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Aplicación electrónica de fitosanitarios

Medida electrónica de la vegetación para un ajuste de aire y líquido con el objetivo de la mejora de la aplicación de productos fitosanitarios

Dr. Jordi Llorens Calveras y Dr. Andrew Landers, Cornell University, New York State Agriculture Experimental Station31/01/2014
En el proceso de aplicación de productos fitosanitarios (PF) es clave el conocimiento de la posición y el volumen del cultivo objetivo del tratamiento. Con este conocimiento es posible hacer un ajuste preciso de la cantidad de caldo (agua más producto) en relación al tamaño o características de la vegetación. Si se conoce esta información, se pueden ajustar los dos sistemas básicos que componen un pulverizador hidroneumático, el aire y el líquido aplicado. En este trabajo de investigación se propone realizar el ajuste de caldo aplicado para un equipo de aplicación de fitosanitarios en frutales y un ajuste del volumen de aire aplicado para un equipo de aplicación de PF en viña. En los dos casos este ajuste se realiza mediante la interpretación de la información obtenida con un sistema de escaneo de la vegetación compuesto por una matriz de sensores ultrasonidos. Los primeros resultados de deposición foliar mediante el uso de los dos sistemas prometen un futuro interesante en relación a la mejora de las aplicaciones fitosanitarias.

El proyecto que se describe a continuación es parte del trabajo realizado durante el curso 2012-2013 por el equipo de ‘PesticideapplicationTechnology’ (Tecnología de Aplicación de productos fitosanitarios) del Departamento de Entomología de la Cornell University. Este equipo lo dirige el Dr. Andrew Landers, y desarrolla su actividad en el área de Finger Lakes al norte del estado de New York, en los Estados Unidos de América. En esta zona destaca la importancia del uso de los equipos de aplicación de productos fitosanitarios por ser una zona con predominio de cultivo de vid (para vino y uva de mesa) y cultivo de frutales, en este caso manzano. Conocer el volumen de la vegetación objetivo de una aplicación de productos fitosanitarios es clave para obtener buenos resultados de deposición. Si se conoce este parámetro con precisión, es posible realizar ajustes precisos de la cantidad de caldo que debe aplicarse en cada punto de la parcela. Las nuevas tecnologías de aplicación de fitosanitarios permiten a los agricultores aplicar pesticidas sólo en el objetivo y aplicar la cantidad correcta dependiendo de factores cómo: dimensión, densidad o estadio vegetativo. Al mismo tiempo se mejora la economía de la explotación y la protección del ambiente. Es por esto que se ha desarrollado un sistema para el ajuste del caldo aplicado para un equipo de aplicación en frutales y un sistema para el ajuste del volumen de aire mediante el uso del sistema de ajuste de volumen de salida de aire ‘louvre’, persiana en Inglés, diseñado y patentado por la Cornell University (Khot et al., 2012; Landers et al., 2012).

En general, este proyecto persigue los principios de tecnología de aplicación variable (Variable RateTechnology), principio ampliamente usado para la mejora de las aplicaciones de productos fitosanitarios que sigue siendo, en todo caso, un avance en el concepto de la agricultura de precisión. El problema con la gran mayoría de pulverizadores hidroneumáticos con ventilador de flujo axial es que se genera demasiado volumen de aire y a demasiada velocidad, particularmente en estadios iniciales o medianos de desarrollo de la vegetación. El exceso de aire genera directamente pérdidas por deriva, que conlleva la contaminación de cursos de agua y propiedades colindantes, llegando en muchos casos a la no deseable contaminación de otros cultivos.

Metodología

Para el ajuste del líquido aplicado se ha optado para el uso del bloque de cuatro boquillas diseñado bajo el nombre de Varioselect por el fabricante Lechler (Lechler GmbH, Metzingen, Germany), un componente inicialmente diseñado para la aplicación variable en equipos de barras. Previamente a este proyecto, el sistema louvre para el ajuste de aire se ha probado en pulverizadores para ajustar manualmente la posición de la placa metálica del volumen de aire que se genera en cada momento de la aplicación. Desafortunadamente, en el caso de árboles muy grandes o con vegetación muy densa, es difícil este ajuste manual debido a que el aplicador no es capaz de ver la nube de pulverización que excede la vegetación. Es por esta dificultad que el presente proyecto quiere avanzar en la mejora del sistema, diseñando la electrónica que permite el ajuste automático de la posición del sistema louvre. En el proyecto se han instalado los dos equipos en distintos pulverizadores. El primer equipo es un pulverizador hidroneumático de la marca John Bean Sprayers (Durand Wayland, La Grange, EE UU) equipado con un deflector de aire en formato torre, en el que se han instalado trece bloques Varioselect para el ajuste de la cantidad de líquido en cada altura de la máquina. El segundo equipo es otro pulverizador hidroneumático de la marca Berthoud, equipado con el sistema louvre para el ajuste de aire.

