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UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
PROYECTO FIN DE CARRERA
DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DE UN
SISTEMA ELÉCTRICO E HIDRÁULICO
PARA NAVEGACIÓN AUTÓNOMA DE
UN VEHÍCULO AGRÍCOLA
AUTOR: José Miguel Blázquez Jiménez
MADRID, Junio 2008

Autorizada la entrega del proyecto del alumno:
José Miguel Blázquez Jiménez
DIRECTORES DEL PROYECTO
Dra. María C. García-Alegre Sánchez
Doctora en C.C. Físicas
Fdo.: Fecha: 30/06/08
D. Eugenio Villanueva Martínez
Ingeniero Industrial
Fdo.: Fecha: 30/06/08
Vº Bº del Coordinador de Proyectos
Prof. Dr. Ing. D. José Ignacio Linares Hurtado
Fdo.: Fecha: 02/07/08

Memoria
Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI - MEMORIA -

Documento Nº 1, Memoria:
Índice General
pág.
Índice de Figuras ........................................................................................................ I
Índice de Tablas .........................................................................................................V
1.1 Memoria Descriptiva...........................................................................................1
1.2 Cálculos.............................................................................................................112
1.3 Estudio Económico ..........................................................................................159
1.4 Impacto Ambiental ..........................................................................................164
1.5 Anejos................................................................................................................168
1.6 Bibliografía........................................................................................................195

Índice de Figuras I
Índice de Figuras
Figura 1 - Tractor Agria-Hispania 9940 .......................................................................7
Figura 2 - Recolector de Hongos. ...............................................................................13
Figura 3 - Recolector de Crisantemos. .......................................................................13
Figura 4 - Recolector de cítricos y de Cerezas. ..........................................................14
Figura 5 - Robot Recolector de tomates y detalle pinza de agarre. ............................14
Figura 6 - Robot recolector de pepinos y Robot recolector de uvas ..........................15
Figura 7- Recolector de cebollas. ...............................................................................15
Figura 8 - Elementos básicos de un sistema de teleoperación....................................19
Figura 10 - Robot TAMA. ..........................................................................................20
Figura 12 - Sistema de guiado AutoPilot de Trimble. ................................................23
Figura 13 - Tractor desarrollado por NREC trabajando de forma semiautónoma
en campo de naranjos.................................................................................................26
Figura 14 - Sensores y actuadores añadidos al tractor John Deere 6410....................26
Figura 15 - Tractor desarrollado por NREC con capacidad de evitar obstáculos. .....27
Figura 16 - Cortacésped Automático desarrollado por FREC....................................28
Figura 17 - Proyecto SAAPIN....................................................................................29
Figura 18 - Robot AURORA......................................................................................30
Figura 19 - Robot para el tratamiento de hortalizas. ..................................................31
Figura 20 -Vehículo autónomo para arrancar malas hierbas de la universidad
de Halmstad. ..............................................................................................................31
Figura 21 - Tractor ROJO...........................................................................................32
Figura 22 - Tractor comercialAgria-Hispania 9940 y tractor en las instalaciones
del IAI-CSIC ..............................................................................................................36
Figura 23 - Dimensiones tractor. ................................................................................38
Figura 24 -Detalle Giro Tractor. .................................................................................40
Figura 25 -Dirección Asistida y Dirección Hidrostática ..........................................41
Figura 26- Elementos de la dirección hidrostática: ....................................................42

Índice de Figuras II
Figura 28 - Válvula de control de la dirección del sistema Autopilot System
de Trimble...................................................................................................................44
Figura 29 - Detalle de las reducciones de las ruedas donde actúan los frenos de
disco y frenos de disco del tractor Agria-Hispania 9940...........................................45
Figura 30 -Sistema de freno del tractor Agria 9940. ..................................................46
Figura 32 - Sistema de actuación paralelo de pedal de freno y cilindro del
sistema hidráulico. ......................................................................................................48
Figura 33-Accionamiento de tracción hidráulico del embrague y Embrague de
disco de accionamiento de tracción mecánico del tractor Agria 9940 . .....................50
Figura 34 -Sistema hidráulico de accionamiento del embrague y Cilindro receptor
para accionar la lengüeta del diafragma ....................................................................51
Figura 35 - Acelerador de pedal , acelerador de mano y mando del inyector ............52
Figura 36 - Actuador lineal de la gama Junior de la marca "el ero"..........................53
Figura 37 - Enganche tripuntal del tractor Agria 9940...............................................54
Figura 38 - Tirador parada de motor y palanca de corte de inyección .......................56
Figura 39 - Esquema del sistema eléctrico de accionamiento integrable ...................63
Figura40-Esquema del sistema neumático de accionamiento integrable ...................66
Figura 41 -Esquema del sistema hidráulico de accionamiento integrable..................69
Figura 42 -Esquema del circuito con Dirección, Embrague y Freno dependientes
de una bomba y circuito de Aperos en otra. ...............................................................73
Figura 43 - Esquema del circuito con Embrague y Dirección dependientes de
una bomba y Freno y circuito de Aperos en otra........................................................74
Figura 44 -Esquema del circuito con dos bombas en paralelo alimentando al
circuito de la Dirección, del Freno, del Embrague y al circuito de Aperos................75
Figura 45 -Esquema circuito Freno Directo y Freno por Defecto..............................77
Figura 46 - Cilindro hidráulico de la dirección del tractor Agria 9940......................79
Figura 47 - cCilindro hidráulico de elevación de aperos del tractor Agria 9940. ......80
Figura 48 - Cilindro hidráulico de elevación del freno y el embrague del tractor
Agria 9940 . ................................................................................................................81
Figura 49 - Bombas Hidráulicas instaladas en el tractor Agria 9940. ........................82
Figura 50 - Modulación del pulso mediante aplicación de tensión en intervalos
de tiempo variables. ....................................................................................................83

Índice de Figuras III
Figura 51 - Esquema del circuito de Dirección, Freno y Embrague. .........................85
Figura 52 - Bloque hidráulico del circuito de Dirección, Freno y Embrague. ...........86
Figura 53 - Esquema del circuito de Aperos. .............................................................88
Figura 54 - Esquema Eléctrico Automatización Agria 9940......................................93
Figura 55 - Cilindro eléctrico que actúa sobre el acelerador. .....................................93
Figura 56 - Solenoide de parada del motor.................................................................94
Figura 57 - Sección de la electroválvula Bendi de dos posiciones y sección la
electroválvula de dirección de tres posiciones............................................................96
Figura 58- Seta Emergencia, Interruptor conmutador de Modo y pulsadores
de control de aperos ....................................................................................................97
Figura 59 - Cable de actuación sobre el acelerador y sobre la parada del motor. ....101
Figura 60- Mecanismo del sistema de freno.............................................................101
Figura 61 - Mecanismo del sistema de Embrague....................................................102
Figura 62- Salida hidráulica del programa “Automation Studio” en estado de
reposo en modo manual. ...........................................................................................104
Figura 63 - Salida hidráulica del programa “Automation Studio” en modo
manual actuando sobre el volante de dirección. .......................................................105
automático actuando sobre la dirección y sobre el sistema de aperos. .....................106
de automático actuando sobre el cilindro de freno y el cilindro de embrague. .......107
Figura 66 - Montaje y verificación de funcionamiento del sistema hidráulico
en banco de pruebas.................................................................................................108
Figura 67-Tractor DÉDALO tras su automatización................................................110
Figura 70 - Ángulo máximo de giro del tractor. .......................................................116
Figura 71 - Esquema del mecanismo de accionamiento del freno ...........................117
Figura 72-Esquema del mecanismo de accionamiento del embrague ......................119
Figura 73 -Esquema del mecanismo de accionamiento del acelerador ....................120
Figura 74 -Esquema del mecanismo de accionamiento del elevador hidráulico......121
Figura75-Esquema del mecanismo de parada. .........................................................122
Figura 76 -Esquema del mecanismo de accionamiento del freno mediante
actuador lineal...........................................................................................................124

Índice de Figuras IV
Figura 77 - Esquema del mecanismo de accionamiento del embrague
mediante actuador lineal ...........................................................................................126
Figura 78 - Esquema del mecanismo de accionamiento del acelerador
mediante actuador lineal ...........................................................................................127
Figura 79 - Esquema del mecanismo de accionamiento de parada del
motor mediante solenoide.........................................................................................129
Figura 83 - Esquema de los diferentes estados por los que pasa el acumulador. .....145
Figura 84 - Resultado análisis estructural del soporte del cilindro del embrague. ...155
Figura 85 - Resultado análisis estructural de las horquillas de freno y embrague. ..156
Figura 86- Resultado análisis estructural del pedal del freno modificado................157
Figura 87- Resultado análisis estructural del soporte del cilindro de frerno. ...........158
Figura 88 - Resultado análisis estructural del accionador del embrague..................158

