Evaluación en campo del sistema inteligente de aplicación foliar SmartApply de John Deere

Principales resultados de la evaluación del sistema SmartApply Intelligent Spray Control System™ de John Deere en naranjos y viñedo llevada a cabo por el grupo de investigación LPF-Tagralia: Técnicas avanzadas en agroalimentación, de la Universidad Politécnica de Madrid.

En las aplicaciones foliares en forma de pulverización el gasto de caldo es proporcional a la superficie total de hojas a tratar. Esta superficie depende de múltiples factores, siendo el estado fenológico del cultivo uno de los principales. Además, en el caso de la fruticultura, el manejo de la poda también es decisivo ya que tiene un efecto directo en la arquitectura de la planta, afectando a las propiedades geométricas y estructurales como el número y disposición de ramas, la altura, anchura y profundidad de copa, así como su penetrabilidad y porosidad.

Aunque una gestión agronómica meticulosa del cultivo puede favorecer un elevado grado de homogeneidad en estas propiedades, los condicionantes de suelo y atmosféricos o los factores de estrés biótico o abiótico que no han podido ser controlados inducen una variabilidad natural en la arquitectura de la planta.

Los pulverizadores hidroneumáticos convencionales presentan una capacidad muy limitada de responder a esta variabilidad en tiempo real. Esta restricción se debe principalmente a que cuentan con una única válvula para regular la presión del circuito hidráulico completo. Las boquillas están organizadas en sectores y operan bajo una misma presión manométrica (dentro de la variación de presión permitida en la ITEAF), lo que impide ajustar de forma individual el caudal que suministra cada una.

Cuando la arquitectura del dosel vegetal tiene, de manera global, un patrón estructural definido y se identifican de forma sistemática zonas con espesores diferenciados, es viable implementar una estrategia con un nivel de adaptación medio. Esta estrategia se basa en la instalación de boquillas de distinto código de caudal a distintas alturas, de manera que, operando todas bajo una misma presión de trabajo, el caudal aplicado presentará una mayor proporcionalidad con el espesor promedio de la zona pulverizada.

Conseguir el más alto nivel de adaptación con una aplicación precisa en tiempo real diferenciando zonas dentro de las copas individuales requiere de la combinación de: a) un sistema de percepción que detecte los volúmenes diferenciales de copa a pulverizar; b) un sistema electrónico de control que analice los registros, extraiga la información útil, establezca las consignas de caudal y envíe la orden de actuación para cada boquilla; y c) unos actuadores con la capacidad de modular el caudal de cada boquilla en correspondencia con el volumen diferencial de copa asignado.

El sistema SmartApply Intelligent Spray Control System™ de John Deere responde a estos requerimientos, por lo que puede resultar estratégico para la optimización de los tratamientos foliares en el ámbito de la fruticultura (Figura 1). En este artículo se recogen los principales resultados de la evaluación del sistema en naranjos y viñedo llevada a cabo por el grupo de investigación LPF-Tagralia: Técnicas avanzadas en agroalimentación, de la Universidad Politécnica de Madrid.

Durante los ensayos, el sistema se encontraba montado en el modelo de pulverizador hidroneumático EOLO GTE10 de TEYME S.A. Este pulverizador disponía de terminal virtual ISOBUS para su manejo y distribuidor con válvulas de acción eléctrica general, de regulación de presión y de apertura de secciones, válvulas manuales volumétricas, válvula limitadora de presión, caudalímetro y sensores de presión (Figura 1).

El equipamiento del SmartApply® incluye una tableta con sistema Android para la gestión del sistema desde la cabina del tractor, donde se descarga la aplicación propietaria Intelligent Spray® desde los repositorios convencionales. Un bastidor intermedio da soporte a los componentes electrónicos de control y a una antena GNSS para la determinación del desplazamiento y la georreferenciación de las plantas tratadas. Además, el bastidor está equipado con un sensor LiDAR destinado a la caracterización precisa de la arquitectura de las copas. La copa es segmentada en altura y se determina el volumen de cada segmento a partir de la nube de puntos registrada por el sensor. A cada segmento se le asigna una boquilla o grupo de boquillas, que aportan el caudal requerido.

Un aspecto crítico de la innovación tecnológica reside en la sustitución de los portaboquillas convencionales por otros específicos con control electrónico basado en la apertura de la boquilla de forma pulsada (Pulse Width Modulation, PWM), los cuales permiten la regulación individual sin alterar la presión del circuito hidráulico. El caudal de la boquilla se modula modificando la fracción de tiempo en la que permanece abierta durante cada pulso. A este parámetro se le denomina ciclo de trabajo (Duty Cycle, DC).

