda atualmente empregados não permitem a instalação de econders de forma axial, apenas de rodas dentadas.
Figura 7 – Modelo 3D do sistema de levante hidráulico acoplado ao módulo de plantabilidade do IDR PARANÁ.
Figura 8 – Ilustração de duas das analises estruturais em elementos finitos realizadas durante o projeto do sistema de levante hidráulico.
Também está sendo considerada a inclusão de um pequeno guincho manual, para elevar o conjunto formado pela haste sulcadora e células de carga, de modo a evitar que estes fiquem em altura inferior a do disco de corte de palha, durante o transporte. Atualmente este conjunto tem que ser travado manualmente antes de se elevar o módulo, tarefa difícil de ser executa considerando-se o seu peso.
- Projeto da eletrônica embarcada
A eletrônica embarcada no módulo de plantabilidade consiste no datalogger eDAClite da HBM operando conjuntamente com sensores, interfaces, acionamento sincronizado das câmeras GoPro e circuito de controle do sistema de distribuição de sementes. Na Figura 9, tem-se uma visão geral dos sistemas.
Figura 9 – Visão geral da eletrônica embarcada no módulo de plantabilidade. Na representação do datalogger eDAClite aparecem apenas as entradas e saídas em uso, não todas as disponíveis no equipamento.
As células de carga, sensores S6, S7 e S8, correspondem às ilustradas na Figura 1. A barreira ótica já está pronta, bem como a adaptação do radar agrícola para conexão com o datalogger. A necessidade de redundância nas leituras de velocidade por meio do radar está sendo avaliada, o seu uso é interessante quando velocidade de operação varia dentro de uma mesma parcela.
- Projeto do sistema de acionamento eletrônico e mecânico do distribuidor de sementes
A abordagem atual fará o uso de um microcontrolador entre duas alternativas de microntroladores.
A primeira é o Atmega328P, produzida pela norte-americana Microchip Technology Inc. É um microntrolador com 32KB de memória flash e arquitetura AVR –
RISC de 8 bits, que é o mesmo que equipa as placas de desenvolvimento Arduino Uno. O processador opera com tensões de alimentação entre 3.3 e 5Vdc, sendo que em 5Vdc ele pode operar em seu clock máximo de 20MHz. Nas placas Arduino Uno ele é configurado para operar em 5Vdc a um clock de 16MHz, alternativa também seria adotada aqui.
A segunda é o ESP32, um microntrolador discreto utilizando a CPU Xtensa LX6, arquitetura ARM de 32bits com dois núcleos de processamento, produzido pela chinesa Espressif Systems, normalmente disponível no Brasil com memória flash de 4MB e clock de 240MHz. A sua capacidade de memória e processamento são dezenas de vezes maiores que dos processadores AVR da Microchip (que equipam as placas Arduino Uno e Mega). Boa parte desses recursos é consumida pelo sistema, em especial o transmissor de wi-fi e bluetooth, que consome completamente um dos núcleos de processamento A particularidade deste microntrolador é que ele opera apenas em 3.3Vdc, necessitando de circuito de alimentação específico, bem como compatibilização dos níveis de tensão quando em interface com circuitos de 5Vdc.
A programação dos microntroladores pode ser feita em linguagem C++ utilizando o ambiente Arduino IDE, é uma alternativa computacionalmente mais leve e que abre espaço para a gravação do micrcontrolador Atmega328P via placa Arduino Uno, que é mais barata que os gravadores originais. O ambiente Arduino IDE também permite a programação do ESP32, permitido a rápida migração entre eles.
O algoritmo de software inicialmente faz o controle por meio da contagem de pulsos em uma das rodas do módulo, posteriormente pretende-se efetuar o controle por meio da velocidade média obtida a partir da determinação dos períodos entre os pulsos de cada uma das duas rodas do módulo, proporcionando a compensação do sistema em curvas e de pequenas oscilações no terreno. O novo conjunto de rodagem dificulta a instalação de encoder, uma vez que este não pode ser montado de forma axial. Uma abordagem mecanicamente mais simples é a determinação de pulsos a partir de roda dentada e sensor indutivo, a dificuldade é transferida para o software.
