Contribución en el área del guiado autónomo de tractores agrícolas basado en la utilización de receptores GPS de bajo costemejora de la estabilidad y de la precisión de estos sistemas mediante el desarrollo de leyes de control asíntoticamente estables y métodos geométricos

Abstract

Los sistemas de guiado autónomo agrícola son sistemas que permiten guiar a un vehículo agrícola por diversas trayectorias predefinidas sin necesidad de intervención del conductor. Durante los últimos 20 años han sido muchos los estudios científicos que se han realizado en este área. La mayor parte de estos trabajos se han centrado en los sensores de posicionamiento y en las leyes de control, puesto que constituyen los bloques de mayor complejidad dentro de los sistemas de guiado autónomo. El sensor de posicionamiento más empleado ha sido el GPS diferencial de fase (RTK-CDGPS). Este sensor tiene la ventaja sobre otros sensores como cámaras, láser, sistemas de radiofrecuencia, etc de proporcionar un posicionamiento absoluto para toda la parcela, con gran precisión, y sin necesidad de balizas o marcas en la parcela. Sin embargo, presenta el problema de tener un alto coste, incrementando de forma significativa el coste total del sistema y limitando su difusión. Por este motivo, en esta tesis se realiza el estudio del guiado con receptores GPS de bajo coste y se desarrollan diversas leyes de control y metodologías para mejorar su adaptación. En primer lugar, se analiza la validez de estos receptores para el guiado agrícola. Para ello, se estudia el error de posicionamiento de este tipo de receptores, el guiado en línea recta y la respuesta escalón de diferentes leyes de control comúnmente utilizadas en la literatura científica (Artículo 1 del compendio). En segundo lugar, se desarrolla una ley de control para el guiado en línea recta y en circunferencia, asintóticamente estable y convergente desde cualquier orientación del vehículo (Artículo 2 del compendio). Finalmente, en tercer lugar, se estudia el posicionamiento de la antena del receptor sobre el tractor y su influencia sobre el guiado y se desarrolla un método geométrico para incrementar la estabilidad, respuesta y tolerancia a ruido de los sistemas de guiado con receptores de bajo coste (Artículo 3 del compendio). Para la realización de los estudios experimentales se ha implementado un sistema para el control de la posición de la dirección de un tractor agrícola. Este sistema consistía en un motor eléctrico unido al volante del tractor mediante una polea, un encoder para la realimentación de la posición de la dirección y la electrónica necesaria para su control. Como resultados, en el primer artículo del compendio se ha obtenido que es posible el guiado autónomo agrícola con receptores de bajo coste hasta velocidades de 9 Km/h, con precisiones relativas totales de 1.25 m y que la mayor parte del error en el guiado se produce como consecuencia del error del receptor. Estas precisiones pueden ser suficientes para algunas tareas agrícolas de gran ancho de trabajo como, por ejemplo, el abonado. En el segundo artículo del compendio se han desarrollado dos leyes de control, una para guiado en línea recta y otra para guiado en circunferencia y se ha demostrado su estabilidad tanto de forma teórica, mediante los criterios de Lyapunov-LaSalle, como de forma experimental, obteniendo precisiones en el guiado de 20 cm. Finalmente, en el tercer artículo del compendio, se ha determinado que colocar la antena del receptor en una posición adelantada en el tractor mejora la respuesta y estabilidad del sistema de guiado y se ha desarrollado un método geométrico para el cálculo del estado del tractor a partir de los datos del receptor. El guiado utilizando este método permite una reducción del error RMS de guiado de 32 a 4.8 cm a una velocidad de 1 m/s con un adelanto del receptor de 5 m.