Diseño y aplicación de un sistema inteligente de pulverización variable para tratamientos fitosanitarios en viña y olivo – PIVOS y ADOPTA

E. Gil¹, R. Salcedo¹, F. García-Ruiz¹, J. Biscamps¹, L. Xun¹, F. J. García-Ramos², M. Vidal², A. Vigo², G.L Blanco-Roldán³, A. Rodríguez-Lizana⁴, J. M. Mariscal³, F. Rovira-Más⁵, A. Cuenca⁵, V. Saiz-Rubio⁵, C. Ortiz⁵, E. Ortí⁵, M. Pérez⁵, A. Torregrosa⁵.

1 Universitat Politècnica de Catalunya (Barcelona, España); emilio.gil@upc.edu

2 Universidad de Zaragoza (Huesca, España); fjavier@unizar.es

3 Universidad de Córdoba (Córdoba, España); ir3blrog@uco.es

4 Universidad de Sevilla (Sevilla, España); arodriguez2@us.es

5 Universitat Politècnica de València (València, España); frovira@dmta.upv.es

04/12/2023

Este trabajo demuestra la capacidad de desarrollar nuevas tecnologías que ayuden a cumplir los objetivos marcados por Europa para la reducción de productos fitosanitarios. Los prototipos han sido capaces de realizar las actividades que se esperaban en campo, con el consiguiente ahorro de agua y producto.

Introducción

El uso correcto y sostenible de los productos fitosanitarios sigue siendo uno de los principales retos de la agricultura. Este aspecto es muy relevante en el caso de España, segundo país de Europa en superficie agraria y uno de los principales consumidores mundiales de estos productos [1]. Además, la mayor preocupación social en este tema, junto al empuje agroambiental de las políticas europeas, como el Pacto Verde Europeo [2] a través de través de la Estrategia “De la Granja a la Mesa” [3], obliga a acelerar la búsqueda de nuevas metodologías de aplicación. En este caso hay que buscar alternativas más contundentes, ya que la Unión Europea se ha fijado el objetivo de reducir el uso de productos fitosanitarios al 50% para el año 2030. Esto tiene especial relevancia en olivo y viñedo, dos de los cultivos de mayor impacto socioeconómico en nuestro país. Para conseguir esta meta, es necesario conocer los principales factores que influyen en la eficiencia de los tratamientos en estos cultivos: el viento [4], propiedades físico-químicas del caldo [5], parámetros ligados a la maquinaria [6] y las características de la vegetación [7].

La capacidad de penetración y recubrimiento de las gotas que salen de las boquillas a la copa dependerán de la forma, tamaño y densidad del árbol. Cuanto más grande sea la copa y/o más espesa sea la masa foliar, mayor son las posibilidades de retención de gotas, aunque por otro lado las partículas pulverizadas tienen más dificultades para penetrar dentro de la vegetación. Por esa razón, muchos agricultores suelen seleccionar pulverizadores hidráulicos de chorro transportado (atomizadores) provistos de un sistema de aire que empuje y dirija las gotas hacia la copa y remueva ramas y hojas para facilitar su penetración, creando turbulencias que ayuden a homogeneizar la distribución de las partículas. Sin embargo, muchas veces se opta por trabajar con altos caudales de aire o escoger pulverizadores con ventiladores de grandes proporciones para garantizar la penetración total del producto entre las hojas.

Paralelamente, estos pulverizadores trabajan con un volumen de aplicación constante que, en la mayoría de los casos, está basado en la propia experiencia del técnico o agricultor más que en las propuestas de adaptación de acuerdo a las dimensiones de la vegetación, tal y como recomiendan la Buenas Prácticas Agrícolas [8]. Por tanto, considerando la alta variabilidad existente entre árboles dentro de una misma plantación [9], el volumen de aplicación constante seleccionado y el inadecuado ajuste del aire, no se puede conseguir un tratamiento correcto, para los olivos y viñedos, en diferentes momentos de la campaña, provocándose aplicaciones excesivas y una cobertura desigual sobre las hojas [10]. Todo esto se puede agravar sin un correcto uso del equipo de ventilación [11] o haciendo aplicaciones en zonas sin presencia de vegetación de la copa, lo que resulta en pérdidas de producto innecesarias.

