Conceção e aplicação de um sistema inteligente de pulverização variável para tratamentos fitossanitários em vinhas e olivais - PIVOS e ADOPTA

A utilização correta e sustentável dos produtos fitossanitários continua a ser um dos principais desafios da agricultura. Este aspeto é muito relevante no caso de Espanha, o segundo país da Europa em termos de superfície agrícola e um dos principais consumidores mundiais destes produtos [1]. Além disso, a crescente preocupação social sobre esta questão, juntamente com a pressão agroambiental das políticas europeias, como o Pacto Verde Europeu [2] através da Estratégia “Do Prado ao Prato” [3], obriga a acelerar a procura de novas metodologias de aplicação. Neste caso, há que procurar alternativas mais contundentes, uma vez que a União Europeia estabeleceu o objetivo de reduzir a utilização de produtos fitossanitários para 50% até 2030. Isto tem especial relevância no olival e na vinha, duas das culturas com maior impacto socioeconómico no nosso país. Para alcançar esta meta, é necessário conhecer os principais fatores que influenciam a eficiência dos tratamentos nestas culturas: o vento [4], as propriedades físico-químicas da calda [5], os parâmetros ligados à maquinaria [6] e as características da vegetação [7].

A capacidade de penetração e a cobertura das gotas que saem dos bicos para a copa dependerão da forma, tamanho e densidade da árvore. Quanto maior for a copa e/ou mais espessa for a massa foliar, maior é a possibilidade de retenção das gotas, embora, por outro lado, mais difícil é a penetração das partículas pulverizadas na vegetação. Por essa razão, muitos agricultores costumam selecionar pulverizadores hidráulicos de jato transportado (atomizadores) equipados com um sistema de ar que empurra e direciona as gotas para a copa e agita os ramos e as folhas para facilitar a penetração, criando turbulência para ajudar a homogeneizar a distribuição das partículas. No entanto, muitas vezes opta-se por trabalhar com caudais de ar elevados ou por escolher pulverizadores com ventiladores de grandes proporções para garantir a penetração total do produto entre as folhas.

Ao mesmo tempo, estes pulverizadores trabalham com um volume de aplicação constante que, na maioria dos casos, se baseia mais na própria experiência do técnico ou do agricultor do que nas propostas de adaptação em função das dimensões da vegetação, tal como recomendam as Boas Práticas Agrícolas [8]. Por conseguinte, tendo em conta a elevada variabilidade existente entre as árvores de uma mesma plantação [9], o volume de aplicação constante selecionado e a regulação inadequada do ar, não é possível obter um tratamento correto para os olivais e vinhas em diferentes momentos da campanha, o que provoca aplicações excessivas e uma cobertura desigual sobre as folhas [10]. Tudo isto pode ser agravado se não se utilizar corretamente o equipamento de ventilação [11] ou se as aplicações forem feitas em zonas onde não exista vegetação da copa, o que resulta em perdas desnecessárias de produto.

Para atenuar os problemas anteriores, recorre-se às aplicações de volume variável (VRT), nas quais a máquina está equipada com um sistema inteligente para reconhecer as características da vegetação e, assim, poder aplicar um caudal adequado, aumentando a eficiência dos tratamentos sem reduzir a eficácia biológica [12]. Estes sistemas partem da identificação prévia das características geométricas da copa para onde são dirigidas as gotas numa dose adequada. O perfil do líquido é melhor ajustado à forma e densidade da estrutura arbórea, evitando a utilização de mais produto do que o necessário e reduzindo as perdas fora do objetivo.

A tecnologia VRT pode ser baseada em sensores ou em mapas de prescrição. No primeiro caso, são utilizados os conhecidos sensores de deteção de presença de vegetação arbórea, como os sensores de ultrassons [13] ou os dispositivos laser [14]. No segundo caso, parte-se da obtenção de imagens com sensores de controlo remoto, tais como câmaras a bordo de drones ou os próprios satélites. Esta metodologia demonstrou ser fiável, precisa e acessível [15], permitindo cartografar grandes extensões com alta resolução espacial e a sua posterior utilização para elaborar os mapas. Por fim, o atomizador é equipado com um computador de bordo, que integra a informação dos mapas, permitindo o controlo automatizado do caudal [16-19].

