BR122022020514B1 - Método de sensoriamento de inclinação aplicado em implemento agrícola - Google Patents

Abstract

a invenção refere-se, de modo geral, a sensoriamento de equipamentos agrícolas. mais particularmente, a invenção está relacionada a sistemas e métodos para detectar o estado de funcionamento de elementos (2) girantes em implementos agrícolas (1). o método de sensoriamento de inclinação aplicado em implemento agrícola (1), em que o implemento agrícola (1) compreende um elemento girante (2), um primeiro sensor inercial (6) fixado ao elemento girante (2), um segundo sensor inercial (6) fixado a um elemento de referência (31) e uma central de processamento, o método compreende as etapas de: a) realizar uma primeira leitura (22) dos valores inerciais dos eixos ortogonais do sistema de referência do primeiro sensor fixado no elemento girante (2) e definir um primeiro vetor resultante; b) realizar uma segunda leitura (23) dos valores inerciais dos eixos ortogonais do sistema de referência do segundo sensor fixado no elemento de referência (31) e definir um segundo vetor resultante; c) calcular a variação angular (24) entre os vetores resultantes do elemento girante (2) e do elemento de referência (31); d) definir o ângulo relativo (25) entre o elemento girante (2) e o elemento de referência (31); e e) indicar a configuração (26) relativa do elemento girante (2).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção refere-se, de modo geral, a sensoriamento de equipamentos agrícolas. Mais particularmente, a invenção está relacionada a sistemas e métodos para detectar o estado de funcionamento de elementos girantes em implementos agrícolas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Os Implementos agrícolas para plantio, geralmente denominados plantadeiras ou semeadeiras, são largamente conhecidos no estado da técnica e utilizados para, principalmente, o plantio de grande escala em amplos terrenos. Dessa forma um erro sistemático como o ajuste incorreto do equipamento, o travamento de um elemento girante ou até a quebra de algum elemento pode causar um plantio de baixa qualidade por grandes áreas de plantio e, com isso, trazer prejuízos enormes ao agricultor.

[003] Quanto à operação dos implementos agrícolas, um dos problemas mais comuns é o travamento do movimento de rotação de rodas, discos, e elementos girantes em geral, fenômeno também chamado “embuchamento”, que ocorre principalmente devido à entrada de “massas” (palha, raízes, capim e torrões secos) entre duas porções com movimento relativo, de forma que o movimento de rotação do elemento girante em questão é bloqueado.

[004] Outro problema menos frequente consiste na quebra de componentes da transmissão de movimento aos elementos girantes devido a falhas mecânicas. As consequências diretas desses eventos são o arraste de insumos plantados, alteração de distância entre sementes, diminuição da profundidade de plantio de sementes e ausência de pressão de terra sobre as mesmas, o que pode ocasionar, entre outros problemas, no aparecimento de fungos e germinação problemática, além da diminuição do tempo de vida da máquina em operação.

[005] Para evitar tais prejuízos são conhecidos sistemas que auxiliam na identificação de eventos que podem ser prejudiciais ao bom andamento do plantio. Um documento que revela um sistema com essa finalidade é o EP476266, no qual é descrito um dispositivo de monitoramento para semeadura que tem pelo menos um sensor disposto em uma roda de acionamento e um meio acústico ou visual de alerta.

[006] No EP476266, o sistema de monitoramento tem o propósito de parar de funcionar enquanto o equipamento agrícola estiver parado e volta a funcionar apenas em condições de operação em campo, em que as sementes são efetivamente introduzidas no solo. Nesse sistema o objetivo não é alertar sobre um evento de travamento da roda, mas interromper a operação de plantio caso a roda pare de girar, mesmo com o implemento agrícola ainda em movimento.