Índice de Tablas V
Índice de Tablas
Tabla 1- Medidas del Tractor .....................................................................................38
Tabla 2-Resumen de elementos Sistema Eléctrico.....................................................63
Tabla 3-Resumen de elementos Sistema Neumático..................................................66
Tabla 4-Resumen de elementos Sistema Neumático..................................................69
Tabla 5-Características del motor eléctrico de la dirección......................................123
Tabla 6-Características del actuador lineal eléctrico del freno.................................125
Tabla 7-Características del actuador lineal eléctrico del freno.................................126
Tabla 8-Características del actuador lineal eléctrico del acelerador. .......................128
Tabla 9-Características del actuador lineal eléctrico del elevador de aperos. ..........128
Tabla 10-Características del actuador lineal eléctrico del elevador de aperos .........130
Tabla 11- Resumen de elementos Sistema Eléctrico................................................130
Tabla 12-Características del motor eléctrico de la dirección....................................131
Tabla 13-Características del cilindro de simple efecto del freno. ...........................133
Tabla 14-Características del cilindro de simple efecto del Embrague. ....................134
Tabla 15-Características del cilindro de doble efecto del elevador de aperos..........135
Tabla 16-Características del cilindro neumático del sistema de parada del motor...136
Tabla 17- Resumen de elementos Sistema Neumático.............................................136
Tabla 18-Características del cilindro de simple efecto del freno. ...........................138
Tabla 19-Características del cilindro de simple efecto del Embrague. ....................138
Tabla 20- Resumen de elementos Sistema Neumático.............................................140
Tabla 21- Consumos del sistema de posicionamiento y control...............................150
Tabla 22- Características Al 6061. ...........................................................................155

Memoria Descriptiva 1
1.1 MEMORIA DESCRIPTIVA

1.1 Memoria Descriptiva:
Índice General
Pág.
1.1.1 Descripción general del proyecto ...................................................................4
1.1.1.1 Introducción ..........................................................................................4
1.1.1.2 Objetivos del proyecto ..........................................................................7
1.1.2 Robots agrícolas (Estado del Arte)...............................................................10
1.1.2.1 Manipuladores agrícolas ....................................................................12
1.1.2.2 Robótica móvil en exteriores ..............................................................16
1.1.2.2.1 Sistemas de ayuda al guiado ................................................17
1.1.2.2.2 Sistemas de navegación autónoma.......................................24
1.1.3 Automatización de un vehículo agrícola......................................................35
1.1.3.1 Características generales del vehículo ............................................37
1.1.3.2 Dispositivos sobre los que actuar.....................................................40
1.1.3.2.1 Mandos automatizados.........................................................41
Dirección .................................................................................41
Freno........................................................................................45
Embrague ................................................................................49
Elevación aperos .....................................................................51
Acelerador ...............................................................................53
Parada motor ...........................................................................55
1.1.3.2.2 Mandos que permanecerán con accionamiento manual.......57
Selección de velocidades.........................................................57

Selección de marchas ..............................................................58
Freno de estacionamiento........................................................58
Bloqueo del diferencial delantero y trasero.............................58
Palanca conexión toma de fuerza ...........................................58
1.1.3.2.3 Mandos a eliminar................................................................59
1.1.3.3 Posibles sistemas de actuación .......................................................60
1.1.3.3.1 Sistema eléctrico ..................................................................61
1.1.3.3.2 Sistema neumático ...............................................................64
1.1.3.3.3 Sistema hidráulico................................................................67
1.1.3.4 Sistema de actuación instalado .......................................................71
1.1.3.3.1 Circuito hidráulico ...............................................................72
1.1.3.3.2 Circuito eléctrico..................................................................91
1.1.3.5 Mecanismos de actuación..............................................................100
1.1.4 Validación del sistema y comprobación en banco de pruebas.................103
1.1.5 Conclusiones.................................................................................................109

1.1.1 Descripción general del proyecto
1.1.1.1 Introducción
Una de las aplicaciones más prometedoras del mundo de la robótica es aquella cuyo
objetivo consiste en dotar de autonomía a diferentes vehículos para conseguir un
modo de funcionamiento autónomo1 e “inteligente”, destinado a reducir la
intervención de personal cualificado en tareas repetitivas, arduas o peligrosas para el
ser humano. Cada vez existe una mayor actuación de robots en sectores como la
agricultura, la construcción, la minería o el mantenimiento de instalaciones
submarinas, así como en sectores aeronáuticos, aeroespaciales y militares.
Desde mediados del siglo XX se ha ido incrementando la automatización de
maquinaria con la finalidad principal de realizar de forma autónoma algunas tareas
agrícolas que implican para el operador humano un mayor riesgo o fatiga. Los
campos de estudio de este tipo de maquinaria han tomado dos direcciones. Por un
lado en el desarrollo e implantación de manipuladores para la realización de labores
agrícolas extensivas, como el cosechado, recolección, etc. con la particularidad de
que estos manipuladores deben ir sobre un vehículo con conducción manual.
Por otro lado se han dirigido hacia el diseño de vehículos con mayor grado de
autonomía de forma que cada vez el agricultor adopta más el papel de colaborador,
gestor o supervisor de las tareas. El grado de aceptación de este tipo de vehículos es
reciente, debido principalmente a las limitaciones técnicas que hasta hace unas
1 Que un determinado vehículos sea autónomo implica dotarle de unos sistemas de actuación que nos
permitan gobernarlo, de un sistema sensorial que nos muestre el estado y situación del vehículo, y de
un sistema de procesamiento de dicha información, que analice el estado y el comportamiento del
vehículo, con el propósito de tomar una serie de decisiones referentes al movimiento y actuación de
éste.

décadas no se han podido superar, por lo que su uso se limita en la mayoría de los
casos a sistemas de ayuda al guiado de la conducción y sólo en los últimos años han
empezado a despuntar los primeros resultados experimentales de funcionamiento
autónomo en exterior fruto de la investigación realizada previamente en laboratorios
y en recintos interiores.
Así surge la denominada Agricultura de Precisión, que incluye tecnologías y
prácticas destinadas, entre otras, a minimizar el uso de productos agro-químicos a la
vez que se asegura un control efectivo de plagas, malas hierbas y enfermedades,
suministrando la cantidad de producto adecuado a las distintas zonas del campo de
cultivo. Sin una automatización mínima en el tractor, aplicar herbicida en dosis
variables es una tarea que un agricultor no aborda, debido a la dificultad de atender
simultáneamente a la conducción manual del vehículo y al control de la apertura
selectiva de las distintas válvulas que controlan las secciones de la barra de
fumigación, en función de la cantidad de mala hierba percibida.
Por lo tanto, el relevar al agricultor de la conducción del vehículo agrícola en tareas
repetitivas y tediosas a realizar durante muchas horas, mediante la automatización de
los vehículos agrícolas, plantea una serie de ventajas y campos de aplicación como
pueden ser:
¨ Aumentar la precisión en la conducción de los vehículos logrando una mayor
cobertura del terreno mediante sistemas de guiado que se basan en una medida
sensorial que permite calcular la diferencia entre la trayectoria deseada y la real.
¨ Automatizar labores altamente repetitivas, como es el laboreo en grandes
extensiones de terreno, que se traduce en un aumento de la producción.
¨ Automatizar labores peligrosas basadas en una exposición prolongada de los
operarios a sustancias tóxicas como pesticidas, herbicidas, etc.