Las calles seleccionadas para el ensayo se eligieron por su variabilidad en el volumen de copa, incluyendo zonas sin vegetación. Esta heterogeneidad permitió evaluar la capacidad del sistema para adaptarse a distintas configuraciones estructurales del cultivo.

En una primera fase se evaluó visualmente el vigor y la porosidad de las copas. Luego, en una muestra representativa, se midieron la altura y la profundidad de la semi-copa (tomando como referencia el plano definido por los troncos). Esta caracterización permitió establecer la recomendación del volumen de caldo a aplicar y seleccionar las plantas para la colocación de papeles hidrosensibles, utilizados en la comparación de la cobertura de gotas entre distintos modos de pulverización.

Se realizó una segunda caracterización del volumen de vegetación mediante un sensor LiDAR (LMS111, SICK AG) instalado en la parte frontal del tractor. La nube de puntos de las copas se obtuvo a 10 Hz y 0,5° de resolución angular, avanzando a 3,6 km/h en naranjos y 1 km/h en viñedo. Los datos procesados en Matlab® (The MathWorks, Inc., MATLAB, Version 2024a, Natick, MA) permitieron analizar la variabilidad del volumen de semi-copas. Mediante el algoritmo de agrupamiento difuso Fuzzy k-means, las plantas se clasificaron en tres grupos (volumen bajo, medio y alto), lo que posibilitó evaluar el comportamiento promedio del sistema.

La parcela de trabajo se encontraba en el Centro Las Torres del Instituto Andaluz de Investigación y Formación Agraria, Pesquera, Alimentaria y de la Producción Ecológica (Sevilla, España) (37°30’51.35’’ N, 5°57’55.41’’ W), con un ancho de calle de 6.3 m y distancia promedio entre troncos de 3.8 m. Se analizaron 102 árboles, 51 naranjos y una marra a cada lado, ocupando una superficie de 1244,88 m². El estudio se llevó a cabo en un momento intermedio entre los estados fenológicos BBCH79 (Frutos con aproximadamente el 90% de su tamaño final) y BBCH81 (Comienzo del cambio de color del fruto (envero)). La altura de las copas variaba desde 1,40 hasta 2,55 m, la anchura desde 1 hasta 3,80 m y la profundidad de la semi-copa desde 0,95 hasta 2,90 m. El análisis de la nube de puntos del LiDAR propio mostró un coeficiente de variación del volumen de la semi-copa de 44,5% (Figura 2).

La parcela de trabajo del viñedo pertenecía a una explotación comercial en espaldera en Corral de Almaguer (Toledo, España) (39°48’31.0’’N, 3°10’0.24’’W) con formación en cordón libre. El ancho de calle era 3,2 m y la distancia promedio entre troncos 1,45 m (o marra en su caso). Se analizaron 238 plantas, 119 a cada lado, correspondiendo a una superficie de 598,4 m². El estudio se llevó a cabo en el estado fenológico BBCH91 (después de la cosecha; final de la maduración de la madera) (Figura 3). Con las medidas clásicas se obtuvo que la altura de las copas variaba desde 28 hasta 75 cm y la profundidad de la semi-copa desde 10 hasta 75 cm. El análisis de la nube de puntos del LiDAR propio mostró un coeficiente de variación del volumen de la semi-copa de 38,5% (Figura 2).

Uno de los rasgos distintivos del sistema SmartApply® es que la consigna de dosificación se establece como el volumen de caldo a aplicar por metro cúbico de copa (mL/m³ copa). Este parámetro se define como Spray Rate en la terminología del sistema SmartApply® y debe ser introducido manualmente en la pantalla de configuración de trabajos.

Para obtener una aproximación técnica basada en conocimiento experto, se utilizaron sendas herramientas disponibles en versión web y en versión para teléfono móvil. En el caso de los naranjos se empleó Dosa3D® (https://dosavina.upc.edu/) y en el del viñedo Dosaviña® (http://www.dosa3d.cat/es). El volumen de aplicación recomendado, expresando en las unidades convencionales de litros por hectárea, se obtuvo introduciendo las dimensiones y densidad promedio de las copas, así como del marco de plantación y el tipo de pulverizador, entre otros parámetros. Para obtener la recomendación expresada en mL por metro cúbico de copa, Spray Rate, se divide dicho valor por el volumen total de copas a tratar por hectárea. Esta prescripción de referencia será el punto de partida durante la preparación del equipo. La verificación de la cobertura en papeles hidrosensibles guiará el ajuste fino del Spray Rate.