[007] Também é conhecido o documento US 20040206282, o qual revela um sistema para distribuir uma quantidade precisa de insumos em função da velocidade de operação do implemento agrícola. São utilizados sensores para detectar a velocidade do implemento e enviar um sinal para ajustar a quantidade de insumos a ser entregue de acordo com o definido pelo operador. Apesar de esta publicação apresentar uma solução para auxiliar na entrega adequada de insumos, em um evento de travamento da roda com o implemento ainda com velocidade de operação, a entrega dos insumos seria reduzida ou cessada indevidamente, sem alertar o operador.

[008] Outro documento do estado da técnica que apresenta o uso de sensores em equipamentos agrícolas é o US8326500, esse documento revela o uso de um sensor de rotação para detectar e alertar um operador quando uma roda parou de girar enquanto o implemento agrícola ainda está em movimento.

[009] O sistema revelado no US8326500 utiliza um único sensor para monitorar duas rodas do implemento agrícola ao mesmo tempo e alerta o operador apenas quando o implemento está em movimento.

[0010] Os sensores convencionalmente utilizados para detectar a rotação de rodas são sensores magnéticos, sensores indutivos, sensores de proximidade, sensores óticos e sensores de velocidade, este último normalmente utilizado nos mancais das rodas.

[0011] Todos os sensores convencionais citados têm em comum a necessidade de terem duas partes com um movimento relativo em si, de modo que uma das partes funciona como referência e a outra como detector. A exemplo dos sensores magnéticos e indutivos que usam imãs e metais presos nas rodas para detectar a quantidade de vezes que ocorre a passagem em um determinado período ou, ainda, dos sensores óticos e de proximidade que utilizam aberturas ou ressaltos analogamente.

[0012] Em linhas gerais, os sistemas convencionais utilizam fios e cabos para a alimentação dos sensores e transmissão de dados, o que torna a fabricação, a instalação e a manutenção onerosas, demoradas e, muitas vezes, dependentes de mão de obra qualificada.

[0013] Apesar de aparentemente funcionais até o presente momento, os sistemas do estado da técnica, especialmente aqueles dotados de sensores como elementos de referência próprios, apresentam alguns inconvenientes e limitações relacionados à instalação, manutenção e custos.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0014] Portanto, um objetivo da presente invenção é prover um sistema de sensoriamento utilizado em um implemento agrícola, que seja capaz de eliminar ou ao menos reduzir as limitações das tecnologias conhecidas do estado da técnica.

[0015] Além disso, é também um objetivo da presente invenção prover um sistema de sensoriamento, particularmente para utilização em equipamentos agrícolas, que seja capaz de identificar a rotação e a inclinação de um elemento girante e, ainda, identificar quando o implemento agrícola está vibrando excessivamente.

[0016] Ainda, outro objetivo da presente invenção é proporcionar um sistema de sensoriamento de fácil instalação, sem o uso de fio e cabos para alimentação e comunicação com uma central.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0017] A fim de contornar os inconvenientes do estado da técnica e atingir os objetivos acima citados, dentre outros, a invenção trata de um sistema de sensoriamento para equipamento agrícola, em que o implemento agrícola compreende um elemento girante e uma central de monitoramento dotado de um meio de alerta, sendo que o sistema de sensoriamento compreende: um sensor inercial; um microprocessador; um meio de comunicação; e uma fonte de alimentação, sendo que o sistema de sensoriamento é um elemento único fixado diretamente ao elemento girante.

[0018] De acordo com realizações adicionais ou alternativas da invenção, as seguintes características, sós ou em combinações tecnicamente possíveis, também podem estar presentes: - o elemento girante sendo um dentre uma roda de contato, um disco de corte, uma roda de profundidade, uma roda de fechamento, uma roda limpante e uma articulação do implemento agrícola; - o meio de comunicação é sem fio; - a fonte de alimentação é uma dentre uma bateria, um cabo e um meio de coleta de energia.