¨ Disminución de costes de producción y aumento de la rentabilidad económica de
la explotación.
A pesar de los diferentes beneficios de la automatización de las tareas agrícolas
todavía existen barreras para su desarrollo, como son:
¨ La complejidad de los sistemas electro-mecánicos, que requieren de diseños y
ajustes precisos para suplir a un trabajador especializado.
¨ El factor económico, ya que actualmente sigue siendo costoso la automatización
de los vehículos.
La situación actual de los vehículos agrícolas autónomos se desarrolla
principalmente en el campo de investigación, ya que de estos prototipos ya
desarrollados apenas existe oferta comercial y las que aparecen van dirigidas a la
incorporación de sistemas de ayuda al operario para el guiado del vehículo en tramos
rectilíneos.
Tanto si lo que se pretende es una ayuda a la conducción, una conducción tele-operada,
o bien un funcionamiento autónomo del vehículo, es necesario dotar al
tractor de unos sistemas que nos permitan determinar en cada momento la situación
de los distintos actuadores del vehículo, así como la posición geográfica en la que se
encuentre éste, por lo que se dotará de un sistema de sensores que nos permitan
conocer en todo momento esta información. Ahora bien, tan importante es saber la
situación del vehículo como poder gobernarlo o dirigirlo sin la presencia física del
ser humano, y es en este contexto donde surge el verdadero objetivo de este
proyecto, el desarrollo y optimización de los diferentes sistemas de actuación2 que
permitan el control en la conducción de un vehículo agrícola. Las dificultades
2 Se denomina “sistema de actuación” a todos aquellos dispositivos eléctricos, neumáticos o
hidráulicos que permiten actuar sobre cualquier mando del vehículo, permitiendo su correcta
conducción o utilización.

provienen de que la navegación de laboreo se desarrolla en un entorno al aire libre,
donde el terreno es inconsistente e irregular, las condiciones atmosféricas variables y
adversas, y además pueden aparecer animales, personas u otros vehículos de forma
imprevista, con lo que se necesita de sistemas dotados de dispositivos de seguridad y
protección que garanticen una navegación autónoma y segura.
1.1.1.2 Objetivos del Proyecto
Este documento constituye el desarrollo del Proyecto Fin de Carrera de Ingeniería
Industrial y se enmarca dentro de las líneas de investigación del Instituto de
Automática Industrial (IAI) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas
(CSIC) sobre mecanismos de percepción y control en arquitecturas para la
organización de conocimiento en sistemas complejos con incertidumbre, y en la
automatización de vehículos para labores agrícolas y de jardinería.
Por tanto el objetivo del presente proyecto es el diseño, optimización y construcción
de los diferentes sistemas de actuación, básicamente electro-hidráulicos, para la
conducción automática, en paralelo con el sistema de conducción manual que
dispone actualmente el tractor articulado AGRIA-HISPANIA 9940 para la
realización de tareas de navegación no tripulada.
Se procederá a la automatización de aquellos
elementos imprescindibles para el movimiento
básico del tractor como son tanto la dirección
como el freno y embrague, y se analizará también
la posibilidad de automatizar el acelerador,
sistema de parada del motor y sistema hidráulico
de elevación de aperos. Figura1 -Tractor comercial Agria-Hispania
9940

Los resultados de este proyecto constituyen una aportación a la navegación tele-operada
y no tripulada de un tractor. Con este control de movimientos básicos es
posible el desarrollo de una arquitectura de control guiada por GPS y láser, donde el
operario actuaría como vigilante desde una estación de control, la navegación y el
laboreo de uno o varios tractores.
Este objetivo general puede descomponerse en los siguientes sub-objetivos
específicos:
¨ Profundización sobre sistemas de automatización de labores agrícolas.
Obteniendo la máxima información posible sobre sistemas de automatización de
cualquier tipo de labor agrícola, así como la búsqueda en los distintos fabricantes
de maquinaria agrícola, de experimentos o prototipos de navegación autónoma de
vehículos, con el objetivo de conseguir nuevas ideas y mejoras para la
automatización del vehículo anteriormente citado.
¨ Búsqueda de información sobre vehículos agrícolas, dispositivos hidráulicos,
sensores y sistemas de navegación. Recopilando información técnica y comercial
(potencias, tamaños, costes, características técnicas, condiciones óptimas de
funcionamiento,…) tanto de fabricantes y vehículos agrícolas, como de
fabricantes y productos óleohidráulicos y eléctricos, que nos permitirán el
posterior control del vehículo. Sin olvidar los distintos actuadores y sensores que
sean precisos renovar o modificar para el guiado del mismo.
¨ Diseño y optimización de los sistemas de actuación. Con toda la información
necesaria sobre el vehículo a automatizar, como puede ser fuerzas necesarias de
actuación sobre freno o embrague, características del sistema hidráulico de serie
del mismo, espacios huecos o vacíos donde se podrán colocar los distintos
actuadores para la automatización, etc. Se empezará el dimensionado y
optimización de los sistemas hidráulicos, sin olvidar que puede haber otras
formas de control de los actuadores que no necesiten tanta fuerza como la que

nos proporciona la hidráulica, como puede ser los electroimanes o motores
eléctricos tanto rotativos como lineales. Durante esta etapa se tendrá que tener
especial cuidado en el control y parada del vehículo en situaciones límite,
mediante la seta de emergencia y frente a la falta de suministro tanto hidráulico
como eléctrico por fallo o rotura de algún elemento de control en el sistema de
freno, asegurando siempre la detención del vehículo.
Todo el diseño de los sistemas de actuación para la conducción del vehículo
estará guiado por el criterio de optimización e implementación sobre un tractor
comercial, siempre garantizando la seguridad y sin olvidar que se debe mantener
la conducción automática en paralelo con la manual.
¨ Diseño y análisis de las distintas piezas necesarias para la implementación de los
distintos sistemas. Tras el diseño y montaje del sistema hidráulico en el banco de
pruebas se trasladará al propio vehículo. Para ello es necesario el diseño y
análisis estructural de las piezas necesarias para unir el sistema hidráulico al
tractor. Estas piezas pueden ser los soportes de los cilindros, modificación de los
pedales de embrague y freno para la actuación de los cilindros, soportes de
electroválvulas, soportes para los sensores de control de posición (por ejemplo la
resistencia que marca el estado de giro del tractor),… El diseño de estas piezas
está bajo la condición de comodidad para la conducción manual del operario y
bajo las condiciones de fiabilidad y seguridad en la conducción automática.
¨ Montaje y verificación del funcionamiento sobre extractor comercial Agria-
Hispania 9940, denominado DÉDALO. Una vez comprobado el diseño en el
banco de pruebas y fabricadas las piezas necesarias se procederá al montaje de
todo el conjunto sobre el vehículo.
Finalizado éste, se procederá a verificar el correcto funcionamiento del conjunto bajo
una conducción en modo tele-operado, ya desarrollada por el grupo investigador del
IAI-CSIC.

1.1.2 Estado del Arte, Robots Agrícolas.
En estos párrafos se presenta un breve recorrido de la evolución experimentada por
los robots agrícolas, desde las primeras herramientas o manipuladores agrícolas
hasta los modernos prototipos móviles de exteriores desarrollados hoy en día para
tareas peligrosas, repetitivas o imposibles para el hombre.
Desde tiempos remotos, el hombre ha venido utilizando distintas herramientas para
poder aumentar el alcance de su capacidad de manipulación. En un principio, no se
trataba más que de palos utilizados para hacer caer la fruta madura de un árbol, pero
tras muchos años, y especialmente en el último siglo se han desarrollado dispositivos
de una gran complejidad, capaces de suplir con una gran eficacia la acción del ser
humano [NUÑO04].
Los robots fueron desarrollados inicialmente en el ámbito industrial y su finalidad
era la sustitución del operador humano por un sistema artificial que ejecutara una
tarea física, por lo tanto consistían básicamente en brazos articulados diseñados para
mover herramientas, materiales o piezas. Esto lo realizaban mediante movimientos
que previamente se habían definido y fijados, por lo que se daba una mayor
importancia a la precisión y a la repetibilidad, dejando a un lado la flexibilidad y la
capacidad de adaptación frente situaciones imprevistas.
El desarrollo de los robots móviles responde a la necesidad de ampliar el campo de
aplicación de la robótica, incrementando su grado de autonomía3 no solo limitando
en todo lo posible la intervención humana, sino también concediendo una capacidad
de movimiento.
3 El “grado de autonomía” de un robot móvil se define como la facultad de éste para abstraer el
entorno y convertir la información obtenida en órdenes, de modo que aplicadas sobre los actuadotes se
garantice la realización eficaz de su tarea.

Los primeros robots móviles comenzaron a desarrollarse en la industria a partir de
los años 60, siendo vehículos que estaban guiados por cables bajo el suelo o
mediante sensores ópticos y seguían las líneas trazadas en la planta. Los sistemas de
actuación de estos vehículos eran básicamente motores eléctricos alimentados por
sistemas de electrificación que eran tendidos a lo largo de la planta. Por lo tanto
cambiar la trayectoria de éstos implicaba la modificación de la estructura del entorno
con nuevos tendidos de cables y marcas ópticas.
En los años 70 se empieza a plantear la posibilidad de desarrollar robots con un
mayor grado de autonomía, y en los años 80, debido a la ligera mejora en los
sistemas de almacenamiento eléctrico, avances de automatismos como electro-válvulas
y al desarrollo de los ordenadores, se empiezan a crear robots más
autónomos, que hacen que su labor no se limite únicamente a las fábricas, sino que se
extienda su campo de aplicación a sectores tales como la agricultura, la minería o
sectores militares. Comienza así a aparecer el concepto de vehículo autónomo de
exterior frente a los robots móviles de interior, que hoy en día se emplean en tareas
de transporte, seguridad, limpieza , trabajos submarinos y en labores agrícolas y de
jardinería, que es el ámbito en el que se desarrolla este proyecto [POZO01].
Con el propósito de lograr una presentación clara de los distintos robots que se han
ido desarrollando para realizar labores altamente repetitivas, tediosas y arduas en el
mundo de la agricultura, se han dividido los robots agrícolas en dos tipos atendiendo
a la capacidad de desplazamiento autónomo de los mismos.
En primer lugar se expondrán y describirán los robots manipuladores, que a lo largo
de los años se han centrado principalmente en tareas de recolección en agricultura,
horticultura y jardinería. Por otro lado se expondrán los vehículos móviles de
exteriores con cierto grado de autonomía, donde se analizara las características de
estos robots agrícolas y se clasifican en dos categorías en función del grado de
intervención humana necesaria para su funcionamiento. La primera de estas
categorías engloba a los sistemas de guiado de vehículos agrícolas, y la segunda, se
centra en los sistemas con mayor grado de autonomía.