En la prueba realizada en naranjos el volumen de referencia de dosel vegetal fue 3781 m³/ha. El sistema hidráulico se reguló para aplicar 363 L/ha, por lo que el Spray Rate de referencia resultó 96 mL/m³ copa. Para comparar con la práctica habitual, se desarrolló una segunda prueba ajustando el sistema hidráulico a 1089 L/ha, obteniéndose una prescripción de referencia de 288 mL/m³ de copa. En el viñedo el volumen de referencia de dosel vegetal fue 3208 m³/ha y el de aplicación fue 160,4 L/ha, de manera que se establecieron 50 mL/m³ de copa. Se ensayaron otras prescripciones, 20, 25 y 75 mL/m³ de copa, para observar su efecto sobre la variabilidad del volumen aplicado.

En el estudio en naranjos se emplearon boquillas normalizadas ATI 60° de Albuz®, ISO 015. La velocidad de avance fue de 3,6 km/h. El caudal de las boquillas verificado fue 0,98 L/min, dato fundamental que debe introducirse a mano en la aplicación Intelligent Spray® como caudal máximo, y que corresponde a un ciclo de trabajo con el 100% del tiempo con la boquilla en estado abierto, es decir, un DC 100%. En el viñedo se emplearon boquillas normalizadas ATI 60° de Albuz®, ISO 01, caudal máximo verificado 0,77 L/min y velocidad de avance de 3,6 km/h. Todas las aplicaciones se realizaron con agua.

En cada prueba se introdujeron los parámetros apropiados en las pantallas de ajustes del terminal virtual ISOBUS, se reguló el circuito hidráulico para alcanzar los volúmenes de aplicación por hectárea indicados y se seleccionó el modo Manual en el terminal virtual. La selección del modo Manual en la pantalla de control del SmartApply® implicaba que el sistema no intervenía en la pulverización, la pulverización se producía de forma convencional.

Una vez activado el modo automático pulsado del sistema SmartApply®, este toma el control de la pulverización. Las boquillas permanecen cerradas hasta que el sensor LiDAR detecta la presencia de la copa y el controlador calcula el volumen que se asigna a cada boquilla. Entonces, cada una se abrirá de forma pulsada con el DC que corresponda al caudal requerido; y se irá modificando a medida que se avanza en la calle y aparecen diferencias en la copa. Este modo de trabajo en la terminología del SmartApply® es el AUTO pulse ON.

Para verificar la repetibilidad del funcionamiento del sistema SmartApply® y el consecuente gasto de caldo por planta se llevó a cabo un ensayo específico repitiendo el mismo recorrido tres veces a lo largo de la calle de estudio. El sistema establece el gasto a partir de la suma de intervalos de tiempo de apertura de las boquillas y los DC empleados durante esos intervalos en cada una de ellas. Ese volumen es función de lectura de su sensor LiDAR en la franja de copa asignada a cada boquilla y queda registrado y georreferenciado en la documentación generada.

Los patrones de aplicación de agua se mantuvieron consistentes, ya que entre las tres repeticiones las diferencias fueron mínimas. En la Figura 3 los marcadores que coinciden sobre la diagonal corresponden a las plantas en las que el volumen aplicado fue prácticamente idéntico en las tres repeticiones; la coincidencia de dos marcadores indica que ambas repeticiones fueron prácticamente idénticas; los marcadores individuales próximos a la diagonal indican su similitud a la repetición 1.

La repetibilidad, entendida como un error, es un parámetro que se obtiene a partir de las tres repeticiones de cada muestra, para las que se computa la desviación típica (DT). Una vez obtenidos los valores de DTn de todas las muestras, N, se calcula la media cuadrática. La repetibilidad del volumen de agua aplicado en cada planta en el ensayo de naranjos fue 0,0106 L y en el viñedo fue 0,0041 L.

Figura 3. Representación de la coincidencia de los valores del volumen aplicado con el sistema SmartApply® en cada naranjo en el estudio de repetibilidad.

La consistencia del volumen aplicado en la calle del estudio se evaluó comparando la suma de los volúmenes aplicados de todas las plantas en cada uno de los tres recorridos idénticos realizados.