[0019] A invenção também se refere a um método de sensoriamento de rotação aplicado em implemento agrícola, em que o implemento agrícola compreende um elemento girante, sendo que o método compreende as etapas de: a) realizar uma primeira leitura dos valores inerciais dos eixos ortogonais do sistema de referência do sensor e definir um primeiro vetor resultante; b) realizar uma segunda leitura dos valores inerciais dos eixos ortogonais do sistema de referência do sensor e definir um segundo vetor resultante; c) calcular a variação angular entre os primeiro e segundo vetores resultantes; d) verificar se houve variação angular entre os primeiro e segundo vetores resultantes e, se não houver variação angular, enviar um sinal de alerta para uma central; e e) repetir as etapas sequencialmente a partir de a).

[0020] Ainda a invenção refere-se a um método de sensoriamento de inclinação aplicado em implemento agrícola, em que o implemento agrícola compreende um elemento girante, um primeiro sensor inercial fixado ao elemento girante, um segundo sensor inercial fixado a um elemento de referência e uma central de monitoramento, sendo que o método de sensoriamento de inclinação compreende as etapas de: a) realizar uma primeira leitura dos valores inerciais dos eixos ortogonais do sistema de referência do primeiro sensor fixado no elemento girante e definir um primeiro vetor resultante; b) realizar uma segunda leitura dos valores inerciais dos eixos ortogonais do sistema de referência do segundo sensor fixado no elemento de referência e definir um segundo vetor resultante; c) calcular a variação angular entre os vetores resultantes do elemento girante e do elemento de referência d) definir o ângulo relativo entre o elemento girante e o elemento de referência; e e) indicar a configuração relativa do elemento girante.

[0021] O método de sensoriamento de inclinação também apresenta as realizações adicionais ou alternativas da invenção, sendo previstas sós ou em combinações: f) elemento girante é um dentre uma roda de contato, um disco de corte, uma roda de profundidade, uma roda de fechamento e uma roda limpante; o elemento de referência é um dentre um chassi, uma roda de contato e uma central de monitoramento; o elemento de referência é um segundo elemento girante e quando o ângulo relativo entre o primeiro elemento girante e o segundo elemento girante for diferente de zero, realizar uma etapa de alertar o operador do implemento agrícola; e o elemento de referência é um chassi e, na etapa de definir o ângulo relativo entre o elemento girante e o elemento de referência, o ângulo definido é igual à inclinação em relação ao implemento agrícola.

[0022] Além disso, a presente invenção refere-se a um método de sensoriamento de vibração aplicado em implemento agrícola, em que o implemento agrícola compreende um sensor inercial fixado a um elemento do implemento agrícola, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a) realizar leituras dos valores inerciais dos eixos ortogonais do sistema de referência do sensor fixado no elemento do implemento agrícola por um período predeterminado; b) calcular a média das leituras em um dos eixos e definir um limite operacional; c) enviar um alerta quando houver uma variação superior ao limite operacional definido na etapa b).