No que diz respeito ao sistema de controlo de fluxo, para que os bicos produzam caudais variáveis, existe o inconveniente de que a modificação baseada nas alterações de pressão requer um tempo de adaptação do regime hidráulico e, além disso, o tamanho da gota pode variar. Em alternativa, existem válvulas de modulação de largura de impulso (PWM) que permitem um controlo mais rápido do fluxo intermitente nos bicos, mantendo-se a pressão de trabalho correspondente [20-23].

O projeto PIVOS (PID2019-104289RB) é um projeto espanhol, financiado pelo Ministério da Ciência e Inovação de Espanha, que concebeu um sistema de pulverização inteligente, com tomada de decisões baseada na leitura de mapas e regulação de caudal com válvulas PWM (www.pivos.upc.edu). Este sistema foi implementado em dois atomizadores comerciais destinados à realização de tratamentos fitossanitários em olival e vinha. A presente comunicação resume o trabalho realizado até à data, bem como as perspetivas de um novo projeto, ADOPTA (PDC2022-133395), derivado do anterior e destinado à prova de conceito dos equipamentos desenvolvidos. Neste projeto, que também conta com o apoio do Ministério da Ciência e Inovação, serão avaliados os benefícios e a capacidade de aplicação destes novos protótipos em colaboração com agricultores e em condições reais de funcionamento.

Tanto o projeto PIVOS (Pulverização inteligente para uma vinha e olival sustentáveis (PIVOS), do concurso de 2019 para projetos de I+D+i do Ministério da Ciência e Inovação, como o projeto ADOPTA (Adoção de novas tecnologias para a redução de produtos fitossanitários - Drones e satélites para aplicação variável em plantações de vinha e olival), do concurso de 2022 para Provas de Conceito do mesmo Ministério, são liderados pelo “Grupo de Investigación de la Unidad de Mecanización Agraria” (https://uma.deab.upc.edu/es) da Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). Este grupo coordena as suas próprias atividades e as de três outros grupos membros de ambos os projetos: o “Laboratorio de Maquinaria Agrícola de la Universidad de Zaragoza (http://lamagri.unizar.es/), o ”Laboratorio de Robótica Agrícola da Universidad Politécnica de Valencia (https://www.agriculturalroboticslab.upv.es/) e o “Grupo AGR 126 'Mecanización y Tecnología Rural' de la Universidad de Córdoba” (http://www.uco.es/).

O coordenador do projeto tem uma vasta experiência nos aspetos relacionados com a aplicação por pulverização em vinhas: ensaios de campo, procedimentos de avaliação de deposição e deriva e desenvolvimentos eletrónicos relacionados com o princípio de aplicação de caudal variável. O subprojeto da Universidade de Córdoba (UCO), liderado por dois investigadores, da UCO e da Universidade de Sevilha (US), respetivamente, é o grupo de investigação de referência em todos os aspetos relacionados com a produção olivícola. Este grupo realizou importantes projetos de investigação e formação, como os de Compra Pública Pré-Comercial (CPP) MECAOLIVAR e INNOLIVAR, com especial ênfase na sua influência e boa colaboração com os intervenientes profissionais pertencentes à indústria do azeite. A Universidade Politécnica de Valência (UPV) contribui com a sua experiência no domínio das tecnologias digitais, como a agricultura de precisão e a robótica agrícola aplicada às culturas arbóreas. Por fim, a Universidade de Saragoça (UNIZAR) realizou numerosas investigações no domínio da assistência de ar nos atomizadores.