Para paliar los problemas anteriores, se recurre a las aplicaciones de volumen variable (VRT), en las que la máquina es equipada con un sistema inteligente para reconocer las características de la vegetación, y así poder aplicar un caudal acorde, aumentándose la eficiencia de los tratamientos sin mermas en la eficacia biológica [12]. Estos sistemas parten de la identificación previa de las características geométricas de la copa a la que se dirigen las gotas en una dosis adecuada; el perfil de líquido se ajusta más a la forma y densidad de la estructura arbórea, evitando utilizar más producto del necesario y disminuyendo las pérdidas fuera de objetivo.

La tecnología VRT puede realizarse en base a sensores o en base a mapas de prescripción. En el primer caso, se utilizan los conocidos sensores de detección de la presencia de vegetación arbórea, de tipo sensores de ultrasonidos [13] o dispositivos láser [14]. En el segundo caso, se parte de la obtención de imágenes con sensores de control remoto, tales como cámaras embarcadas en drones o los propios satélites. Esta metodología ha demostrado ser fiable, precisa y asequible [15], permitiendo cartografiar grandes extensiones con alta resolución espacial, usándose, posteriormente, para elaborar los mapas. Finalmente, el atomizador se equipa con un ordenador de “a bordo”, que incorpora la información de los mapas, permitiendo el control automatizado del caudal [16-19].

Respecto al sistema de control de flujo, para que las boquillas produzcan caudales variables, se tiene el inconveniente de que la modificación basada en los cambios de presión requiere un tiempo de adaptación del régimen hidráulico y, además, puede variarse el tamaño de gota. Alternativamente, existen válvulas de modulación de ancho de pulso (PWM) que permiten un control más rápido del flujo intermitente en las boquillas mientras se mantiene la presión de trabajo correspondiente [20-23].

El proyecto PIVOS (PID2019-104289RB) es un proyecto nacional, financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación, que ha diseñado un sistema de pulverización inteligente, con toma de decisiones en base a la lectura de mapas y regulación de caudal con válvulas PWM (www.pivos.upc.edu). Este sistema se ha implementado en dos atomizadores comerciales orientados a la realización de tratamientos fitosanitarios en olivar y viña. La presente comunicación resume el trabajo realizado hasta la fecha, así como las perspectivas de un nuevo proyecto, ADOPTA (PDC2022-133395), derivado del anterior y dirigido a la prueba de concepto de los equipos desarrollados En este proyecto, que también cuenta con el apoyo del Ministerio de Ciencia e Innovación, se evaluarán los beneficios y la capacidad de aplicación de estos nuevos prototipos en colaboración con agricultores y en condiciones reales de funcionamiento.

Grupos de investigación integrantes

Tanto el proyecto PIVOS (Pulverización inteligente para un viñedo y olivar sostenibles (PIVOS), de la convocatoria 2019 de Proyectos de I+D+i del Ministerio de Ciencia e Innovación, como el proyecto ADOPTA (Adopción de nuevas tecnologías para la reducción de fitosanitarios - Drones y satélites para aplicación variable en plantaciones de viñedo y olivo), de la convocatoria 2022 de Prueba de Concepto del mismo Ministerio, están liderados por el Grupo de Investigación de la Unidad de Mecanización Agraria (https://uma.deab.upc.edu/es) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). Este grupo coordina las actividades propias y la de otros tres grupos miembros de ambos proyectos: el Laboratorio de Maquinaria Agrícola de la Universidad de Zaragoza (http://lamagri.unizar.es/), el Laboratorio de Robótica Agrícola de la Universidad Politécnica de Valencia (https://www.agriculturalroboticslab.upv.es/) y el Grupo AGR 126 “Mecanización y Tecnología Rural” de la Universidad de Córdoba (http://www.uco.es/).