Será utilizada a segunda alternativa de microntrolador dada a sua grande vantagem em termos de capacidade de processamento e interface. No entanto, ainda há dúvidas quando ao determinismo desta solução, o que pode afetar a estabilidade e a precisão do distribuidor de sementes. O ESP32 necessita sistema operacional o qual pode não ser real time em função dos recursos de wi-fi, enquanto que o Atmega328P roda diretamente o programa, que é autocontido.
O projeto eletrônico foi feito utilizando-se o pacote de aplicativos Kicad EDA. O circuito eletrônico consiste no microntrolador e componentes periféricos (Figura 10) (fonte de alimentação, acopladores óticos, chaves digitais, etc.), dois sensores de rotação indutivos, motor de passo e driver para acionamento do mesmo.
Figura 10 - Placa eletrônica do circuito de controle do sistema de distribuição de sementes.
Os ajustes do diâmetro primitivo dos pneus, tipo de disco e taxa de sementes desejada, serão feitos via rede serial I2C e interface homem máquina implementada utilizando uma placa Raspberry Pi 3 e display touch screen, a qual também irá operar e monitorar o datalogger e, eventualmente controlar as câmeras GoPro. A placa Raspbery Pi consegue rodar sistema operacional Linux, facilitando o desenvolvimento da interface, que será gráfica, a qual está sendo feita em linguagem Python.
O projeto mecânico é simples (Figura 11). O distribuidor presente no módulo de plantabilidade é um modelo fabricado pela empresa Vence Tudo, ele utiliza discos horizontais operando por gravidade. O acionamento do disco é feito por meio de um conjunto coroa e pinhão montados a 90° (relação 4:1) com um eixo saindo lateralmente. O acionamento do distribuidor de sementes será feito com um motor de passo acoplado diretamente ao eixo lateral, onde originalmente fica a engrenagem da transmissão da semeadora. O torque requerido para o acionamento do sistema com o reservatório de sementes cheio foi determinado experimentalmente. O motor de passo definido deve possuir capacidade de torque igual ou superior a 24 kgf.cm. A rotação máxima do motor de passo considerou o modulo operando acima de 8kmh com uma distribuição de 27 sementes/m com um disco de 100 furos, chegando-se a 200rpm.
Figura 11 - Modelo 3D do distribuidor de sementes e sistema de acionamento elétrico.
- Projeto do circuito de acionamento sincronizado das câmeras de vídeo.
As câmeras para uso em ambientes agressivos, como é o caso dos modelos fabricados pela GoPro, costumam ser acondicionadas em consoles herméticos, a prova da água e de poeiras, dada a sensibilidade deste tipo de equipamento. Por esta razão, torna-se difícil o acionamento remoto destas via sinal elétrico, sendo uma alternativa o acionamento sem fio. Para tanto, as câmeras GoPro operam como roteadores wi-fi rudimentares, nos quais o dispositivo remoto conecta-se como um cliente, enviando comandos HTTP sobre protocolo TPC/IP. Dada as suas limitações de hardware estas câmeras não tem a capacidade de operar dentro de uma infraestrutura de rede, com um servidor e ela sendo um cliente. Uma alternativa para esta limitação é utilizar um cliente (um dispositivo remoto) para cada câmera que será utilizada. Uma forma bem mais barata que usar um smarthfone por câmera é utilizar um microntrolador com capacidade de operação em rede wi-fi. O ESP32 possui um transmissor de wi-fi, que consome completamente um dos seus núcleos de processamento, mas que é exatamente o que se deseja ter para se controlar uma câmera GoPro.
