ROBÔ AUTÔNOMO APLICADO NA AGRICULTURA CAMPO TÉCNICO 01. O presente pedido de patente versa sobre a invenção do robô autônomo aplicado na agricultura, constituído por sistema computacional, algoritmos e estrutura robótica, montado sobre veículo com quatro rodas e tração 4x4 movido por energia elétrica, guiado e controlado pelo sistema computacional instalado em smartphone, e ainda, com automatização da coleta de amostras do solo através do braço robótico, nas opções de teleoperação ou autônomo, para áreas de cultivos agrícolas.AUTONOMOUS ROBOT APPLIED IN AGRICULTURE TECHNICAL FIELD 01. The present patent application deals with the invention of the autonomous robot applied in agriculture, consisting of computer system, algorithms and robotic structure, mounted on four-wheeled vehicle and 4x4 traction driven by electric energy, guided and controlled by the computer system installed on smartphone, and also with automation of soil sampling through the robotic arm, in the teleoperation or standalone options, for areas of agricultural cultivation.
ANTECEDENTES DA TÉCNICA 02. De acordo com o Boletim Técnico Agricultura de Precisão (MAPA, 2013), a maioria dos produtores rurais que iniciam na Agricultura de Precisão, se dá com base na amostragem georeferenciada de solos, visando manejo da fertilidade. Do planejamento de uma amostragem sistemática de solo (amostragem em grade ou “grid”), executando a coleta no campo, análise no laboratório, processamento dos dados e geração dos mapas de aplicação, por vezes, acontece em menos de 20 dias. 03. Essa agilidade satisfaz o usuário que parte para soluções dessa natureza, normalmente em busca de economia de insumos em aplicações de dose variável dentro de cada talhão, indicando que a prática anterior de aplicação em dose única para toda a lavoura resultava em erro para mais, o que desconsidera a variabilidade de fertilidade dentro da unidade de cultivo agrícola (MAPA, 2013). 04. A utilização da amostragem georeferenciada de solo gera maior quantidade de dados implicando em resultados consistentes e diagnósticos mais acertados, somente nos casos em que as informações estiverem relacionadas exatamente com o local coletado; e ainda, o sistema só funciona com dedicação e organização, especialmente no que diz respeito aos dados gerados que devem ser rigorosamente analisados e armazenados. Essa é a tarefa que poucos produtores rurais fazem e nesses casos a solução é buscar especialistas (MAPA, 2013). 05. Diferentemente dos equipamentos com patentes e/ou produtos comerciais atuais que são operados manualmente, e ainda, necessitam registrar algumas informações manuscritas, o robô deste pedido executa ações programadas sem manipulação do usuário na coleta de amostras do solo, simplificando a operação do processo, a aquisição dos dados e a correlação com o local coletado, assegurando maior confiabilidade nos resultados a serem analisados.TECHNICAL BACKGROUND 02. According to the Precision Farming Technical Bulletin (MAPA, 2013), most farmers who begin Precision Farming are based on georeferenced soil sampling for fertility management. Planning a systematic soil sampling (grid sampling), performing field collection, laboratory analysis, data processing, and application map generation sometimes takes less than 20 days. 03. This agility satisfies the user who departs for solutions of this nature, usually seeking to save inputs on variable dose applications within each field, indicating that previous single-dose application practice for the entire crop resulted in error for more. , which disregards the fertility variability within the agricultural cultivation unit (MAPA, 2013). 04. The use of georeferenced soil sampling generates more data implying consistent results and more accurate diagnoses, only in cases where the information is related exactly to the collected site; Moreover, the system only works with dedication and organization, especially with regard to the generated data that must be rigorously analyzed and stored. This is the task that few farmers do and in these cases the solution is to seek specialists (MAPA, 2013). 05. Unlike patented equipment and / or current commercial products that are manually operated and still need to record some handwritten information, the robot in this order performs programmed actions without user manipulation in collecting soil samples, simplifying process operation. , data acquisition and correlation with the collected site, ensuring greater reliability in the results to be analyzed.