El coordinador del proyecto tiene una gran experiencia en los aspectos relacionados con la aplicación por pulverización en viñedos: ensayos de campo, procedimientos de evaluación de deposición y deriva, y desarrollos electrónicos relacionados con el principio de aplicación de caudal variable. El subproyecto de la Universidad de Córdoba (UCO), liderado por dos investigadores, de la UCO y la Universidad de Sevilla (US), respectivamente, es el grupo de investigación de referencia en todos los aspectos relacionados con la producción olivarera. Este grupo ha llevado a cabo importantes proyectos de investigación y formación, como los de Compra Pública Precomercial (CPP) MECAOLIVAR e INNOLIVAR, con especial énfasis en su influencia y buena colaboración con los actores profesionales pertenecientes a la industria del aceite de oliva. La Universidad Politécnica de València (UPV) aporta su experiencia en el campo de las tecnologías digitales como la agricultura de precisión y la robótica agrícola aplicada a cultivos arbóreos. Finalmente, la Universidad de Zaragoza (UNIZAR) ha realizado muchas investigaciones en el campo de la asistencia de aire en atomizadores.

Dentro del proyecto PIVOS, la UPC, además de la coordinación, también es responsable del desarrollo de un protocolo estándar para construir mapas de prescripción de aplicación de volumen y de la cuantificación de los beneficios ambientales y económicos potenciales. La UCO supervisa el establecimiento del procedimiento más adecuado para la caracterización inteligente de la copa en vid y olivar, así como la validación en campo de los equipos. Por su parte, UNIZAR se encarga del desarrollo de un método estándar para elaborar mapas de prescripción de necesidades de asistencia de aire. Por último, la UPV se ocupa del diseño y funcionamiento del sistema de actuación inteligente acoplados en pulverizadores convencionales según mapas de prescripción. Todo esto evoluciona con el proyecto ADOPTA, donde se llevan tareas de planificación de campaña (UCO), generación y aplicación de mapas (UPV), implementación de tecnologías de caudal variable entre los agricultores (UPC) y jornadas y actividades de divulgación y formación (UNIZAR).

Elementos del prototipo

Pulverizadores hidroneumáticos

El prototipo consiste en un sistema inteligente de pulverización que puede instalarse en un equipo atomizador con asistencia de aire ya existente (Figura 1). Para los tratamientos en olivar, el sistema se ha instalado sobre un atomizador arrastrado Mañez Lozano modelo Twister S6 (Mañez y Lozano SL, Valencia, España). La máquina incluye un depósito con un volumen de 1500 L y un ventilador axial, con disposición en torre, como método de asistencia de aire. Hay 8 portaboquillas, con 3 boquillas cada uno, a cada lado de la máquina, estando los dos últimos ubicados sobre su propio deflector para así reducir el riesgo de deriva aérea. Los restantes portaboquillas se sitúan en la zona central de la salida de aire, constituida por rejillas giratorias para forzar a la corriente a crear una turbulencia alrededor de la boquilla y ayudar a homogeneizar la nube de gotas.

Figura 1. Pulverizadores con el sistema inteligente de control de pulverización ajustado: para equipo con torre para olivo (izquierda) y equipo multifila para viñedo (derecha).

Para las aplicaciones de producto en viñedo, se ha escogido un atomizador arrastrado multifila Hardi modelo Zaturn (ILEMO-HARDI, Lleida, España). Este equipo presenta un depósito de 1300 L y una turbina centrífuga para la generación de aire. El pulverizador incluye una barra metálica horizontal que está colocada en la zona de atrás del pulverizador. Ello permite la posibilidad de elevar y ajustar, mediante pistones, la altura y separación de seis bajantes verticales para la aplicación posterior de producto a ambos lados de la viña. Este pulverizador puede tratar hasta tres hileras de viñedo al mismo tiempo. Cada bajante está dotado de 6 portaboquillas. Cada boquilla se ubica junto a una salida individual de aire con abertura regulable.

Unidad de control y sensores de seguimiento

El sistema de interpretación de mapas y regulación de caudales está formado por un ordenador (Figura 2), una fuente de alimentación, un dispositivo auxiliar de disipación y salidas eléctricas para conectarse por cable con cada una de las secciones de cada máquina y, de esta manera, controlar el funcionamiento de las válvulas PWM. Además, el ordenador también está dotado con conexiones a sensores de medición. La presión y el caudal están continuamente monitorizados mediante transductores de presión y caudalímetros electrónicos. El sistema incorpora un receptor GPS en base al cual se identifica el punto de la parcela en el que está situado el atomizador y el caudal correspondiente a ese punto indicado en el mapa.