1.1.2.1 Manipuladores Agrícolas.
En esta sección se describen y analizan brevemente una serie de robots
manipuladores mostrando un especial interés en los sistemas de actuación así como
en los sistemas de sensorización y control. Éstos se encuentran fijos dentro de unas
instalaciones desempañando una determinada función o bien son montados sobre
una bancada móvil que es conducida o guiada de forma manual. Su aplicación
fundamental se centra en la recolección, clasificación en función de tamaño y
calidades, y verificación del estado de madurez y calidad de frutas y hortalizas,
incrementando la productividad reduciendo el coste económico.
Robots fijos:
· Recolector de Hongos. Este robot ha sido desarrollado en la universidad de
Warwick (Reino Unido). Este robot surge para la recolección de setas que son
una cosecha delicada que tiene que ser criada en las condiciones muy
específicas, pudiendo identificar setas en su grado óptimo necesitando poco
espacio o luz para trabajar. Consta básicamente de un robot tipo PUMA al
que se le ha acoplado una pinza neumática que permite la recolección de setas
o cualquier otro tipo de hogo. El sistema se basa en dos cámaras que localizan
la posición del vegetal y mediante un sistema de procesado dirigen al robot
hacia éste realizando su recolección. El movimiento de los distintos motores
eléctricos es controlado por sensores “encoders giratorios” y la posición de la
pinza de recolección se basa en dos sensores fin de carera y en un sensor de
presión que determina el cierre de la pinza en función de la fuerza máxima
que se puede realizar sobre el hongo [WARW06].

Figura 2 - Recolector de Hongos.
· Recolector de Crisantemos. Este robot desarrollado por el Laboratorio
Japonés de Ingeniería Aplicada a los sistemas agrícolas (LASE) está
destinado a la recogida y preparación de crisantemos. Los sistemas de
actuación y sensorización son muy similares al Robot recolector de Hongos
(figura 2), con la salvedad que este incluye un sistema de visión para
detección del entorno [LASE95].
Figura 3 - Recolector de Crisantemos.
Robots de plataforma móvil:
· OPR. Este robot es un recolector de cítricos que ha sido desarrollado en los
laboratorios de la universidad de CATANIA (Italia). Está formado por un
carro que permite el movimiento autónomamente entre las filas de naranjos, y
dos brazos de recolección controlados por sistemas visuales. Cada brazo es

equipado con una cámara para identificar y centrar la fruta. Dentro de los
brazos dos actuadores neumáticos controlan la pinza y las tenazas, que cortan
y depositan la fruta en una bandeja. Los grados de libertad con la que el
manipulador es dotado, permiten a la exploración y la recolección en una
dirección diagonal, mientras el movimiento avanzado del carro avanza a la
siguiente recolección el área [CATA06].
Figura 4 - Recolector de cítricos y de Cerezas.
· Recolector de fresas. Este recolector, ha sido desarrollado en el LASE-Japón
para la recolección de fresas o el transplante de éstas. Es un manipulador
articulado guiado por una cámara monocroma de TV dotada de un filtro para
separar la fresa de las hojas y los tallos por reflectancia espectral. Los
sistemas de actuación son todos ellos mediante motores eléctricos que actúan
sobre sistemas piñón-cremallera o sobre engranajes que mueven las distintas
articulaciones. Incluso la pinza de recolección es controlada mediante un
motor eléctrico tal cual se ve en la figura 5 [LASE04].
Figura 5 - Robot Recolector de tomates (izquierda) y detalle pinza de agarre (derecha).

En esta línea, el laboratorio LASE dispone de un robot recolector de uvas, de
tomates y otro para la recolección de pepinos [LASE04].
Figura 6 - Robot recolector de pepinos (izquierda) y Robot recolector de uvas (derecha).
Recolectora de cebollas. El grupo de tecnología agraria del instituto BRAIN (Japón)
ha desarrollado una máquina automática para cavar, recolectar y transportar cebollas
cultivadas sobre un campo previamente surcado (Figura 7). Esta cosechadora, eleva
la cebolla del suelo, corta la cabeza, separándola de las hojas y deposita la hortaliza
en un contenedor. Los sistemas de actuación son cuchillas, cinta transportadora y
criba accionados todas ellos mediante un motor de encendido provocado a través de
un sistemas de transmisión mecánica [BRAIN02].
Figura 7- Recolector de cebollas.

1.1.2.2 Robótica Móvil en Exteriores.
Los robots descritos en el apartado anterior no poseen capacidad de desplazamiento,
ya que o bien están fijos en un emplazamiento desempeñando una tarea o bien son
movidos en una plata forma móvil que es guiada por un operador. Este apartado se
centra en el análisis de los sistemas móviles de exteriores con una cierta autonomía
en aplicaciones de agricultura, horticultura y jardinería, sistemas sin posicionamiento
fijo, por tanto con capacidad de desplazamiento y decisión sobre ellos mismos. El
concepto de autonomía es gradual, y por ello engloba desde sistemas con habilidad
para seguir trayectorias rectilíneas prefijadas hasta sistemas capaces de detectar y
reaccionar adecuadamente ante obstáculos imprevistos [GARC04].
Es importante resaltar antes de continuar con el desarrollo de estas líneas que en
estos párrafos del proyecto únicamente se pretende hacer una breve revisión de las
investigaciones entorno a los robots móviles de exteriores con el objetivo de obtener
ideas que nos ayuden en la automatización del tractor AGRIA-HISPANIA 9940, por
lo tanto únicamente se mencionarán aquellas investigaciones que hayan aportado un
mayor avance en este sector o aquellas que hayan sido desarrolladas en los
principales laboratorios de investigación.
Dependiendo del grado de autonomía que se pretende conseguir, varían los requisitos
y los sistemas de actuación que se tienen que implementar. Por ello los trabajos
existentes se han dividido en dos grandes grupos:
Sistemas de ayuda al guiado. Son sistemas que ayudan al operador en la
conducción del vehículo ya sea avisándole para el seguimiento preciso de
trayectorias que reducen el estrés asociado a la realización de tareas o bien
evitando que el operador tenga que ir en el puesto de conducción del tractor,
eliminando así que éste esté sometido a algún tipo de peligro.

Sistemas de navegación autónoma. En este caso el objetivo es la
navegación no tripulada capaz de resolver las situaciones previsibles y gran
parte de imprevistos, es en este último aspecto dónde radica el grado de
autonomía. En este caso, el operario podría vigilar, desde una estación de
control, la navegación y el laboreo de uno o varios tractores [STEN02].
Los requisitos para el funcionamiento seguro y eficaz son mucho más exigentes
cuando se trata de navegación sin conductor, que en el caso de sistemas de ayuda al
guiado de un vehículo, ya que en este último caso es el operario quien resuelve las
situaciones imprevistas críticas.
En cualquier vehículo la seguridad constituye un requisito imprescindible para
garantizar la integridad del conductor, vehículo y entorno. De ahí que un vehículo
autónomo debe ser capaz de reaccionar ante posibles colisiones, detectando los
obstáculos imprevistos y actuando de la forma necesaria para solventarlos mientras
busca un objetivo. También debe ser fiable frente a errores o fallos de cualquier
naturaleza ya sea en la señal de guiado, en el sistema de control o en el suministro de
energía en los sistemas de actuación.
1.1.2.2.1 Sistema de ayuda al guiado
El desarrollo de los sistemas de ayuda al guiado en vehículos agrícolas comenzó el la
primera mitad del siglo XX. Desde entonces los sistemas de actuación y sensoriales
han experimentado una gran evolución, existiendo una gran diferencia entre la
tecnología que se utilizaba en los inicios y la actual que permite la reducción del
tiempo de laboreo. Hoy en día, prácticamente todos los sistemas automáticos de
guiado disponen de actuadotes que permiten un control básico sobre la dirección del
vehículo y también de sensores GPS, brújula, cámara de vídeo o láser, que
determinan la situación del tractor. Los sistemas de guiado pueden agruparse en dos
categorías. En la primera, métodos de guiado indirecto, se encuentran aquellos en
los que el operario dirige al tractor de forma teleoperada, por lo que es