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO 06. O robô autônomo aplicado na agricultura tem por objetivo realizar coleta de amostras do solo automaticamente, para isto, o usuário deverá realizar procedimentos iniciando ações da estrutura robótica, conforme descrito abaixo: • O usuário deve ligar o smartphone, e a estrutura robótica, para realizar a conexão entre os dois através do sinal de comunicação (bluetooth ou Wi-Fi); • O usuário deve realizar a operação do sistema computacional instalado no smartphone, através da tela sensível ao toque (touchscreen), verificando a leitura de sinal do satélite através do módulo de GPS acoplado no mesmo, em seguida, deverá selecionar o mapa da área a ser percorrida e indicar as posições que o robô deverá encontrar; • O usuário deve colocar o smartphone em suporte próprio na estrutura robótica, em seguida, pressionar a tecla na tela sensível ao toque do smartphone,iniciando a execução dos algoritmos; • A partir deste momento, o sistema computacional realizará os procedimentos programados para deslocamento e acionamento do braço robótico, sem interferência do usuário; • O algoritmo de localização é caracterizado por verificar a posição atual em relação à posição alvo utilizando a Lógica Fuzzy em seu processamento a fim de informar algoritmos dependentes. O algoritmo de localização verificará coordenadas virtuais fixadas inicialmente com as coordenadas reais informadas pelo módulo GPS, quando as coordenadas forem iguais ou próximas ocorrerá à interrupção da navegação, e iniciará as ações do braço robótico na coleta de amostras do solo; • O algoritmo de navegação é caracterizado por utilizar as informações de localização no controle autônomo dos atuadores (elétricos, pneumáticos ou hidráulicos) de movimentos, deslocando e posicionando a estrutura robótica na posição alvo; para isto, a estrutura robótica possui sensores (ultrassom, infravermelho, ópticos, laser, e outros) para detectar obstáculos no trajeto a ser desenvolvido, enviando sinais para algoritmo de obstáculos caracterizado por utilizar as informações de localização, navegação e dos sensores, onde gera correções no trajeto, alterando as informações do controle dos atuadores de movimentos a fim de evitar colisões; em casos, de paradas sem programação ou exceder velocidade acima do programado, será desativado os atuadores de movimento da estrutura robótica, em seguida, o sistema computacional emitirá sinais alertas (sonoro, visual ou mensagens texto com coordenadas geográficas) para o usuário indicando deslocamento interrompido. O algoritmo de sinais alertas caracterizado por utilizar as informações de localização, navegação, armazenamento, e sensor de velocidade e correlacioná-los com as ações executadas automaticamente; • O algoritmo do braço robótico caracterizado por utilizar informações de localização e armazenamento de amostras, no controle autônomo dos atuadores de movimentos do braço robótico; para isto, inicia o movimento do braço robótico da posição descanso em direção à posição ação, segue para posição coleta, retorna para posição ação, abre a tampa do armazenamento de amostras, posiciona o tubo coletor nos recipientes disponíveis informado pelo algoritmo armazenamento, aciona o êmbolo do tubo coletor para descarregar o solo coletado, recolhe o êmbolo para posição inicial, retorna o braço na posição ação, fecha a tampa do armazenamento de amostras, e o braço retorna para posição descanso. O algoritmo armazenamento caracterizado por utilizar informações de localização e correlacioná-los com as posições das amostras armazenadas automaticamente; • A estrutura robótica executará os três procedimentos anteriores até finalizar as posições pré-selecionadas e/ou todos os recipientes do armazenamento de amostras estiverem preenchidos; • O robô autônomo emitirá sinais alertas (sonoro, visual ou mensagens texto com coordenadas geográficas) para o usuário indicando final de operação, através do algoritmo de sinais alertas; • O usuário deve realizar uma cópia de segurança das informações armazenadas pelo smartphone, desligar os equipamentos, e enviar as amostras para o laboratório de análises de solos. 