A programação também é feita em linguagem C++, utilizando o ambiente Arduino IDE, bastando acrescentar um conjunto de bibliotecas para o ESP32. A gravação do microntrolador é feita diretamente pelo computador, via porta USB. O algoritmo de software desenvolvido faz a conexão do ESP32 com a câmera GoPro, o monitoramento do sinais de estado enviados pelo datalogger e o envio dos comandos HTTP para o disparo e término das gravações, bem como algumas outras funções.
O circuito eletrônico consiste no microntrolador e componentes periféricos (regulador de tensão, acoplador ótico, etc.).
Figura 12 - Placa eletrônica do circuito de acionamento de cada câmera de vídeo.
- Projeto do circuito de interface do sensor de altura laser
Os sensores de distância laser disponíveis para este projeto foram adquiridos a algum tempo com visitas ao uso em equipamentos portáteis para a determinação do perfil do solo. Na ocasião foram adquiridos sensores com saída serial, pois além de permitir alimentação direta em 12Vdc (nestes sensores o comum é 24Vdc), o uso desde tipo de saída é mais simples e mais preciso quando o objetivo é enviar as leituras diretamente para um microntrolador. Como o datalogger eDAClite não possuí porta serial compatível com estes sensores, a alternativa foi converter o sinal serial do sensor laser em um outro tipo de sinal que possa ser lido pelas portas analógicas ou digitais do datalogger. A alternativa mais fácil de implementar é um sinal digital pulsado ou modulado. A alternativa escolhida foi o envio de um sinal modulado por largura de pulso (PWM).
O processador Atmega328P atende com sobra essa função, é barato e de fácil aquisição no Brasil. A sua programação e gravação será feita da forma já descrita nos resultados do projeto do acionamento do distribuidor de sementes.
O sensor de distância laser da Leuse permite a configuração da forma de envio das leituras de distância. A forma mais rápida e compacta é o envio em modo streaming de dois bytes binários. O algoritmo de software consiste na conversão e concatenação destes bytes a qual é então utilizada para atualizar a constante de tempo de um dos timers internos do microntrolador. Este timer, por sua vez, gera de forma autônoma (sem consumo de processamento) uma forma de onda PWM a qual é enviada a um canal digital do datalogger. O datalogger foi configurado para determinar a duração em milissegundos do tempo ligado na forma de onda PWM enviada, a qual é convertida para milímetros. O erro com o envio de dados desta forma está associado à precisão do cristal do oscilador do microntrolador. Em testes práticos foi observado um erro na transmissão da informação de uma unidade no fundo de escala, ou seja, ±0,1mm, o que é insignificante no contexto do projeto. O datalogger ainda permite se elevar essa precisão, determinando também o tempo desligado da onda PWM, mas essa alternativa, além de desnecessária, consome um segundo timer interno, o qual pode fazer falta posteriormente.
O circuito eletrônico (Figura 13) consiste no microntrolador e componentes periféricos (regulador de tensão, conversor RS232 – TTL, acoplador ótico, etc.).
Figura 13 - Placa eletrônica do circuito de interface entre o sensor de distância laser e o canal digital de entrada do datalogger.
Para atender as demandas do projeto, foi adaptada uma impressora 3D da Área de Engenharia Agrícola do IDR Paraná (Figura 14) para a plotagem das máscaras de proteção química, que corresponde a uma das etapas do processo de fabricação das placas eletrônicas. A alternativa de decalcagem de toner impresso a laser não dá bons resultados, com trilhas descolando na máscara.
Figura 14 - Impressora 3D adaptada para a plotagem das mascara de corrosão das placadas de circuito impresso.
4. CONCLUSÕES
Ainda não há conclusões relativas aos objetivos gerais e específicos deste projeto de pesquisa, pois a fase de análise dos resultados e modelagem só irá iniciar na metade do 3º semestre.