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0023] Os objetivos, vantagens, melhorias técnicas e funcionais da invenção serão mais bem compreendidos a partir da leitura das descrições de suas realizações particulares, feita a seguir com relação às figuras anexas, as quais ilustram modos de realizações particulares, e não limitativos, em que: A Figura 1 mostra uma vista lateral de um implemento agrícola dotado de sistema de sensoriamento de acordo com uma realização da invenção; A Figura 2 mostra um esquema representativo do sistema de sensoriamento relacionado ao implemento agrícola de acordo um uma realização da invenção; A Figura 3 mostra uma vista esquemática em perspectiva do elemento único do sistema de sensoriamento ilustrando um sistema de referência de eixos ortogonais conforme uma realização da invenção; A Figura 4 mostra uma vista lateral de uma roda de fechamento com o sistema de sensoriamento de acordo com uma realização da invenção; A Figura 5 mostra um fluxograma de sensoriamento de rotação de acordo com uma realização da invenção; A Figura 6 mostra um fluxograma de sensoriamento de inclinação de acordo com uma realização da invenção; A Figura 7 mostra uma vista traseira de um conjunto de rodas de fechamento; A Figura 8 mostra um fluxograma de sensoriamento de vibração de acordo com uma realização da invenção; e A Figura 9 mostra um gráfico de sinais obtidas das leituras do sistema de sensoriamento de acordo com uma realização da invenção. A Figura 10 mostra um gráfico de sinais obtidas das leituras do sistema de sensoriamento de acordo com outra realização da invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[0024] A invenção é agora descrita com relação às suas realizações particulares, fazendo-se referência às figuras anexas. Nas figuras e na descrição a seguir, partes semelhantes são marcadas com números de referência iguais. As figuras não estão, necessariamente, em escala, isto é, determinadas características da invenção podem ser mostradas com exagero de escala ou de alguma forma esquemática, assim como detalhes de elementos convencionais podem não ser mostrados no intuito de ilustrar com maior clareza e concisão esta descrição. A presente invenção é suscetível às realizações de diferentes formas. Realizações específicas são descritas em detalhes e mostradas nas figuras, com o entendimento de que a descrição deve ser considerada como uma exemplificação dos princípios aqui revelados, e não se destina a limitar apenas ao que está ilustrado e descrito no presente relatório descritivo. Deve-se reconhecer que os diferentes ensinamentos das realizações discutidas a seguir podem ser empregados separadamente ou em qualquer combinação adequada para produzir os mesmos efeitos técnicos.

[0025] A presente invenção será descrita a seguir utilizando uma linha de plantio como uma forma não limitativa de um implemento agrícola 1.

[0026] As expressões “elemento girante” e “elementos girantes” devem interpretadas como qualquer elemento que rotacione em torno de um eixo fixo, a exemplo dos elementos girantes 2 ilustrados na figura 1, em que, da esquerda para direita, está uma roda de fechamento 16, uma roda de profundidade 17, um disco de corte 18, uma roda limpante 19 e, acima deste último, uma articulação de ligação 20 ao chassi da plantadeira.15.

[0027] Ainda na figura 1 estão ilustrados sistemas de sensoriamento 5 fixados nos elementos girantes 2 conforme realizações particulares da invenção e uma central de monitoramento 3. A central de monitoramento 3, normalmente é disposta na cabine do operador (não ilustrada) do implemento agrícola 1 e é dotada de um meio de alerta 4, o meio de alerta 4 é qualquer meio que possa chamar a atenção do operador como, por exemplo, um sinal sonoro - buzina, sirene e alarme - ou sinal visual - imagem ou texto em display, luz intermitente ou fixa em painel.

[0028] Os sistemas de sensoriamento 5, aqui também denominado “elementos únicos” 5, são fixados diretamente aos elementos girantes 2 a serem monitorados e se comunicam de modo sem fio com uma central de monitoramento 3. Cada sistema de sensoriamento 5 compreende um sensor inercial 6, um microprocessador 7, um meio de comunicação 8 e uma fonte de alimentação 9, conforme ilustra a figura 2.

[0029] A fonte de alimentação 9 para energização do sistema de sensoriamento 5 é preferencialmente uma bateria interna ao elemento único, mas também podem ser usadas, sem prejuízos ao funcionamento geral, baterias externas ao elemento único, conectadas por meio de cabos ou coletadores/geradores de energia montados no conjunto do sensor. Os coletadores/geradores de energia são dispositivos capazes de absorver energia do meio como, por exemplo, a energia mecânica da vibração do implemento agrícola 1 ou coletadores fotovoltaicos (não ilustrado).

[0030] Nas figuras deste documento, o elemento único do sistema de sensoriamento 5 é representado por um paralelogramo, de forma que todas as medições inerciais realizadas consistem em valores de intensidade orientados segundo três eixos ortogonais de referência do sensor, conforme ilustrado na figura 3 por x, y e z.