07. A presente invenção visa automatizar a coleta de amostras do solo baseado num sistema computacional embarcado, através do uso de algoritmos de localização, navegação, obstáculos (correções de rota), braço robótico (amostragem), armazenamento, e sinais alertas, promovendo ação automática de um ou mais robôs na coleta de amostras e/ou informações de uso agronômico. Assim, evita-se que seres humanos sejam expostos ao cansaço físico contribuindo no registro de informações erradas e/ou trocadas, ocasionando em muitas vezes resultados indesejados.SUMMARY OF THE INVENTION 06. The autonomous robot applied in agriculture aims to perform soil sampling automatically, for this, the user must perform procedures initiating actions of the robotic structure, as described below: • The user must turn on the smartphone, and the robotic structure, to make the connection between the two through the communication signal (bluetooth or Wi-Fi); • The user must perform the operation of the computer system installed on the smartphone through the touchscreen, checking the satellite signal reading through the GPS module attached to it, then select the map of the area to be be traversed and indicate the positions that the robot should find; • The user must place the smartphone on its own support in the robotic structure, then press the key on the smartphone's touchscreen, starting the execution of the algorithms; • From this moment on, the computer system will perform the programmed procedures for displacement and actuation of the robotic arm, without user interference; • The location algorithm is characterized by verifying the current position relative to the target position using Fuzzy Logic in its processing in order to inform dependent algorithms. The localization algorithm will verify virtual coordinates initially fixed with the actual coordinates informed by the GPS module, when the coordinates are equal or close to the navigation interruption will occur, and will initiate the actions of the robotic arm in collecting soil samples; • The navigation algorithm is characterized by using the location information in the autonomous control of the actuators (electric, pneumatic or hydraulic) of movements, moving and positioning the robotic structure in the target position; For this, the robotic structure has sensors (ultrasound, infrared, optical, laser, and others) to detect obstacles in the path to be developed, sending signals to an obstacle algorithm characterized by using the location, navigation and sensor information, where it generates path corrections by changing the control actuator control information to avoid collisions; In cases of unscheduled stops or speeds above the programmed speed, the motion actuators of the robotic structure will be deactivated, then the computer system will emit alert signals (audible, visual or text messages with geographic coordinates) to the user indicating interrupted displacement. . The alert signal algorithm characterized by utilizing the location, navigation, storage, and speed sensor information and correlating it with the actions performed automatically; • The robotic arm algorithm characterized by utilizing sample location and storage information to autonomously control the robotic arm motion actuators; To do so, it initiates the movement of the robotic arm from the rest position to the action position, goes to the collection position, returns to the action position, opens the sample storage lid, positions the collection tube in the available containers informed by the storage algorithm, triggers collecting tube plunger to discharge collected soil, retracts plunger to starting position, returns arm to action position, closes specimen storage cap, and arm returns to resting position. The storage algorithm characterized by using location information and correlating it with the positions of automatically stored samples; • The robotic structure will perform the previous three procedures until the preselected positions are finalized and / or all sample storage containers are filled; • The autonomous robot will emit alert signals (audible, visual or text messages with geographic coordinates) to the user indicating end of operation through the alert signals algorithm; • The user must back up the information stored by the smartphone, turn off the equipment, and send the samples to the soil analysis laboratory. 07. The present invention aims to automate soil sampling based on an embedded computer system through the use of location algorithms, navigation, obstacles (course corrections), robotic arm (sampling), storage, and alert signals, promoting action. one or more robots automatically collect samples and / or information for agronomic use. Thus, human beings are prevented from being exposed to physical tiredness contributing to the registration of wrong and / or exchanged information, often causing unwanted results.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS 08. A estrutura robótica utilizada no Robô Autônomo aplicado na coleta de amostras do solo está nas representações gráficas a seguir, onde o detalhamento do projeto permite a caracterização das funcionalidades do presente pedido de patente. 