No âmbito do projeto PIVOS, a UPC, para além da coordenação, é também responsável pelo desenvolvimento de um protocolo padrão para a construção de mapas de prescrição de aplicação de volumes e pela quantificação dos potenciais benefícios ambientais e económicos. A UCO supervisiona o estabelecimento do procedimento mais adequado para a caraterização inteligente da copa das videiras e das oliveiras, bem como a validação dos equipamentos no terreno. Por seu lado, a UNIZAR encarrega-se do desenvolvimento de um método padrão para elaborar mapas de prescrição de necessidades de assistência de ar. Por último, a UPV ocupa-se da conceção e funcionamento do sistema de atuação inteligente acoplado em pulverizadores convencionais de acordo com mapas de prescrição. Tudo isto evolui com o projeto ADOPTA, onde se realizam tarefas de planificação de campanhas (UCO), geração e aplicação de mapas (UPV), implementação de tecnologias de caudal variável entre os agricultores (UPC) e atividades de divulgação e formação (UNIZAR).

Pulverizadores hidropneumáticos

O protótipo consiste num sistema inteligente de pulverização que pode ser instalado num equipamento atomizador com assistência de ar já existente (Figura 1). Para os tratamentos em olival, o sistema foi instalado num atomizador rebocado Mañez Lozano, modelo Twister S6 (Mañez y Lozano SL, Valência, Espanha). A máquina inclui um depósito com um volume de 1500 L e um ventilador axial, com disposição em torre, como método de assistência de ar. Existem 8 suportes de bicos, com 3 bicos cada um, de cada lado da máquina, estando os dois últimos localizados sobre o seu próprio defletor para assim reduzir o risco de deriva aérea. Os restantes suportes de bicos situam-se na zona central da saída de ar, constituída por grelhas giratórias para forçar a corrente a criar uma turbulência em redor do bico e ajudar a homogeneizar a nuvem de gotas.

Figura 1. Pulverizadores com o sistema inteligente de controlo de pulverização ajustado: para equipamento com torre para olival (esquerda) e equipamento com várias filas para vinha (direita).

Para as aplicações de produto em vinha, foi escolhido um atomizador rebocado de várias filas Hardi, modelo Zaturn (ILEMO-HARDI, Lleida, Espanha). Este equipamento apresenta um depósito de 1300 L e uma turbina centrífuga para a geração de ar. O pulverizador inclui uma barra metálica horizontal que está colocada na parte de trás do mesmo. Este sistema permite a possibilidade de elevar e ajustar através de pistões, a altura e o espaçamento de seis calhas verticais para a posterior aplicação de produto de ambos os lados da vinha. Este pulverizador pode tratar até três fileiras de videiras ao mesmo tempo. Cada calha está equipada com 6 suportes de bicos. Cada bico está localizado junto a uma saída de ar individual com abertura regulável.

Unidade de controlo e sensores de seguimento

O sistema de interpretação de mapas e regulação de caudais é constituído por um computador (Figura 2), uma fonte de alimentação, um dispositivo auxiliar de dissipação e saídas elétricas para se ligar por cabo a cada uma das secções de cada máquina e, desta forma, controlar o funcionamento das válvulas PWM. Além disso, o computador também está equipado com ligações a sensores de medição. A pressão e o caudal são continuamente monitorizados através de transdutores de pressão e caudalímetros eletrónicos. O sistema integra um recetor GPS com base no qual se identifica o ponto da parcela onde se encontra o atomizador e o caudal correspondente a esse ponto indicado no mapa.

Figura 2. Elementos do sistema de pulverização: computador com dissipador auxiliar e ligações (a); interface do utilizador; e bico regulado com válvula PWM (c).

Para as operações de campo, o computador dispõe de uma interface tátil, que oferece a possibilidade de efetuar regulações com o equipamento em posição estática ou dinâmica. Para as tarefas de campo, o computador dá a possibilidade de ajustar a largura da via e de selecionar previamente a parcela a tratar. Também expões os dados de pressão de trabalho, o caudal e as coordenadas geodésicas da máquina durante o tratamento.