[0031] Em uma realização particular, conforme ilustrado na figura 4, o sistema de sensoriamento 5 está fixado a um elemento girante 2 de contato com o solo 21, neste caso uma roda de fechamento 16, e ilustra um modelo dinâmico de funcionamento, onde: ac representa a aceleração centrípeta da roda durante o movimento da plantadeira; ap representa a aceleração de arrastamento sentida pelo conjunto do sensor inercial 6 devido ao movimento acelerado da plantadeira; g representa a aceleração gravitacional; e R representa a aceleração resultante medida pelo acelerômetro do sistema de sensoriamento 5.

[0032] Em outra realização da invenção, ilustrado na figura 5, é aplicado um método para detectar a rotação de elementos girantes em que: o sistema de sensoriamento 5 realiza a leitura 10 de valores de aceleração fornecendo um vetor resultante de referência de um instante inicial; em seguida os dados do sinal resultante e do instante inicial são transmitidos ao microprocessador 7 e armazenados; em um instante posterior, uma segunda medida é realizada 11 e um segundo vetor resultante é fornecido ao microprocessador 7 para comparação com o vetor inicial; com isso, é feito um cálculo de variação angular relativa 12 e, caso não haja variação angular 13, um sinal de alerta é enviado 14 por radiofrequência (RF) a uma central de monitoramento 3 localizada na estação do operador do implemento agrícola 1.

[0033] O sensor inercial 6 utilizado no sistema de sensoriamento 5 pode ser, preferencialmente, um sensor inercial 6 do tipo acelerômetro, neste caso os valores de aceleração são compostos principalmente pela intensidade da aceleração gravitacional. Mas qualquer outro sensor inercial 6 que possa desempenhar a mesma função pode ser usado, como giroscópios ou magnetômetros que capazes de medir o campo magnético terrestre, uma vez que são podem gerar vetores de orientação baseados em uma referência absoluta, gravitacional ou eletromagnética.

[0034] Alternativamente à forma preferencial de comunicação do sistema de sensoriamento 5, descrita anteriormente, feita por meio de ondas de radiofrequência, a invenção pode ser realizada de outras formas, como, por exemplo, por ondas de infravermelho e inclusive por meios convencionais, com a utilização de fios ou cabos.

[0035] Em outra realização da invenção, ilustrado na figura 6, o sistema de sensoriamento 5 é usado para detectar a inclinação do elemento girante 2 por meio da identificação de posição/orientação do elemento girante 2 com relação a um elemento de referência 31 que consiste de um segundo sistema de sensoriamento 5, preferencialmente disposto no implemento agrícola 1, em que: o sistema de sensoriamento 5 fixado no elemento girante 2 realizar uma primeira leitura 22 dos valores inerciais dos eixos ortogonais do sistema de referência e define um primeiro vetor resultante; o sistema de sensoriamento 5 fixado no elemento de referência 31 realizar uma segunda leitura 23 dos valores inerciais dos eixos ortogonais do sistema de referência e define um segundo vetor resultante; então é calculada a variação angular 24 entre os vetores resultantes do elemento girante 2 e do elemento de referência 31; com isso, é definido o ângulo relativo entre o elemento girante 2 e o elemento de referência 31; e a configuração do elemento girante 2 é definida 25 e indicada 26 ao operador.

[0036] O método para a obtenção da inclinação baseia-se no cruzamento/fusão de informações dos dois elementos inerciais que pode ser realizado em seus microprocessadores 7 individuais ou na central de monitoramento 3.

[0037] Uma aplicação exemplificativa é feita em rodas de fechamento, as quais tem a função de garantir o invólucro adequado dos insumos plantados para uma germinação de qualidade. Isto é feito por meio do preenchimento do sulco aberto pela linha de plantio com a terra que foi previamente retirada. As rodas de fechamento são frequentemente o último elemento posicionado na linha de plantio, de forma que sua angulação direciona a terra para sua porção mais estreita, causando o fechamento e o pressionamento do sulco já com os insumos plantados.