09. As representações gráficas são constituídas de três desenhos com escala compatível em duas dimensões, onde, o protótipo desenvolvido possui escala 1:10 com as seguintes dimensões: • Comprimento total: 485 a 501 milímetros (mm); • Largura total: 339 mm; • Altura total: 315 a 415 mm; • Dimensões do pneu: 142 x 57 mm; • Peso da estrutura: 1820 gramas (g); • Peso dos pneus: 900 g; • Peso da bateria 340 g. 10. Podendo ocasionar variações para o equipamento real na escala natural 1:1 em virtude do veículo utilizado, mas as representações gráficas a seguir cumprem com o detalhamento para este pedido, onde: • Figura 01: VISTA LATERAL do Robô Autônomo Aplicado na Agricultura (estrutura robótica). o Representação do veículo com quatro rodas; o Representação do suporte para o Conjunto do sistema computacional, placas de circuitos integrados, e acumulador de energia elétrica (batería de 7.2 volts e 3.000 miliampéres hora); o Representação do braço robótico na posição AÇÃO; o Representação dos sensores de movimentos; o Representação da direção dos movimentos dos componentes e da estrutura robótica. • Figura 02: VISTA LATERAL. o Representação do braço robótico na posição COLETA; • Figura 03: VISTA SUPERIOR. o Representação do smartphone com o mapa do Google®; o Representação do Conjunto de armazenamento das Amostras; o Representação do braço robótico na posição COLETA; o Representação dos sensores de movimentos; o Representação da direção dos movimentos dos componentes e da estrutura robótica.DESCRIPTION OF THE FIGURES 08. The robotic structure used in the Autonomous Robot applied to soil sample collection is in the following graphic representations, where the detailing of the project allows the characterization of the functionalities of the present patent application. 09. The graphic representations consist of three drawings with compatible scale in two dimensions, where the developed prototype has 1:10 scale with the following dimensions: • Total length: 485 to 501 mm (mm); • Overall width: 339 mm; • Total height: 315 to 415 mm; • Tire dimensions: 142 x 57 mm; • Weight of structure: 1820 grams (g); • Tire weight: 900 g; • Battery weight 340 g. 10. Variations may occur for actual equipment on a 1: 1 natural scale due to the vehicle used, but the following graphical representations are in detail for this order, where: • Figure 01: SIDE VIEW of the Applied Agricultural Robot ( robotic structure). o Representation of the four-wheeled vehicle; o Representation of support for the computer system suite, integrated circuit boards, and accumulator of electricity (battery of 7.2 volts and 3,000 milliampere hours); o Representation of the robotic arm in the ACTION position; o Representation of motion sensors; o Representation of the direction of component movement and robotic structure. • Figure 02: SIDE VIEW. o Representation of the robotic arm in the COLLECT position; • Figure 03: TOP VIEW. o Smartphone representation with Google® map; o Sample Storage Pool Representation; o Representation of the robotic arm in the COLLECT position; o Representation of motion sensors; o Representation of the direction of component movement and robotic structure.
DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS 11. Nos três desenhos podem ser observados os seguintes itens: A. Sistema Computacional; A1 Smartphone composto por: unidade de processamento com o processador Arm Cortex A9 Dual Core de 1.2GHz ou superior, baseado no sistema operacional Android (software que gerencia a unidade de processamento e componentes adicionais), unidade de armazenamento interno mínimo de 16GB e externo mínimo de 16GB, módulo de GPS, bateria para suprir o próprio consumo de energia, comunicação sem fio 3G, wifi 802.11 a/b/g/n, e bluetooth; sendo compatível com modelos de smartphones ou telefones celular móvel, e ainda, tablets ou netbooks; A2 Suporte do Smartphone; B. Dobradiças para acessar (manual) o Sistema de Controle; C. Sistema de Controle; C1 Placa de circuito impresso baseada no processador PIC família 24FJ que interpreta comandos do sistema operacional Android para controlar os atuadores; sendo compatível com modelos de microcontroladores programáveis (Microchip, ATMEL, Texas Instruments, entre outros); C2 Placa de circuito impresso para controlar o fornecimento de energia; D. Sistema de Navegação D1 Atuador direcional (direita/esquerda) D2 Atuador tração (avanço/retrocesso) E. Sistema Braço Robótico E1 Atuador rotação (5°/175°) E2 Atuador elevação (para cima/para baixo) E3 Atuador coleta (para cima/para baixo) E4 Atuador armazenamento (abrir/fechar) E5 Atuador descarga (entrar/sair) F. Acumulador (bateria) G. Braço Robótico com 3 graus de liberdade G1 Base de fixação E1 G2 Suporte E2 G3 Braço G4 Coletor G5 Tubo coletor G6 Êmbolo para descarga H. Armazenamento das Amostras H1 Base de fixação H2 Suporte das Amostras Η3 Recipiente das amostras H4 Tampa (abrir/fechar) I. Sensores de Movimentos 11 Sensores de Ultrassom 12 Sensor Infravermelho 12. Na Figura 01 podem ser observados quatro conjuntos: o Sistema Computacional e Controle (na parte superior do equipamento); os sensores de obstáculos (na parte frontal do equipamento); o Veículo (com linha pontilhada na parte inferior); e o Braço Robótico (na parte posterior do equipamento); e ainda, a representação da POSIÇÃO AÇÃO do braço robótico. 