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Figura 1. Equipo de ajuste de líquido mediante el sistema Lechler VarioSelect (izq.). Equipo para el ajuste de aire mediante el sistema 'louvre' de CornellUniversity (dcha.).

Para el ajuste del volumen de líquido aplicado se usan los trece bloques Vario Select instalados en el equipo a lo largo de todo el deflector de aire. Este conjunto de bloques está repartido en 5 grupos que se pueden activar y desactivar independientemente. Para este proyecto se ha trabajado con la combinación de 3 boquillas Lechler de chorro plano en cada uno de estos bloques: para la posición A se ha montado una boquilla ST110-01 Naranja; para la posición B una boquilla ST110-013 Verde; y para la posición C una boquilla ST110-02 Amarilla. Las nueve combinaciones de apertura de estas tres boquillas permiten el rango de variación de volúmenes que aparecen en la Figura 2. El control de la apertura y cierre de cada una de las boquillas se realiza mediante un sistema neumático independiente propio de Lechler que es controlado por la unidad electrónica de control del prototipo.

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Figura 2. Variación de caudal según las 8 posibles combinaciones de las boquillas instaladas en cada uno de los bloques del sistema VarioSelect.

Para el equipo de ajuste de volumen de aire, se utiliza un actuador eléctrico mecánico que permite mover rápidamente el sistema louvre a la posición deseada según el aire requerido en cada posición de la parcela. Se puede ver el detalle de este actuador en la Figura 1 de este documento. Como sistema de detección de la vegetación se utilizan una serie de sensores de ultrasonidos montados en un mástil instalado en la parte anterior de cada uno de los pulverizadores. En el caso del equipo de rociado de frutales se montan un total de 6 sensores de ultrasonidos, y en el equipo de aplicación para vid es suficiente con 3 sensores para detectar la vegetación. La distancia entre los sensores es suficiente para evitar interferencias entre ellos. Un sistema similar ha sido utilizado por varios prototipos de aplicación proporcional (Planas et al., 2002; Gil et al., 2007; Llorens et al., 2010), además en el mercado existen equipos que llevan incorporado este tipo de sensor para la aplicación de producto solo en los puntos donde existe vegetación (también llamados sistemas on/off). El sistema electrónico de control se basa en un tarjeta de adquisición de datos montada en una caja con todas sus conexiones y accesorios, que permite ser montada en cada uno de los equipos que se pretende controlar (equipo frutales y equipo vid). El micro controlador del sistema es una placa Arduino Mega (Arduino, Italy), de prototipado open-source que permite crear sistemas electrónicos complejos y económicos.

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Figura 3. Esquema del sistema electrónico basado en una placa Arduino para el control dos prototipos.

El grupo de sensores de ultrasonidos es capaz de leer la distancia a la vegetación. Con esta información, junto con una serie de parámetros conocidos (anchura de calle, posición de los sensores…), se puede establecer en ancho y por tanto el volumen de la vegetación en cada punto de la parcela. Partiendo del volumen de vegetación detectado (en m3) y aplicando el coeficiente de aplicación de 0,1275 L/m3, establecido como constante por estudios previos (Byers et al., 1971; Heijne et al., 1997; Escolà, 2010), el equipo es capaz de aplicar proporcionalmente según la vegetación detectada. Para el ajuste del sistema louvre, se ha basado el ensayo del sistema en la comprobación de tres funciones simples que relacionen el volumen de aire aplicado dependiendo del volumen de vegetación detectado. Esta relación se hace teniendo en cuenta el volumen de vegetación máximo (100%), calculado cómo TRV (TreeRowVolume, m3/Ha), que llegará la plantación testeada al final de su ciclo vegetativo.

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Figura 4. Funciones teóricas para el ajuste del volumen de aire aplicado en relación al volumen de vegetación detectada con los sensores de ultrasonidos.

Tanto en el ajuste de la cantidad de caldo, como en el ajuste del volumen de aire, se realizaron ensayos de deposición en distintos estadios vegetativos para comprobar la eficiencia del sistema desarrollado. En los ensayos de vid se testearon las tres funciones de ajuste de volumen de aire en dos estadios vegetativos de desarrollo de la plantación. En los ensayos de frutales (manzano) se comparó una aplicación convencional, sin ajuste de volumen de líquido aplicado, con la aplicación con este prototipo ajustando el volumen de aplicación al volumen de vegetación detectado por los sensores de ultrasonidos. En todos los casos se evaluó la deposición normalizada en hoja siguiendo los métodos de normalización que proponen para la comparación de datos en este tipo de pruebas (Cross et al., 2001; Gil et al., 2007; Llorens et al., 2010).En las figuras 5 y 6 se presentan algunos de los resultados obtenidos.

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Figura 5.  Gráfico de deposiciones normalizada (media ± SE) en hoja de manzano comparando una aplicación convencional (sin ajuste automático del volumen de caldo aplicado) con una aplicación mediante el prototipo de aplicación proporcional. La misma letra significa que no se encuentran diferencias significativas entre tratamientos.