[0038] A montagem dos elementos das rodas de fechamento permitem ainda algumas regulagens, como a inclinação da barra central conectada aos eixos das rodas, a pressão exercida pelas rodas sobre o solo 21 por meio de uma mola e, em alguns modelos, a angulação relativa entre as duas rodas também pode ser variada, conforme ilustrado na figura 7, possibilitado o posicionamento da alavanca entre 3 configurações distintas (a, b e c, respectivamente), alterando a angulação relativa do conjunto das rodas ao solo 21.

[0039] Este método para identificar a inclinação do elemento girante 2 é particularmente importante quando o elemento girante 2 é um elemento de função crítica como uma roda de fechamento 16, de modo que um sinal de alerta é enviado ao operador assim que o evento de variação de inclinação é detectado para evitar danos prolongados no plantio.

[0040] Uma terceira realização de método da presente invenção, ilustrado na figura 8, envolve a detecção de níveis de vibração de elementos mecânicos do implemento agrícola 1. Para isto, o conjunto de montagem do sensor inercial 6 exposto anteriormente deve ser fixado ao elemento mecânico, realizando leituras 27 das grandezas inerciais durante um período predeterminado. Em seguida, pode-se calcular e definir 28 um limite operacional baseado na média das medições do período e, em seguida, enviar um alerta 30 para o operador, por meio de uma central de monitoramento 3 do implemento agrícola 1, caso as medidas subsequentes ao período de calibração ultrapassem o limite operacional estabelecido 29, conforme mostram as figuras 9 e 10, sendo que na figura 10 os intervalos para cálculo da média são definidos em intervalos menores.

[0041] Embora a invenção tenha sido descrita especificamente em relação a realizações particulares, deve ser entendido que variações e modificações serão evidentes aos técnicos no assunto e podem ser feitas sem se afastar do escopo de proteção da presente invenção. Consequentemente, o escopo de proteção não se limita às realizações descritas, mas é limitado apenas pelas reivindicações anexas, cujo escopo deve incluir todos os equivalentes.

Claims (5)

1. MÉTODO DE SENSORIAMENTO DE INCLINAÇÃO APLICADO EM IMPLEMENTO AGRÍCOLA (1), em que o implemento agrícola (1) compreende um elemento girante (2), um primeiro sensor inercial (6) fixado ao elemento girante (2), um segundo sensor inercial (6) fixado a um elemento de referência (31) e uma central de processamento, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a) realizar uma primeira leitura (22) dos valores inerciais dos eixos ortogonais do sistema de referência do primeiro sensor (6) fixado no elemento girante (2) e definir um primeiro vetor resultante; b) realizar uma segunda leitura (23) dos valores inerciais dos eixos ortogonais do sistema de referência do segundo sensor (6) fixado no elemento de referência (31) e definir um segundo vetor resultante; c) calcular a variação angular (24) entre os vetores resultantes do elemento girante (2) e do elemento de referência (31); d) definir o ângulo relativo (25) entre o elemento girante (2) e o elemento de referência (31); e e) indicar a configuração (26) relativa do elemento girante (2).

2. MÉTODO DE SENSORIAMENTO DE INCLINAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento girante (2) é um dentre uma roda de contato, um disco de corte (18), uma roda de profundidade (17), uma roda de fechamento (16) e uma roda limpante (19).

3. MÉTODO DE SENSORIAMENTO DE INCLINAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de referência (31) é um dentre um chassi do implemento agrícola (15), uma roda de profundidade (17) e uma central de monitoramento (3).

4. MÉTODO DE SENSORIAMENTO DE INCLINAÇÃO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o elemento de referência (31) é um segundo elemento girante (2) e quando o ângulo relativo entre o primeiro elemento girante (2) e o segundo elemento girante (2) for diferente de zero, realizar uma etapa de alertar o operador do implemento agrícola (1).

5. MÉTODO DE SENSORIAMENTO DE INCLINAÇÃO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o elemento de referência (31) é um chassi do implemento agrícola (15) e, na etapa de definir o ângulo relativo entre o elemento girante (2) e o elemento de referência (31), o ângulo definido é igual à inclinação em relação ao implemento agrícola (1).