13. A representação do veículo com quatro rodas através de linhas pontilhadas é meramente ilustrativa; visto que, o sistema computacional, eletrônico e mecânico poderão ser instalados em diferentes modelos de veículos disponíveis no mercado, como: veículos para todos os terrenos (ATVs) a combustão ou elétrico, com sistema de locomoção através de esteiras ou rodas 4x2, 4x4 ou 6x4, com alterações no projeto, sem descaracterizar o presente pedido de patente. 14. O desenho da Figura 01 caracteriza ainda: smartphone ou telefone celular móvel (A1), suporte do smartphone (A2) fixado através de dobradiças (B), possibilitando o acesso às placas de circuitos impressos para controlar os atuadores (C1) e para controlar o fornecimento de energia (C2), onde, recebem as instruções de programação do sistema computacional instalado no smartphone para monitorar os sensores (I) e controlar os atuadores de movimentos (D2); e ações da coleta de amostras do solo desenvolvidas pelos atuadores (E) em conjunto com os componentes (G); e todo o sistema utiliza energia elétrica do acumulador (F). 15. Na Figura 02 repetem-se praticamente os mesmos itens da figura anterior, com objetivo principal de representar o braço robótico no momento da POSIÇÃO COLETA de amostra do solo. 16. A representação da Figura 03 caracteriza os componentes pela visão superior do Robô Autônomo, onde, fica evidenciado o smartphone (A1) com o mapa do Google®, também, sendo uma representação meramente ilustrativa; visto que, o sistema computacional poderá ser instalado em diferentes modelos de smartphones disponíveis no mercado, como: tablets ou netbook baseado no sistema operacional Android; com alterações no projeto, sem descaracterizar o resultado final deste pedido. 17. O conjunto de armazenamento das amostras (H) é outro componente caracterizado na Figura 03, o qual possui 20 posições para alocação (H2) dos recipientes (H3) armazenadores do solo; sendo que cada recipiente possui 2 cm3 de capacidade, mas poderá sofrer alterações na quantidade de posições e/ou na capacidade de cada recipiente em função do veículo escolhido, e ainda, possui tampa (H4) para proteger as amostras armazenadas evitando contaminações. 18. Na Figura 03 permite visualizar os movimentos de abrir e fechar a tampa (H4) do conjunto de armazenamento das amostras (H); os movimentos de navegação do robô (D1); e ainda, os movimentos de giro do braço robótico. 19. Os sensores para detecção de obstáculos (11) são outros componentes caracterizados na Figura 03, formado por três conjuntos totalizando ângulo de 45° de detecção de obstáculos; e ainda, sobre o eixo traseiro lado direito fixou-se um sensor infravermelho (I2) para realizar leituras da velocidade do robô. 20. A utilização do robô autônomo para coleta de amostras do solo promove em primeiro momento, melhor condição de trabalho para o usuário reduzindo exposição aos raios solares e/ou fadiga muscular, e ainda, direcionando o trabalho do usuário para análise do processo e manutenção do equipamento; em segundo momento, maior qualidade, maior agilidade, e aumento dos pontos amostrados, devido a: • Executar o mesmo procedimento da primeira até a última amostra, com repetição de forças e intensidades iguais; • Permitir menor grade de amostragem (grid) aumentando o número de amostras por área; • Maior conhecimento da variabilidade de fertilidade; • Melhor aproveitamento dos aplicadores de taxa variável; • Redução do tempo de coleta; • Aumento do período de coleta, pois o mesmo permite realizar coletas no período noturno.DETAILED DESCRIPTION OF THE DRAWINGS 11. In the three drawings the following items can be observed: A. Computer System; A1 Smartphone consists of: processing unit with Arm Cortex A9 Dual Core processor 1.2GHz or higher based on the Android operating system (software that manages the processing unit and additional components), 16GB minimum internal storage and minimum external storage 16GB, GPS module, battery to power itself, 