Figura 2. Elementos del sistema de pulverización: ordenador con disipador auxiliar y conexiones (a); interfaz del usuario; y boquilla regulada con válvula PWM (c).

Para las operaciones de campo, el ordenador cuenta con una interfaz táctil, que ofrece la posibilidad de hacer regulaciones con el equipo en posición estática o dinámica. Para las tareas de campo, el ordenador da la posibilidad de ajustar el ancho de calle y seleccionar previamente la parcela a tratar. También expone los datos de presión de trabajo, el caudal y las coordenadas geodésicas de la máquina durante el tratamiento.

Válvulas PWM

Para la regulación del caudal de las boquillas se seleccionaron válvulas solenoides electromecánicas Teejet (Spraying Systems Co., Wheaton, Estados Unidos) (Figura 2). Cada válvula PWM tiene una tuerca, un cuerpo eléctrico y conjunto de tubo con émbolo y un resorte en el interior. Una bobina es estimulada por una carga eléctrica para abrir la válvula, mientras que un resorte la cierra al retirar la carga. La frecuencia de trabajo seleccionada es de 10 Hz, que es una frecuencia habitual en atomizadores [24]. El ordenador fija las pulsaciones de las válvulas ligadas a un ciclo de trabajo específico, que vade de 0 a 100 ms. Cuando el ciclo de trabajo es del 100%, la válvula está completamente abierta, es decir, permanece abierta durante los 100 ms que dura cada intervalo. En ese tiempo, el muelle se retrotrae para permitir el paso continuo de flujo a la boquilla. Por el contrario, un ciclo de trabajo al 0% implica que la válvula está totalmente cerrada en todo ese tiempo.

Método de funcionamiento

Los prototipos desarrollados consisten en la transformación de sendos pulverizadores comerciales, de aplicación de caudal constante, en nuevas tecnologías de caudal variable (VRT). Ello supone convertir las máquinas que aplican un volumen idéntico durante todo el tratamiento en nuevos modelos en los que el volumen es regulado en tiempo real en función de las propiedades (volumen) de las copas de los árboles. La Figura 3 resume todos los pasos a seguir por el prototipo en el proyecto original PIVOS.

Figura 3. Esquema de trabajo del proyecto PIVOS.

Estos nuevos equipos se fundamentan en los resultados recopilados a partir de las imágenes aéreas del cultivo objetivo extraídas con un dron equipado con sensórica. Antes de iniciar los trabajos con los pulverizadores, un dron sobrevuela la zona a tratar tomando datos mediante una cámara multiespectral. Las imágenes se analizan para obtener el índice de vigor NDVI. Después de esto, se filtran los pixeles que corresponden a los olivos o a los viñedos. De esta forma, se eliminan aquellos pixeles que solo pudieran aportar distorsiones (sombras, suelo, etc.) en los posteriores cálculos. A continuación, la imagen de la parcela se interpola, y luego se descartan los pixeles aislados hasta homogeneizar las zonas y formar un nuevo mapa de vigor de vegetación (Figura 4). Para cada zona de vigor se toman una serie de mediciones manuales en términos de diámetro y altura de copa y se hace una estimación de la densidad foliar. Con toda esta información, se determina el volumen de aplicación correspondiente para cada zona de vigor, mediante el uso de herramientas de apoyo a la optimización de volúmenes: Dosaolivar [25] y Dosaviña [26]. Posteriormente, de estos mapas se extraen matrices de puntos, en las cuales cada punto corresponde a una posición exacta del mapa. Cada punto muestra valores específicos de longitud, latitud, cota sobre el nivel del mar y caudal demandado por la vegetación. Este último parámetro es obtenido por el volumen de trabajo en esa zona de vigor, la distancia entre filas y la velocidad de trabajo a la que desee ir el operario.

Figura 4. Proceso de transformación de la ortofoto al mapa final de prescripción de la parcela.