imprescindible la implantación de sistemas de actuación sobre dirección, freno y
embrague que permitan controlar el vehículo desde una posición externa al tractor.
En la segunda se encuentran los métodos de guiado directo; en ellos las señales de
guiado proceden de sensores a bordo del vehículo y serán mostradas directamente al
conductor, que será quien actuará sobre los mandos del tractor, por lo tanto en este
tipo de guiado no será necesario la implantación de sistemas de actuación. Estos
últimos se dividen a su vez en dos clases, dependiendo del tipo de información,
global o local, con la que opera el algoritmo de control.
Los sistemas de guiado con información global dirigen al vehículo por una ruta
previamente calculada, basada en un mapa del terreno y en la posición del vehículo
respecto de un marco absoluto de referencia, calculada mediante un receptor GPS,
brújulas o un sistema de balizas.
Los sistemas de guiado con información local se basan en la percepción de marcas
locales, como pueden ser los patrones de la plantación, los surcos entre cultivos o las
plantas individuales. Últimamente se tiende al uso combinado de información tanto
global como local [STEN02].
Método de Guiado Indirecto
El método de guiado indirecto fue desechado en los 80 principalmente por las
dificultades de comunicación entre vehículo y estación de control, pero en la
actualidad está volviendo a cobrar importancia debido a los avances en las
comunicaciones, mayor ancho de banda, que permiten que el usuario remoto
disponga de información completa del entorno. Se han desarrollado multitud de
vehículos destinados a diferentes tareas que son controlados de forma tele-operada
como aplicaciones submarinas, aplicaciones en la industria nuclear, aplicaciones
médicas, aplicaciones militares, etc. quizás el mundo de la teleoperación sea el de
mayor aplicación hoy en día.

La teleoperar consiste en un conjunto de tecnologías que permiten gobernar a
distancia un dispositivo por un ser humano, por lo tanto este dispositivo ha de
permitir a éste ver lo que se encuentra a su alrededor, mediante sensores, y permitir
controlar los movimientos de éste, mediante actuadores. Esta forma de trabajo queda
representada en la figura 8 [NUÑO04].
Figura 8 - Elementos básicos de un sistema de teleoperación.
En la última década se ha desarrollado una gran cantidad de tractores controlados a
distancia, entre otras razones porque la teleoperación es el paso previo a un control
automático, pero debido a las novedades que plantean en sus sistemas de actuación
se van a mostrar únicamente dos.
· Vehículo Teleoperado de Alta Velocidad. Este vehículo ha sido diseñado por
una empresa española como banco de pruebas para ADAS (Advanced
Driving Assistance Systems), presentando como característica principal su
elevada velocidad de desplazamiento. El vehículo está dotado de un
sofisticado sistema de mando y control. La gestión de funciones del vehículo
la realiza un autómata. El mando de las funciones de conducción se realiza
por medio de servoactuadores eléctricos lineales para freno y acelerador, y
motor eléctrico rotativo para la dirección (figura 9).No es necesario la
automatización del embrague por tener un sistema de transmisión automática.
El vehículo teleoperado se maneja desde una unidad de control (figura 9), un
emisor RF, transportado por el operador. Está formada por un joystick doble
(aceleración-frenado, izquierda-derecha) y un ordenador. El sistema de
mando tiene la posibilidad de generar trayectorias y funciones automáticas
previamente programadas en ordenador [SPCS07].

Figura 9 - Vehículo teleoperado de alta velocidad (izquierda), servoactuadores eléctricos (arriba) y
sistema de mando (abajo).
· Robot TAMA (figura 10). Este vehículo agrícola teleoperado se ha
desarrollado en el instituto Brain. Está equipado con dos cámaras para
visualizar tanto la zona frontal como la trasera y lateral del vehículo, y un
sistema de comunicación por radio para enviar datos y recibir las consignas
de control. Los sistemas de actuación de este vehículo son de dos tipos. En
primer lugar se utiliza el sistema hidráulico del tractor para controlar el giro
por medio de electro-válvulas, y en segundo lugar se utilizan servo actuadotes
eléctricos lineales para el control de la velocidad y el freno. El operario
visualiza todas las imágenes y señales en un panel de control, mediante el
cual puede conducir remotamente el tractor [BRAI02].
Figura 10 - Robot TAMA.

En otros trabajos se muestran métodos de guiado remoto por seguimiento directo de
un vehículo maestro conducido por un humano, ya sea mediante unión mecánica o
sin ella [JAHN83]. Utiliza sensores de ultrasonidos situando los emisores en el
vehículo maestro y los receptores en el esclavo. A partir de la medida de cuatro
distancias diferentes calcula la señal de control que necesita el vehículo esclavo para
seguir al maestro.
Método de Guiado Directo
Los métodos de guiado directo son aquellos en los que el operador del vehículo es
informado mediante una serie de señales acústicas, luminosas o a través de una
pantalla de la trayectoria que está siguiendo y cual es la que debería seguir, por lo
tanto no es necesario la implantación de sistemas de actuación que controlen los
mandos del vehículo, excepto algunos productos comerciales que actúan sobre la
dirección hidráulica de los tractores mediante electroválvulas. Para que dicha
información pueda ser mostrada es necesario dotar al tractor únicamente de un
sistema de sensorización, y estos son de dos naturalezas.
Guiado de tractores con sistema de referencia absoluto
En los sistemas de guiado con marco de referencia absoluto la ruta planificada al
inicio se ejecuta sin modificación alguna. Es una aproximación adecuada para
mundos ideales o totalmente estructurados pero no está preparada para responder
ante cambios imprevistos del entorno [STEN02] al disponer únicamente de la
posición absoluta.
Las dos ventajas principales de este tipo de sistemas son: 1) no es necesario
modificar el entorno instalando balizas y 2) el cálculo de la posición es inmediato.
Sin embargo son sistemas de elevado coste, proporcionan las medidas a una
frecuencia baja, sufren pérdidas de la señal por causas muy diversas y en algunas
aplicaciones necesitan un mapa georeferenciado del entorno de trabajo. En estos
casos se navega casi exclusivamente con el sistema de posicionamiento por satélite,

el GPS. Al ser sistemas de ayuda al guiado no contemplan la aparición imprevistos
ya que el operario se encarga de resolverlos [GARC04].
Algunos de los productos comerciales que podemos encontrar son:
El sistema FarmPro. Desarrollado por AutoFarm [INTE06]. Consta de cuatro
receptores GPS, tres en el tractor y otro más en la estación base para el cálculo de
correcciones que incrementen la precisión hasta un valor inferior a la pulgada. Con
los tres receptores GPS a bordo del tractor se obtiene su posición e inclinación lateral
y frontal. En el caso de que el accionamiento de la dirección estuviese automatizado,
se podría abordar un control automático guiado por la localización GPS.
Figura 11 - Sistema FarmPRO de Autofarm.
El sistema AutoPilot. Desarrollado por Trimble [TRIM06], consta de un GPS y un
sistema de control que actúa sobre la dirección Hidráulica del tractor. El agricultor
selecciona en la consola dos puntos que definen el camino rectilíneo por el cual
AutoPilot guía al tractor, basándose en la posición obtenida mediante el GPS. Al
llegar al segundo punto, AutoPilot alerta para que se retorne al modo manual a fin de
realizar el giro. AutoPilot registra en memoria el recorrido efectuado por el tractor,
para evitar repeticiones sobre zonas que ya se han recorrido.

Figura 12 - Sistema de guiado AutoPilot de Trimble. Sensorización y actuadores necesarios de implementar
(derecha).
Guiado de tractores con sistema de referencia local
Los sistemas de guiado basados en información local aprovechan la detección de
estructuras y características del entorno, a fin de localizar de forma relativa el
vehículo y permitir su guiado. Normalmente se basan en la detección de patrones de
plantación, surcos, o en diferencias entre zonas afectadas o no por una operación de
laboreo, para corregir la trayectoria del tractor.
Debido a la reducción del coste de los sistemas sensoriales, los métodos de guiado
que inicialmente utilizaban dispositivos mecánicos para detectar las hileras de
plantas, por ejemplo maíz, han sido sustituidos por otros sensores. Tecnologías que
hace 20 años eran inasequibles por su precio y reducidas prestaciones [Jahns, 1983]
como los sistemas de visión, los ultrasonidos o el láser comienzan a emplearse en la
actualidad. La integración de estos sensores, permite hoy en día ampliar el campo de
aplicación de los sistemas de guiado a cultivos sin necesidad de imponer un contacto
físico sensor-cultivo. Entre los sensores que no requieren contacto físico se
encuentran las cámaras, el láser, los sensores de ultrasonidos y los telémetros; siendo
las cámaras de visión las más difundidas [GARC04].
Guiado de tractores con cámara de visión. A pesar del elevado coste de desarrollo
de las aplicaciones basadas en imagen visual y los problemas asociados a los
cambios de luminosidad y polvo ambiental, las posibilidades de extracción de
conocimiento de las cámaras hacen que éstas sean el sistema sensorial más utilizado
para el control del guiado de un tractor. Por otro lado, el posicionamiento mediante
visión artificial permite aprovechar la estructura en surcos de las plantaciones y
utilizarla para controlar el robot. En esta línea se enmarcan el tractor guiado por
visión de la universidad de la universidad de Hokkaido que ha sido probado con
éxito en campos de espinacas [TORI00].