Válvulas PWM

Para a regulação do caudal dos bicos foram selecionadas válvulas solenoides eletromecânicas Teejet (Spraying Systems Co., Wheaton, Estados Unidos) (Figura 2). Cada válvula PWM tem uma porca, um corpo elétrico e um conjunto de tubo com êmbolo e uma mola no interior. Uma bobina é estimulada por uma carga elétrica para abrir a válvula, ao passo que uma mola a fecha ao retirar a carga. A frequência de trabalho selecionada é de 10 Hz, que é uma frequência habitual em atomizadores [24]. O computador define as pulsações das válvulas ligadas a um ciclo de trabalho específico, que vai de 0 a 100 ms. Quando o ciclo de trabalho é de 100%, a válvula está totalmente aberta, ou seja, permanece aberta durante os 100 ms de duração de cada intervalo. Durante esse tempo, a mola retrai-se para permitir a passagem contínua de fluxo para o bico. Inversamente, um ciclo de trabalho de 0% implica que a válvula está totalmente fechada durante todo o tempo.

Os protótipos desenvolvidos consistem na transformação de dois pulverizadores comerciais, de aplicação de caudal constante, em novas tecnologias de caudal variável (VRT). Isso implica converter as máquinas que aplicam um volume idêntico durante todo o tratamento em novos modelos nos quais o volume é regulado em tempo real em função das propriedades (volume) das copas das árvores. A Figura 3 resume todos os passos a seguir pelo protótipo no projeto PIVOS original.

Figura 3. Esquema de trabalho do projeto PIVOS.

Estes novos equipamentos baseiam-se nos resultados recolhidos a partir das imagens aéreas da cultura visada, obtidas com um drone equipado com sensores. Antes de iniciar o trabalho com os pulverizadores, um drone sobrevoa a zona a tratar e recolhe dados através de uma câmara multiespetral. As imagens são analisadas para se obter o índice de vigor NDVI. Em seguida, os píxeis correspondentes às oliveiras ou videiras são filtrados. Desta forma, são eliminados os píxeis que apenas poderiam proporcionar distorções (sombras, solo, etc.) nos cálculos posteriores. Em seguida, a imagem da parcela é interpolada, e depois descartam-se os píxeis isolados até homogeneizar as zonas e formar um novo mapa de vigor da vegetação (Figura 4). Para cada zona de vigor, é efetuada uma série de medições manuais em termos de diâmetro e altura da copa e é feita uma estimativa da densidade foliar. Com todas estas informações, o volume de aplicação correspondente é determinado para cada zona de vigor, através da utilização de ferramentas de apoio à otimização de volumes: Dosaolivar [25] e Dosaviña [26]. Posteriormente, a partir destes mapas são extraídas matrizes de pontos, nas quais cada ponto corresponde a uma posição exata do mapa. Cada ponto mostra valores específicos de longitude, latitude, cota sobre o nível do mar e caudal exigido pela vegetação. Este último parâmetro é obtido através do volume de trabalho nessa zona de vigor, da distância entre filas e da velocidade de trabalho a que o operador pretende trabalhar.

Figura 4. Processo de transformação da ortofoto para o mapa final de prescrição da parcela.

Em alternativa, procedeu-se à amostragem de volumes de copas das plantações através de métodos manuais e LiDAR, bem como à determinação direta dos volumes da cobertura da cultura e das suas superfícies projetadas após um voo de UAV equipado com câmara RGB para realizar os mapeamentos correspondentes. Nos casos em que nem todos os volumes estão disponíveis devido ao facto de serem obtidos através de amostragem espacial, foram utilizados algoritmos de (co-)simulação sequencial estocástica [27], mapas probabilísticos de incerteza e posteriores algoritmos de classificação para dividir a parcela em classes correspondentes a diferentes doses de aplicação.