El sistema SmartApply® elabora de forma automática un informe del tratamiento realizado. Para ello asigna a cada planta el volumen total aplicado a partir de los puntos del dosel vegetal detectados por el sensor LiDAR y de la distancia entre plantas, que en este caso fue introducida manualmente en la pantalla de configuración del trabajo.

Se observaron discrepancias puntuales en la delimitación de las copas, especialmente en aquellos casos en los que las ramas se extendían hacia el espacio de la planta contigua, ya fuera por un elevado vigor vegetativo en determinados ejemplares de naranjo o por la presencia de marras en el viñedo. Esto podría explicar algunas de las discrepancias observadas entre repeticiones. Una asignación incorrecta sería susceptible de ser detectada por parte del técnico o agricultor como un dato atípico en el informe generado. La verificación en campo de estos datos facilitaría su interpretación.

Sin embargo, estas discrepancias puntuales no afectarían al volumen total de líquido aplicado en la línea de cultivo, el cuál quedaría igualmente depositado en el dosel vegetal conforme a sus dimensiones registradas por el sensor LiDAR. Esto lo demuestra la consistencia del volumen total registrado en las tres repeticiones tanto en la calle del estudio en naranjos como en viñedo (Tabla 1). La dispersión de los valores dentro de la calle, caracterizada por el CV de 29,2% en naranjos y 36,9% en el viñedo, indicaba que el sistema era capaz de detectar la variabilidad de las copas y aplicar en consonancia.

Tabla 1. Repetibilidad del volumen total aplicado y ahorro utilizando el sistema SmartApply® en la calle del ensayo en naranjos y en viñedo.

Con el objetivo de analizar el comportamiento promedio del ahorro se llevaron a cabo diversos análisis de varianza del volumen de caldo aplicado, considerando como factores el grupo de vigor de copa y la repetición del tratamiento. Los resultados mostraron diferencias significativas entre las medias del volumen aplicado en los grupos de vigor bajo, medio y alto; así como que, de forma general, no había diferencias entre las medias de las tres repeticiones. Esto revelaba la capacidad del sistema para discriminar entre los grupos de vigor y proporcionar consistencia en la aplicación, mostrándose como una herramienta eficaz de ahorro.

La Figura 4 ilustra el ahorro en tres naranjos que presentan una distribución de ramas irregular y gran variabilidad de espesor en sus copas (representado por los diferentes colores de los puntos obtenidos con el sensor LiDAR). En el modo convencional todos los espacios asignados a una planta en el marco de plantación reciben el mismo volumen, independientemente del grado de desarrollo de la copa. El potencial de ahorro derivado del uso del sistema SmartApply® vendrá determinado por la distribución de tamaños de copa presentes en la parcela a tratar. Cuanto mayor sea el número de plantas con copas menores a la establecida como referencia para la dosificación convencional por hectárea, mayor será el ahorro alcanzado por el sistema (Figura 4). Del mismo modo, la presencia de plantas con copas mayores supondrá un incremento proporcional en el gasto de caldo.

En el estudio se llevó a cabo una comparación de dicha cobertura entre el modo convencional y el modo pulsado del sistema SmartApply® mediante la colocación de papeles hidrosensibles en zonas de distinto vigor de copa. En términos generales, se observó una disminución en la cobertura con el sistema SmartApply®, lo que derivaría del mejor ajuste de la cantidad de caldo al volumen de copa encontrado. En la aplicación convencional los ejemplares de menor desarrollo reciben una sobredosificación al repartir el caldo entre una superficie foliar menor, mientras que la estrategia adaptiva del sistema SmartApply® evita esta situación. En relación con los valores de cobertura, en ambos modos se mantuvieron dentro de los rangos recomendados (Figura 5).

La selección del Spray Rate (mL/m³ copa) es clave en la configuración de los parámetros de trabajo. El Spray Rate debe estar en consonancia con los litros de caldo por hectárea regulados en el sistema hidráulico del pulverizador y con el volumen total de dosel vegetal en una hectárea, pues su cálculo se deriva de ambos valores, como se indicó anteriormente.

Siguiendo esta premisa, el sistema SmartApply® resultó coherente en el volumen aplicado a cada planta cuando se modificó el Spray Rate y en la misma proporción se modificó el volumen de aplicación. Esto lo ilustra la Figura 6 (arriba) para las prescripciones de referencia de 96 mL/m³ copa y 288 mL/m³ copa y los correspondientes 363 L/ha y 1089 L/ha, en la que se observa la similitud entre los patrones de los histogramas de ambos tratamientos. Esta consistencia también se aprecia en el ahorro alcanzado para cada tipo de árbol. Como ilustraba la Figura 4 los porcentajes de ahorro permanecieron prácticamente invariantes.