Alternativamente, se ha procedido al muestreo de volúmenes de copa de las plantaciones mediante métodos manuales y LiDAR, así como a la determinación directa de los volúmenes del dosel del cultivo y de sus superficies proyectadas tras un vuelo de UAV equipado con cámara RGB para realizar los correspondientes mapeados. En aquellos casos en los que no se dispone de todos los volúmenes por ser obtenidos mediante muestreo espacial, se han utilizado algoritmos de (co)simulación secuencial estocástica [27], mapas probabilísticos de incertidumbre y posteriores algoritmos de clasificación para zonificar la parcela en clases que corresponden a diferentes dosis de aplicación

El último paso consiste en traspasar el mapa de puntos, con sus caudales por cada punto, al ordenador del atomizador. Cuando éste se localiza en la parcela donde se realizará el tratamiento, el receptor GNSS identifica esta circunstancia y el sistema queda preparado para entender los puntos y asignar el caudal correspondiente, actuando sobre las boquillas controladas por las válvulas PWM. Cuando el atomizador se sale de la parcela marcada, las válvulas se cierran inmediatamente.

Figura 5. Relación entre el proyecto de investigación PIVOS y la prueba de concepto ADOPTA.

La relación entre el proyecto PIVOS y el ADOPTA se basa en que este segundo proyecto busca implantar esta tecnología entre los agricultores involucrados, así como buscar nuevas mejoras, como en la adquisición de imágenes aéreas (Figura 5). Ello supone que los potenciales usuarios puedan reducir la cantidad de productos fitosanitarios mediante la implementación de estos prototipos. Para facilitar esta labor, se introducirá la posibilidad de generar mapas a partir de las imágenes con satélites, más fáciles de obtener que con dron. Los agricultores seleccionados manejarán los equipos, tanto en olivar como en viñedo, durante dos campañas completas, utilizándose, en la primera, las imágenes proporcionadas por el dron y, en la segunda, las obtenidas del satélite (Figura 6). Además, se utilizarán como indicadores del beneficio de los tratamientos realizados con los prototipos, la eficacia biológica y la reducción del consumo de fitosanitario, agua, tiempo y combustible.

Figura 6. Esquema de trabajo del proyecto ADOPTA.

Ensayos de campo

Los primeros experimentos de campo han demostrado que el sistema inteligente ha sido siempre capaz de interpretar los mapas y realizar las modificaciones en el caudal especificadas en el mapa de prescripción, ajustando en todo momento el caudal de líquido generado por cada atomizador. Por ejemplo, en el caso de los viñedos se hicieron dos ensayos con cobre en un cultivo en espaldera, en la zona de DO Penedés, simulando un tratamiento fungicida. En el primero, llevado a cabo en junio, el pulverizador consumió un total de 770 L de mezcla de agua y cobre. Paralelamente, se hizo otra aplicación con el sistema desconectado, como si se tratara de un equipo convencional, sin olvidar los requisitos de las Buenas Prácticas Agrícolas. Para la misma superficie, la máquina consumió 979 L. El segundo periodo de tratamientos fue en julio, donde el prototipo y el sistema de referencia consumieron 903 y 1030 L, respectivamente. Esto supuso un ahorro medio del 17% de caldo fitosanitario (tanto agua como cobre). Si además esto se compara con los tratamientos típicos de la zona (300-350 L/Ha), este ahorro se incrementaría hasta el 40%.

Conclusiones

Finalmente, los proyectos PIVOS y ADOPTA son una buena muestra de las ventajas y los beneficios derivados de una estrecha colaboración entre distintos Grupos de Investigación en los que cada uno aporta la experiencia y el conocimiento de un tema específico. El resultado esperado derivará en la puesta en servicio, para técnicos y agricultores, de herramientas que mejoren la importante tarea de la protección de sus cultivos y les ayuden en el cumplimiento de la nueva reglamentación europea en materia de utilización de productos fitosanitarios.

Agradecimientos

El proyecto PIVOS (PID2019-104289RB) y ADOPTA (PDC2022-133395) han recibido financiación por parte del Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España. Agradecemos el apoyo prestado por Ilemo Hardi S.A.U, Máñez y Lozano Tratamientos Fitosanitarios, Randex Válvulas Ibéricas SL, TeeJet Technologies Europe y a los agricultores vinculados al proyecto.

Referencias

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