Resultados

Como resultados generales de la eficiencia de aplicación con el equipo para frutales se puede observar la figura 6 donde se presenta la comparación de medias de deposición en comparación con una aplicación convencional, sin el uso de los sensores de ultrasonidos. En esta comparación, con la aplicación proporcional se consigue un ahorro del 22% del volumen aplicado (427 l/ha en una aplicación convencional versus 330 l/ha en la aplicación proporcional) aunque en términos de deposición normalizadas no se encuentran diferencias significativas entre los tratamientos. Si nos fijamos en los resultados de deposición según la cantidad de aire aplicado se puede observar en primer lugar una tendencia positiva, es decir, a mayor cantidad de aire aplicado mayor es la deposición. Aún así esta tendencia no representa una tendencia linear simple ni una tendencia siempre con pendiente positiva, si no que se observa una posible estabilización máxima de la deposición a cierto nivel de volumen de aire aplicado. Esto indica que hasta un límite próximo al 80% de aire aplicado en referencia a la vegetación detectada se consigue la máxima deposición para la situación específica cómo la que se ha planteado en el ensayo. Este hecho representa una observación muy interesante a la hora de plantear el ajuste de volumen de aire generado por el pulverizador.

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Figura 6. Gráfico de deposiciones normalizadas en vid para cada uno de los niveles de aire aplicados. En el gráfico se presentan los resultados medios de las deposiciones en hoja en los dos estadios vegetativos donde se ha testeado el sistema.

Conclusión

En conclusión, se puede comentar que se ha completado el diseño de dos prototipos de aplicación variable mediante el ajuste del líquido y aire, en base a la caracterización de la vegetación mediante una matriz de sensores de ultrasonidos. Además, este ajuste se realiza gracias a una electrónica recogida en una caja de control que permite ser intercambiada entre los dos pulverizadores. El uso de los sensores de ultrasonidos permite una caracterización detallada de la vegetación en cada uno de los cultivos. En términos de ajuste, tanto el sistema louvre como el bloque de multi-boquillas VarioSelect son dispositivos que, gestionados correctamente, consiguen una mejora considerable del proceso de aplicación de fitosanitarios. En resumen, estos primeros resultados son garantía de que se está trabajando por buen camino y que la electrónica embarcada en este tipo de equipos le espera un futuro esperanzador.

Agradecimientos

Este proyecto se realiza gracias el soporte de: NY Apple Research and DevelopmentBoard (ARDP), NY Wine and Grape Fundation y los Lake Erie Grape Growers. También queremos agradecer el apoyo de Lechler USA y Durand Wayland en proveernos de los equipos necesarios para la realización del proyecto. Los autores de este documento quieren agradecer la asistencia técnica y la ayuda en los ensayos de campo a William Larzelere, Dr. ChangyuanZhai and FaribaKanga.

Bibliografía

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  • Cross, J.V., P.J. Walklate, R.A. Murray, and G.M. Richardson. 2001. Spray deposits and losses in different sized apple trees from an axial fan orchard sprayer: 2. Effects of spray quality. Crop Prot. 20(4): 333–343
  • Escolà, A. 2010.Method for real-time variable rate application of plant protection products in precision horticulture/fructiculture.Tesi, Departamentd’EnginyeriaAgroforestal.Universitat de Lleida.
  • Gil, E., A. Escolà, J.R. Rosell, S. Planas, and L. Val. 2007.Variable rate application of plant protection products in vineyard using ultrasonic sensors. Crop Prot. 26(8): 1287–1297
  • Heijne, B., A. Besseling, S. Wolf, and U. Raisigl. 1997. Tree row volume (TRV) concept in the netherlands. In 5th Workshop on Spray Application Techniques in Fruit Growing.Radziejowice, Poland.
  • Khot, L.R., R. Ehsani, G. Abrigo, P.A. Larbi, A. Landers, J. Campoy, and C. Wellington. 2012. Air-assisted sprayer adapted for precision horticulture: Spray patterns and deposition assessments in small-sized citrus canopies. Biosyst. Eng. 113: 76–85.
  • Landers, A., P. Balsari, and E. Gil. 2012. Putting the spray onto the target-The development and demostration of vertical patternation for fruit growers. In ASABE Annual International Meeting. Hilton Anatole, Dallas, Texas (USA).
  • Llorens, J., E. Gil, J. Llop, and A. Escolà. 2010. Variable rate dosing in precision viticulture: Use of electronic devices to improve application efficiency. Crop Prot. 29(3): 239–248
  • Planas, S., F. Solanelles, and A. Fillat. 2002. Assessment of recycling tunnel sprayers in mediterranean vineyards and apple orchards. Biosyst. Eng. 82(1): 45–52

Comentarios al artículo/noticia

#1 - Zelulazero
08/03/2014 7:46:54
Muy bueno el artículo! Y los experimentos¡

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