En el caso de buscar un aumento del ahorro reduciendo el valor del Spray Rate sin modificar la regulación del sistema hidráulico, es imprescindible verificar mediante papeles hidrosensibles que la reducción no compromete los objetivos del tratamiento. Además, debe tenerse en cuenta que, a medida que el valor de Spray Rate se aleja del calculado como referencia, el sistema pierde sensibilidad a la variación de las copas.

Esto se debe a que en entornos reales de trabajo el DC de las boquillas PWM varía aproximadamente desde 30% hasta 100%. Por lo que, aunque el segmento de copa asignado presente un volumen muy reducido, al menos recibirá el 30% del caudal máximo técnico de la boquilla. Por otro lado, aunque el volumen sea muy elevado no será posible aportar un caudal que supere dicho máximo.

La Figura 6 (abajo) ilustra el efecto de la variación del Spray Rate para una regulación fija (L/ha) a través de los histogramas del volumen aplicado en viñedo, en el que el valor de referencia fue 50 mL/m³ copa. Se observa que, para el valor menor, 20 mL/m³ copa, los volúmenes aplicados son los más bajos y, además, presentan una gran similitud a pesar de la variabilidad de copas, lo que evidencia una reducida sensibilidad del sistema. Con la consigna de 25 mL/m³ copa se produjo una mejora en la sensibilidad al registrarse mayor diversidad de valores. No obstante, el histograma muestra que el sistema seguía estando infrautilizado. Las capacidades del sistema para adaptarse a la vegetación se aprovecharon de manera más eficiente con el Spray Rate de referencia 50 mL/m³ copa, como era de esperar, ya que las frecuencias del histograma se correspondían con las proporciones de individuos encontradas en la calle del estudio. Con 75 mL/m³ copa se observa un aumento de la frecuencia de los valores más altos y se aprecia cierta pérdida de sensibilidad.

En consecuencia, para un volumen de caldo por hectárea regulado en el sistema hidráulico del pulverizador, pueden generarse situaciones desfavorables cuando la estrategia de ahorro adoptada resulte excesivamente ambiciosa con la selección de un Spray Rate demasiado bajo; o bien cuando el Spray Rate resulte demasiado elevado. Para evitarlo, el responsable del tratamiento se ayudará de la supervisión de la deposición mediante un muestreo representativo con papeles hidrosensibles.

El sistema SmartApply® ha mostrado gran efectividad en el ahorro de caldo. Para ello se requiere la selección de un valor de prescripción en mililitros por metro cúbico de copa en concordancia con el volumen de caldo por hectárea establecido en la regulación del sistema hidráulico.

El ahorro potencial depende de la distribución de volúmenes de copas en la zona a tratar. De forma general, cuanto mayor sea la proporción de copas con volumen menor al utilizado como referencia para la regulación del sistema hidráulico, mayor nivel de ahorro se alcanzará.

El sistema SmartApply® ha mostrado alta repetibilidad en el volumen total de caldo aplicado a cada planta. Aunque la asignación de dicho volumen en el informe generado tras el tratamiento se puede ver afectada por la proximidad de las copas de los individuos adyacentes, esto no afectó al volumen total aplicado a lo largo de la calle tratada, el cuál mantuvo una alta repetibilidad.

El análisis comparativo de la cobertura registrada en los papeles hidrosensibles entre el modo constante de aplicación convencional y el modo adaptativo del sistema SmartApply® muestra que este último conlleva cierta reducción en la cobertura obtenida, reduciendo la sobredosificación en las plantas de menor vigor. La cobertura en el modo pulsado SmartApply® se mantuvo dentro de los rangos recomendados.

La adecuada aplicación de los criterios técnicos para la selección óptima de los parámetros operativos, junto con la verificación de la cobertura requerida, posicionan al sistema SmartApply® como uno de los más eficientes en el uso racional de insumos y en la maximización de la rentabilidad de los tratamientos foliares.

Agradecimientos

Los autores expresan su agradecimiento a D. Javier Vera Mendoza y a D. Francisco José Arenas Arenas por su amabilidad y valiosa colaboración al poner a nuestra disposición las parcelas en las que se llevó a cabo el estudio presentado.