5. DESCRIÇÃO DAS DIFICULDADES E MEDIDAS CORRETIVAS
Em função da elevação dos gastos previstos inicialmente para a aquisição do sistema hidráulico o projeto mecânico foi readequado com a proposta de aproveitar peças existentes em veículos inservíveis do instituto. No entanto, essa alternativa teve
contratempos devido a questões administrativas que foram influenciadas pela fusão do IAPAR, EMATER, CODAPAR e CPRA, criando o IDR Paraná. O novo projeto mecânico, incluindo os cálculos estruturais e adequação à fabricação utilizando maquinário disponível no instituto, já está concluído. A sua reelaboração impactou nas atividades relacionadas à construção do módulo de plantabilidade, estendendo o seu prazo de conclusão. Para esta alteração não impactar no início da 2ª fase, foi preparado um módulo compacto, o qual será utilizado durante os primeiros ensaios em caixa de solo.
O projeto do sistema de levante hidráulico repercutiu no projeto eletrônico do sistema de acionamento do distribuidor de sementes, uma vez que a definição dos sensores das rodas estava vinculada. Adicionalmente, problemas de funcionamento na impressora 3D impediam a sua adaptação e consequentemente a fabricação das placas eletrônicas. O uso de métodos alternativos não obtiveram resultados satisfatórios. A terceirização do serviço, além de não prevista no projeto é extremamente cara. A impressora foi então desmontada e consertada pela equipe do projeto e sua adaptação foi concluída. Neste momento, não há mais impedimentos de maquinário para a fabricação mecânica e eletrônica, sendo iniciado o processo de cotação e compra dos materiais para fabricação.
Outro problema enfrentado tem sido a dificuldade em se encontrar fornecedores de componentes eletrônicos capazes de fornecer todos os itens necessários ao projeto. Os fornecedores locais não possuem os itens mais sofisticados ou mesmo itens de uso mais focado em automação industrial, focando apenas os de uso em som e instrumentos musicais. Os fornecedores externos em sua grande maioria são via e-commerce, sem loja física, com reputação desconhecida, e onde o pagamento deve ser feito de forma antecipada e o envio via correio. Para minimizar esses problemas, o projeto eletrônico vem sofrendo alterações buscando adequar-se aos itens que os fornecedores locais ou mais confiáveis possuem em estoque, visto que também são priorizados componentes onde é possível se obter três orçamentos.
Apesar da estrutura necessária para o início da 2ª fase ter sido resolvida e a metodologia para o primeiro conjunto de ensaios estar encaminhada, a atual situação do IDR Paraná impede o início dos experimentos. A pandemia de Corononavírus (COVID-19) deflagrou uma série de medidas por parte dos governos federal, estadual e municipal, afetando profundamente as atividades do nosso instituto. No Paraná, o decreto estadual 4230/2020 de 16/03/2020 colocou de imediato todos os voluntários, bolsistas, estagiários e servidores acima de 60 anos em casa, e posteriormente, todos demais pesquisadores, compreendendo todos os membros da equipe deste projeto. Até agora estávamos seguindo em teletrabalho, porém o decreto estadual 4312/2020 de 20/03/2020 solicitou que fossem colocados em licença especial, por 90 dias, 50% do efetivo do IDR Paraná resultando na portaria 46/2020 de 06/04/2020. Neste momento, e nos próximos 90 dias, estaremos sem equipe para as atividades da 2ª fase do projeto, também atrasando no mesmo tempo início da 3ª fase. Paralelamente, decretos municipais de isolamento social, e quarentena em alguns casos, fecharam as portas do comércio em muitas cidades brasileiras, inclusive Londrina, limitando a capacidade de atendimento de muitos fornecedores que não conseguem resolver todas as questões por teletrabalho, bem como com a interrupção do setor de fabricação em alguns casos, resultando em grande morosidade nos processos de compra. Diante de todos esses problemas, vemos como inevitável a necessidade de se pleitear junto a Fundação Agrisus a prorrogação da data de término deste projeto.
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08 de abril de 2010. André Luiz Johann
Pesquisador DSc Coodernador do Projeto