Guiado de tractores con láser. El dispositivo láser, contrariamente a la cámara, es
independiente de los cambios de luminosidad. Sin embargo no es tan versátil como
una cámara y sólo puede aplicarse para la generación de mapas 2D de profundidad
de las estructuras presentes en el entorno que reflejan el haz de luz. Sí en la
operación de segar, la estructura o patrón de guiado es la diferencia de alturas entre
zona de cultivo cortado y sin cortar. A partir de la detección de este cambio, es
posible alinear el tractor Por la filosofía de ajuste que se sigue únicamente lo utilizan
cosechadoras y segadoras [GARC04].
Un ejemplo de este sistema e s el sistema comercial Laser Pilot de la empresa Claas
[CLAS07] que utiliza un láser para detectar zona cosechada y no cosechada, a fin de
alinear la cosechadora y optimizar el solapamiento entre zonas.
1.1.2.2.2 Sistemas de Navegación Autónoma
La autonomía es un concepto gradual y aunque el objetivo final de la robótica
aplicada a la agricultura el desarrollo de sistemas autónomos para la realización de
las tareas agrícolas, aún estamos lejos de una plataforma comercial autónoma. La
dificultad para reproducir los mecanismos de razonamiento y percepción humanos
provocan que hasta el momento, se han desarrollado únicamente plataformas
semiautónomas económicamente viables sólo en aquellos casos en los que el valor de
producto obtenido deja un margen de beneficio [STEN02].
Por otro lado existe cierta resistencia a la introducción de nuevas prácticas en
cultivos fundamentalmente por el aprendizaje que requiere la utilización de nuevas
tecnologías. Las máquinas semiautónomas implementadas permiten al operario
intervenir sólo en ocasiones excepcionales mientras supervisa la navegación de uno o
varios vehículos. En definitiva, aumentar la autonomía del robot consiste en reducir
el número de situaciones en las que es necesaria la intervención humana; y para ello
se requiere que los sistemas sean fiables y seguros.

El alto grado de repetitividad que muestran la mayoría de las labores agrícolas y la
existencia de un supervisor humano, favorecen la automatización de vehículos
agrícolas con un diseño más conservador, ya que es posible delegar en el operario la
resolución de situaciones imprevistas complejas [GARC04].
A continuación se van a describir brevemente una serie de vehículos agrícolas,
algunos de ellos todavía son prototipos en fase de investigación mientras que otros
pueden encontrarse como accesorio de un tractor comercial. El interés de este breve
análisis es la investigación sobre los distintos sistemas de actuación que permiten
gobernar un tractor en vehículos con cierto grado de autonomía, ya que este es el tipo
de maquinaria agrícola que se pretende llevar a cabo en las instalaciones del IAI-CSIC
con el tractor AGRIA-HISPANIA 9940.
Tractor Autónomo desarrollado por NREC.
Uno de los principales impulsores de la robótica móvil aplicada lo constituye el
grupo NREC (Nacional Robotics Engineering Consortium). NERC es una entidad
dedicada al desarrollo de productos que incorporan tecnologías avanzadas al mundo
de la robótica y está integrada por investigadores de la NASA de la ciudad de
Pittsburg (Pensilvania, Estados Unidos) y la universidad de Carnegie Mellon. Uno de
los últimos y más importantes proyectos que han llevado adelante es un tractor
comercial (John Deere 6410) que ha sido validado en campos de naranjas en Florida
con recorridos de hasta 7 km. El vehículo opera en dos modos, entrenamiento y
semiautónomo. En el primer modo el operario conduce el tractor y graba datos del
recorrido mediante una consola auxiliar. En operación semiautónoma el tractor (o la
flota de tractores) sigue uno de los caminos previamente almacenados, visualizado en
la consola remota del operador (figura 13). Ante un evento inesperado, activa un
mensaje de alarma en la pantalla remota con la información pertinente.

Figura 13 - Tractor desarrollado por NREC trabajando de forma semiautónoma en campo de naranjos.
Para que el tractor pueda funcionar de forma autónoma NREC ha implementado
unos actuadores para controlar el freno, la dirección y el control de la velocidad. La
dirección es simplemente una electroválvula instalada en paralelo con la dirección
del tractor. El sistema de freno diseñado para ser utilizado únicamente en caso de
emergencia es una bomba hidráulica de pequeño caudal que ha sido instalado en
paralelo con el sistema de freno existente en el tractor. La velocidad es controlada
mediante un sistema electrónico que actúa sobre la bomba de inyección del motor
(figura 14).
Figura 14 - Sensores y actuadores añadidos al tractor John Deere 6410

En el 2004 NREC dio un paso más en la mejora del tractor John Deere 6410,
ampliando su grado de autonomía, con el cual ya ante un obstáculo imprevisto no
simplemente se paraba y mandaba una señal de aviso, sino que gracias a una sistema
de procesamiento de la información del sistema de sensorización el tractor es capaz
de sortear el obstáculo y seguir con su labor (figura 15) [WELLI04].
Figura 15 - Tractor desarrollado por NREC con capacidad de evitar obstáculos.
En este mismo camino NREC también ha desarrollado una cosechadora autónoma
que es capaz de realizar su labor en el campo de cultivo y también tiene la capacidad
de detección de obstáculos inesperados. El sistema de control actúa sobre la
dirección, el control de la velocidad y sobre el freno de la misma forma que se
describió en el tractor John Deere 6410, y el sistema de posicionamiento está basado
en un receptor GPS, codificadores de posición de la rueda y giróscopo. Además la
cosechadora está dotada de un sistema de visión con tres módulos: un seguidor de
líneas de cultivo (para la detección del cereal cortado frente al no cortado), un
detector de final de campo y otro de obstáculos. [PILA99]
Segadora Automatizada desarrollada por NREC.
Este vehículo comercial adaptado para ser conducido de forma autónoma ha sido
desarrollado por NREC (Nacional Robotics Engineering Consortium) en
colaboración con la empresa de fabricación de maquinaria para jardinería Toro. El
objetivo era desarrollar un prototipo de cortacéspedes autónomo que pueda ser

usado en el mantenimiento de una cancha de golf, el campo de hierba o en
mantenimiento de jardines (figura 16).
El cortacésped autónomo tiene una detección de obstáculos y un sistema de
localización sumamente fiable, ya que reconoce obstáculos verdaderos, es decir,
puede distinguir objetos tan pequeños como una pelota de golf y distinguirlos de
hierba alta. El sistema de detección de obstáculo incluye un láser que construye un
mapa de 3D del área delante del cortacésped. Este aprende y usa este mapa para
descubrir obstáculos a lo largo del camino ayudado de un sistema de localización por
GPS (el sistema de posicionamiento global) que la hacen muy exacto y fiable. Los
sistemas de actuación de vehículo son servoactuadores eléctricos lineales que actúan
sobre los tirantes de la dirección y sobre el pedal de freno del cortacésped
[STEN02b].
Figura 16 - Cortacésped Automático desarrollado por FREC.
Proyecto SAAPIN.
La automatización de este pequeño vehículo agrícola se ha llevado a cabo en el
Centro de Investigación y Tecnología Agroalimentaria (CITA). Consiste en un robot
automático que determina la salinidad de los suelos agrarios y quita las malas hierbas
mediante un módulo de escarda dotado de cepillos mecánicos sin afectar al cultivo y

sin la utilización de herbicidas (Figura 17). El sistema de actuación permite controlar
en todo momento la dirección y la velocidad mediante servoactuadores eléctricos y la
posición es controlada mediante un sistema de posicionamiento global por GPS
[ARAG07].
Figura 17 - Proyecto SAAPIN.
Robot AURORA.
Se trata de un robot autónomo diseñado específicamente para invernaderos en la
Universidad de Málaga. AURORA consta de una plataforma octogonal móvil cuya
fuente de energía es un generador AC alimentado con gasolina (Figura 18). Su
sistema sensorial está compuesto por diferentes tipos de sensores de ultrasonidos:
digitales de rango corto y medio y analógicos de rango medio. Dispone de
codificadores de posición en las ruedas y cámara de vídeo para facilitar la
supervisión humana. La arquitectura de control consta de cinco niveles, usuario,
supervisor, generador de referencias, ejecutivo y “servo”. El nivel usuario gestiona
las comunicaciones con el usuario local. El nivel supervisor es un controlador
supervisor de secuencia que coordina el comportamiento global del sistema mediante
eventos de comienzo, de espera y temporizadores. El generador de referencias se
compone de un conjunto de comportamientos básicos, donde cada uno de ellos
produce un esquema de movimiento del robot: seguir pared, seguir pasillo, girar,
abrir boquilla, seguridad y avanzar. El ejecutivo controla los sensores internos y los
actuadores, e incluye un módulo para que el usuario pueda conducir manualmente el
robot. Finalmente el nivel “servo” controla la mecatrónica del vehículo. Los
comportamientos de navegación se ejecutan en secuencia, pero de modo concurrente
con el comportamiento de seguridad [MAND96].