3G wireless communication, wifi 802.11 a / b / g / n, and bluetooth; being compatible with models of smartphones or mobile cell phones, as well as tablets or netbooks; A2 Smartphone Stand; B. Hinges to access (manual) the Control System; C. Control System; C1 24FJ family PIC processor-based printed circuit board that interprets Android operating system commands to control actuators; being compatible with programmable microcontroller models (Microchip, ATMEL, Texas Instruments, among others); C2 Printed circuit board for controlling power supply; D. Navigation System D1 Directional Actuator (Right / Left) D2 Traction Actuator (Forward / Reverse) E. Robotic Arm System E1 Rotation Actuator (5 ° / 175 °) E2 Elevation Actuator (Up / Down) E3 Actuator Collects ( up / down) E4 Storage Actuator (open / close) E5 Discharge Actuator (in / out) F. Accumulator (battery) G. 3 Degree of freedom Robotic Arm G1 E1 G2 Mounting Bracket E2 G3 Arm G4 Collector G5 G6 manifold H discharge plunger H. Sample storage H1 Mounting base H2 Sample holder Η3 Sample container H4 Lid (open / close) I. Motion Sensors 11 Ultrasound Sensors 12 Infrared Sensor 12. Figure 01 shows four sets: the Computer System and Control (on top of the equipment); obstacle sensors (on the front of the equipment); o Vehicle (with dotted line at the bottom); and the Robotic Arm (at the rear of the equipment); and still, the representation of the ACTION POSITION of the robotic arm. 13. The representation of the four-wheeled vehicle through dotted lines is merely illustrative; The computer, electronic and mechanical systems may be installed in different models of vehicles available on the market, such as combustion or electric all-terrain vehicles (ATVs), with 4x2, 4x4 or 6x4, with design changes, without disregarding this patent application. 14. The drawing in Figure 01 further features: smartphone or mobile cell phone (A1), smartphone holder (A2) fixed through hinges (B), providing access to the printed circuit boards to control actuators (C1) and to control the power supply (C2), where they receive programming instructions from the computer system installed on the smartphone to monitor the sensors (I) and control the motion actuators (D2); and soil sampling actions developed by actuators (E) in conjunction with components (G); and the whole system uses electric energy from the accumulator (F). 15. In Figure 02, almost the same items as in the previous figure are repeated, with the main purpose of representing the robotic arm at the moment of COLLECT POSITION of soil sample. 16. The representation of Figure 03 characterizes the components by the top view of the Autonomous Robot, which shows the smartphone (A1) with the Google® map, also, being a merely illustrative representation; Since the computer system can be installed on different models of smartphones available in the market, such as: tablets or netbook based on the Android operating system; with design changes, without disregarding the end result of this order. 17. The sample storage assembly (H) is another component characterized in Figure 03, which has 20 positions for allocating (H2) the soil storage containers (H3); Each container has a capacity of 2 cm3, but may change in the number of positions and / or capacity of each container depending on the vehicle chosen, and has a lid (H4) to protect the stored samples avoiding contamination. 18. Figure 03 shows the opening and closing movements (H4) of the sample storage assembly (H); the navigation movements of the robot (D1); and still, the rotating movements of the robotic arm. 19. Obstacle detection sensors (11) are other components characterized in Figure 03, formed by three assemblies totaling 45 ° obstacle detection angle; In addition, an infrared sensor (I2) was attached to the right side rear axle to read the robot's speed. 20. The use of the autonomous robot for soil sampling first promotes better working conditions for the user, reducing exposure to sunlight and / or muscle fatigue, and directing the user's work to process analysis and maintenance. of equipment; secondly, higher quality, greater agility, and increased sample points, due to: • Performing the same procedure from the first to the last sample, with repetition of equal strengths and intensities; • Allow smaller grid by increasing the number of samples per area; • Increased knowledge of fertility variability; • Better use of variable rate applicators; • Reduction of collection time; • Increased collection period, because it allows to collect at night.
REIVINDICAÇÕES
ROBÔ AUTÔNOMO APLICADO NA AGRICULTURAAUTONOMOUS ROBOT APPLIED IN AGRICULTURE