O último passo consiste em transferir o mapa de pontos, com os seus caudais por cada ponto, para o computador do atomizador. Quando este se localiza na parcela onde se vai realizar o tratamento, o recetor GNSS identifica esta circunstância e o sistema fica preparado para entender os pontos e atribuir o caudal correspondente, atuando sobre os bicos controlados pelas válvulas PWM. Quando o atomizador sai da parcela marcada, as válvulas fecham-se imediatamente.

Figura 5. Relação entre o projeto de investigação PIVOS e a prova de conceito ADOPTA.

A relação entre o projeto PIVOS e o ADOPTA baseia-se no facto de este segundo projeto procurar implementar esta tecnologia entre os agricultores envolvidos, bem como procurar novas melhorias, como na aquisição de imagens aéreas (Figura 5). Isto significa que os potenciais utilizadores podem reduzir a quantidade de produtos fitossanitários através da implementação destes protótipos. Para facilitar este trabalho, será introduzida a possibilidade de gerar mapas a partir de imagens de satélite, mais fáceis de obter do que com drone. Os agricultores selecionados utilizarão o equipamento, tanto em olival como em vinha, durante duas campanhas completas, utilizando, na primeira, as imagens proporcionadas pelo drone e, na segunda, as imagens obtidas por satélite (Figura 6). Além disso, a eficácia biológica e a redução do consumo de produtos fitossanitários, água, tempo e combustível serão utilizados como indicadores do benefício dos tratamentos realizados com os protótipos.

Figura 6. Esquema de trabalho do projeto ADOPTA.

As primeiras experiências de campo demonstraram que o sistema inteligente foi sempre capaz de interpretar os mapas e realizar as modificações no caudal especificadas no mapa de prescrição, ajustando a todo o momento o caudal de líquido gerado por cada atomizador. Por exemplo, no caso da vinha, foram efetuados dois ensaios com cobre numa cultura em latada na zona de DO Penedés, simulando um tratamento fungicida. No primeiro, realizado em junho, o pulverizador consumiu um total de 770 L de mistura de água e cobre. Em paralelo, foi efetuada outra aplicação com o sistema desligado, como se fosse um equipamento convencional, sem esquecer os requisitos das Boas Práticas Agrícolas. Para a mesma superfície, a máquina consumiu 979 L. O segundo período de tratamento foi em julho, onde o protótipo e o sistema de referência consumiram 903 e 1030 L, respetivamente. Isto representou uma poupança média de 17% de calda fitossanitária (tanto água como cobre). Se este valor for também comparado com os tratamentos típicos na zona (300-350 l/ha), esta poupança aumentará até 40%.

Este trabalho demonstra a capacidade de desenvolver novas tecnologias que ajudem a cumprir os objetivos estabelecidos pela Europa para a redução de produtos fitossanitários. Os protótipos foram capazes de realizar as atividades previstas no terreno, com a consequente poupança de água e de produto.

Por fim, os projetos PIVOS e ADOPTA são uma boa amostra das vantagens e dos benefícios decorrentes de uma estreita colaboração entre diferentes grupos de investigação, nos quais cada um proporciona a experiência e o conhecimento de um tema específico. O resultado esperado derivará na colocação em funcionamento, para técnicos e agricultores, de ferramentas que melhorem a importante tarefa de proteção das respetivas culturas e os ajudem a cumprir as nova regulamentação europeia em matéria de utilização de produtos fitossanitários.

Agradecimentos

O projeto PIVOS (PID2019-104289RB) e ADOPTA (PDC2022-133395) receberam financiamento por parte do Ministério da Ciência e Inovação do Governo de Espanha. Agradecemos o apoio prestado pela Ilemo Hardi S.A.U, Máñez y Lozano Tratamientos Fitosanitarios, Randex Válvulas Ibéricas SL, TeeJet Technologies Europe e aos agricultores envolvidos no projeto.

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