Figura 18 - Robot AURORA.
Sembrador de hortalizas desarrollado por SRI.
El objetivo del robot desarrollado en Silsoe Research Institute (SRI) del Reino Unido
es la navegación siguiendo líneas de cultivo para realizar una aplicación selectiva de
productos químicos, tras la detección y segmentación de las malas hierbas frente a
las hortalizas (Figura 19).
El sistema de navegación genera las consignas de guiado a partir de la ubicación de
éste con respecto a las líneas de cultivo, que actúan como los cables guía en
vehículos filoguiados industriales. A partir de la intersección entre las imágenes, de
la información de calibrado de la cámara, de la odometría y la brújula se reconstruye
el mapa del cultivo del que se deducen los parámetros de control. El robot navega de
modo autónomo con precisión entre líneas de cultivo detectando el final de surco y
girando [HAGE99].
El vehículo consta de dos ruedas tractoras con transmisión hidráulica independiente,
por lo que el giro se controla a través de electro-válvulas que actúan sobre los
motores hidráulicos de las dos ruedas de tracción. En este vehículo también se
controla la velocidad por medio del control del acelerador a través de un motor
eléctrico de CC que actúa sobre un sistema piñón-cremallera.

Figura 19 - Robot para el tratamiento de hortalizas.
Vehículo autónomo para arrancar malas hierbas de la universidad de Halmstad
Se ha desarrollado en la universidad de Halmstad (Suecia) un robot móvil para
plantaciones orgánicas de remolacha, donde no es posible el uso de herbicidas. El
robot, figura 20, consta de dos sistemas de visión, uno frontal para guiado del
vehículo por reconocimiento de las líneas de remolachas y otro enfocado hacia el
suelo para distinguir las remolachas frente a las malas hierbas y calcular su posición.
La arquitectura de control está organizada en una capa de control y otra de
aplicación. Esto permite aislar el control de giro y arranque de hierbas de la capa de
aplicación, encargada de tareas de más alto nivel. A pesar de tratarse de un vehículo
autónomo, no incluye ningún mecanismo de detección de obstáculos [ASTR02], ni
se describen el control del giro.
Figura 20 -Vehículo autónomo para arrancar malas hierbas de la universidad de Halmstad.

Robot ROJO.
La automatización de este vehículo cortacésped ha sido realizada por el grupo de
Percepción Activa del IAI-CSIC [GALE01].
El robot ROJO lleva incorporado dos actuadores neumáticos, uno para el control del
ángulo de giro de las ruedas delanteras y otro para el pedal de embrague/freno. Para
poder utilizar estos actuadotes se ha montado en el vehículo un compresor y un
calderín que comparten ambos sistemas de actuación. Las válvulas electro-neumáticas
empleadas en este sistema es un dispositivo todo/nada alimentado a 12V.
El control de las válvulas se realiza mediante una modulación de ancho de pulso
PWM (Pulse Width Modulation). Para ello se aplica a la electroválvula un mismo
voltaje durante diferentes intervalos de tiempo, controlando así el tiempo en el que la
electroválvula está abierta y, por tanto, la entrada de aire al cilindro traduciéndose en
la carrera recorrida. El compresor para la generación del aire comprimido se alimenta
de la energía mecánica procedente del movimiento del motor de encendido
provocado del tractor, de esta forma, siempre que el motor está en marcha el
compresor se encuentra en funcionamiento llenando el calderín de aire comprimido.
Figura 21 - Tractor ROJO.

En esta sección se ha presentado una breve revisión bibliográfica del estado actual de
la robótica aplicada a la agricultura, que pone de manifiesto la importancia de esta
nueva perspectiva de la robótica. Así se ha realizado un recorrido en primer lugar por
los diferentes sistemas de actuación que se utilizan tanto en robots manipuladores
estacionarios como aquellos que son instalados en robots móviles para sistemas de
ayuda al guiado o para navegación autónoma. Y en segundo lugar por los diferentes
sistemas de posicionamiento de vehículos, desde aquellos basados en medidas
internas y en la estimación mediante balizas, hasta los basados en la percepción del
entorno.
En estas condiciones se plantea el reto de implementar los diferentes sistemas de
actuación en el tractor comercial AGRIA-HISPANIA 9940 con el objetivo de
conseguir un vehículo autónomo que facilite y simplifique tareas tediosas e incluso
peligrosas para el hombre en el sector de la agricultura.

1.1.3 Automatización de un Vehículo
Agrícola
Un robot móvil tiene como elemento básico un vehículo que tenga capacidad de
movimiento de forma autónoma o con una cierta ayuda humana, en un
emplazamiento en el que únicamente conoce sus características generales, en la
mayoría de las ocasiones.
El tipo de vehículo a elegir o diseñar dependerá principalmente del entorno en el cual
el robot lleve a cabo su actividad. En aplicaciones terrestres de exteriores se
requieren vehículos que sean capaces de moverse por terrenos irregulares y que su
funcionamiento no se vea afectado por la variabilidad de las condiciones climáticas,
por lo que en la mayoría de las ocasiones se automatizan vehículos comerciales y se
prescinde de diseñar o construir prototipos específicos como ocurre en la mayoría de
los robots de aplicaciones interiores. Para la realización de tareas agrícolas o
navegación en campo abierto se emplean vehículos todo-terrero [REDT05] o
tractores comerciales, ya sean de ruedas o de orugas.
El desarrollo de un sistema de navegación ya sea para conducción teleoperada como
para un funcionamiento autónomo a partir de una plataforma comercial convencional
requiere siempre una larga etapa de diseño e integración de los sistemas de
actuación, percepción, comunicación y control.
Con el objetivo de desarrollar un sistema de actuación para vehículos móviles, de
posible aplicación en labores agrícola, se ha procedido a la automatización en los
talleres del Instituto de Automática Industrial del CSIC, de un tractor agrícola
diseñado y comercializado por la empresa AGRIA HISPANIA, que denominaremos
DÉDALO. Independientemente del tractor utilizado en esta ocasión, los sistemas de
actuación, sensorización y control han sido diseñados para poder ser implementados

como un accesorio extra en cualquier vehículo comercial de las mismas
características.
La automatización de un vehículo implica en primer lugar el diseño e instalación de
unos actuadores que sustituyan a los mecanismos originales de control manual de la
conducción del vehículo, que fueron diseñados para ser accionados por los brazos y
piernas de un operario. La selección del tipo de actuadores a integrar constituye la
primera etapa en el proceso de automatización de cualquier vehículo y va a depender
fundamentalmente de: los controles que se deseen automatizar, las condiciones del
entorno y ambientales, y las características técnicas y funcionales del vehículo. La
siguiente consideración para incrementar la autonomía del sistema es la selección de
una dotación sensorial que le permita conocer su estado interno y el estado del
entorno, con el fin de cerrar los lazos de control de la conducción. En la elección de
los sensores se tienen en cuenta los mismos parámetros que en la elección de los
actuadores, si bien aquí habría que considerar la complejidad de interpretación de la
información suministrada por los sensores [GARC04].
El objetivo de este proyecto únicamente es el desarrollo de los sistemas de actuación
y la sensorización interna de estos actuadores pero siempre teniendo en cuenta el
sistema de procesado de la información, el sistema de comunicación con el operario,
soportado por un buen interfaz hombre-máquina, y el sistema de control borroso que
permitirán el guiado automático del vehículo.

1.1.3.1 Características Generales
El vehículo a automatizar es un tractor agrícola comercial Modelo 9940, diseñado y
comercializado por la empresa española AGRIA-HISPANIA S.A. (Vizcaya). El
vehículo es un tractor agrícola de ruedas de pequeño tamaño que pertenece a la
familia de tractores articulados, cuya principal característica es el sistema de
dirección que al actuar sobre la zona central del vehículo le confiere una gran
maniobrabilidad. Es un tractor ideal para espacios reducidos y aplicaciones
especiales como pequeñas plantaciones, invernaderos, huertos, viveros, viñas e
incluso mantenimiento de jardines (Figura 22).
Figura 22 - Tractor comercial AGRIA-HISPANIA 9940 y tractor en las instalaciones del IAI-CSIC (derecha).
Las especificaciones generales de este vehículo son las siguientes [AGRI00]:
Dispone de un motor diesel refrigerado por aire, de 3 cilindros en línea, con
una cilindrada de 1870[cm3], capaz de desarrollar una potencia máxima de
30.8Kw (42CV) a 3000rpm. Es el modelo 11LD626-3 de la marca
Lombardini [Anejo III].
Alternador síncrono de imanes permanentes, con una tensión de salida de
12.5 V y capaz de proporcionar una corriente de 21A en condiciones de
máxima potencia (3000rpm) [Anejo III].

Dispone de dos bombas hidráulicas de engranajes exteriores con un caudal
fijo de 7.5cm3/rpm y con una presión máxima de trabajo de 200Bar [Anejo
III].
La batería es de 12V con una capacidad de 44Ah y una corriente máxima de
210 A.
El peso de este tractor es de 1.242 kg, y puede lastrase hasta los 1.800 kg.
Dispone de una caja de cambios de 12 velocidades, 8 velocidades hacia
adelante y 4 para atrás. Su velocidad se encuentra entre 1,6km/h hasta
29km/h, con tracción a las cuatro ruedas y doble reducción final también en
las cuatro ruedas.
Su diferencial es doble sobre los dos ejes, con blocaje sobre ambos y
desbloqueo automático.
La dirección es hidrostática y la unidad de dirección es el modelo Orbitol”
de la casa danesa Danfoss [Anejo III].
Los frenos delanteros y traseros son independientes entre sí, actuando sobre
las reducciones de las ruedas. El freno trasero es de disco, con accionamiento
hidráulico.
Su elevador es hidráulico con dos cilindros y tiene capacidad para elevar
aperos de 1.500kg de peso. El enganche es a tres puntos con barra porta-herramientas
normalizada (Categoría 1 N, según la ISO 730).
Dispone de dos tomas de fuerza en la parte trasera. La inferior es
independiente de las velocidades, normalizado con giros de 540 y 1.000 rpm.
La superior está sincronizada con las velocidades. Hay la posibilidad de

acoplar un remolque con tracción, sincronizando en todas ellas las
velocidades.
Las características dimensiónales del vehículo vienen descritas en la Figura 23 y en
la Tabla 1.
Figura 23 - Dimensiones tractor.
Característica Medida [mm]
A 1130
B 3168
C 1110
D 250
E 918
F (máx.) 1020
Tabla 1- Medidas del Tractor.

1.1.3.2 Dispositivos sobre los que actuar
Para llevar acabo este proyecto de navegación autónoma se van a clasificar los
distintos mandos presentes en el vehículo en función de si es conveniente o no la
automatización de éstos para que el tractor pueda desempeñar las distintas labores
agrícolas. Los mandos presentes en el tractor quedan divididos de la siguiente forma:
Mandos automatizados. Se automatizarán aquellos mandos que resultan
imprescindibles para el movimiento básico del tractor siendo éstos la
dirección, el freno, y el embrague, pero también tienen una gran importancia
en el desempaño de las labores agrícolas la automatización de la aceleración,
el control (subida o bajada) de los aperos de labranza y el paro automático del
motor, necesario en algunas situaciones de emergencia. Estas últimas
automatizaciones las dejaremos planteadas como posibles mejoras del robot
para un futuro, y todos los mandos a automatizar tendrán como requisito
fundamental que puedan ser accionados de forma automática y también de
forma convencional.
Mandos que permanecerán manuales. Permanecerán con accionamiento
manual todos aquellos mandos que no son imprescindibles o necesarios en el
desarrollo normal de la actividad agrícola y que únicamente deben ser
accionados en situaciones concretas o bajo cambios de las condiciones de
trabajo del tractor. Estos son: accionamiento de la palanca de velocidades;
accionamiento del sentido de la marcha y selección del tipo de marcha (corta
o larga); bloqueo del diferencial delantero; bloqueo del diferencial trasero;
accionamiento de la palanca de conexión de toma de fuerza; y accionamiento
de la toma hidráulica auxiliar.
Mandos o elementos que se eliminarán. La idea inicial del proyecto no
contempla la eliminación de ningún elemento o mando del vehículo ya que
todos los instalados en éste son imprescindibles para un correcto y completo
funcionamiento del tractor.

1.1.3.2.1 Mandos a Automatizar
A continuación de describen brevemente cada una de los mandos a automatizar
siguiendo el esquema: Cual es la función de dicho mando, las razones de
automatizarlo, tipo de mando instalado en el tractor Agria-Hispania 9940 y
alternativas viables para su automatización.
Dirección
La dirección es el sistema que todo vehículo necesita para seguir diferentes
trayectorias durante su movimiento y esto se logra provocando un giro relativo entre
elementos o partes del tractor. Como ya se ha comentado en la descripción general
del vehículo, el tractor a automatizar es un tractor articulado, por lo tanto consigue
cambiar de dirección provocando un giro relativo entre la parte delantera y trasera
del vehículo, y no mediante el giro de las ruedas delanteras (o traseras) como ocurre
en la mayoría de los vehículos.
Figura 24 -Detalle Giro Tractor.
El proceso de automatizar la dirección es el primer paso para conseguir alguna
autonomía de un vehículo ya que es el mando que más es accionado por el operador
para ceñirse a una trayectoria concreta y no se puede concebir un vehículo autónomo
en el que la dirección no esté automatizada.

Al cambiar de dirección en los vehículos de ruedas, las ruedas directrices rozan con
el suelo al girar sobre su superficie de apoyo. Las fuerzas de rozamiento entre la
superficie del neumático y el suelo son más intensas cuanto más rugoso sea el
neumático y el suelo, y más lentamente avance el vehículo. Estas circunstancias
agravantes se dan en los tractores agrícolas, por lo que si esta resistencia la tuviera
que vencer el conductor, debería hacer un gran esfuerzo muscular. Para solucionar
esta dificultad los vehículos agrícolas montan distintos sistemas de dirección que
facilitan dicha tarea, éstos pueden ser direcciones con reductores mecánicos (la más
antigua y la que requiere mayor esfuerzo), dirección asistida (mantiene una conexión
mecánica e hidráulica entre el volante y el mecanismo de dirección) [ARIAS76] o
como es el caso del tractor que estamos tratando, una dirección hidrostática, Figura
25.
Figura 25 -Dirección Asistida (Izquierda) y Dirección Hidrostática (Derecha).
El tractor Agria 9940 dispone de una dirección hidrostática en la que no se mantiene
ninguna relación mecánica entre el volante y el cilindro que mueve relativamente la
parte delantera y trasera del tractor. La fuerza de accionamiento de la dirección es
conseguida mediante un cilindro hidráulico por lo que no se requiere una gran fuerza
muscular para cambiar la trayectoria. El circuito básico de dirección se compone de
un depósito, una bomba, el cilindro anteriormente mencionado y una unidad de
dirección extremadamente compleja que consigue enviar al cilindro un volumen de

aceite proporcional al ángulo girado por el volante [GILS98]. Esta unidad de
dirección es el modelo “Orbitol” de la casa danesa Danfoss [Anejo III].
Figura26- Elementos de la dirección hidrostática: 1) Depósito, 2) Bomba, 3) Cilindro Hidráulico y 4) unidad de
dirección Orbitol
Automatizar la dirección requiere instalar un actuador que bien actuando sobre el
cilindro hidráulico ya instalado o bien actuando sobre la unidad de dirección haga al
tractor girar. La fuerza o momento necesario para actuar sobre la dirección son las
siguientes [sección 1.2.1]:
Momento necesario para hacer girar la unidad de dirección: 6,6 [Nm].
Fuerza necesaria para mover de forma relativa la parte delantera y trasera del
tractor en condiciones más desfavorables: 19103.8 [N]
Como se puede apreciar, el momento para mover la unidad de dirección es de un
orden de magnitud pequeño, mientras que si reemplazamos el cilindro hidráulico por
otro actuador lineal la fuerza que éste debería de proporcionar es relativamente
grande.
Existen una serie de alternativas y elementos para automatizar la dirección con sus
respectivas ventajas e inconvenientes, pero si tenemos en cuenta las fuerzas
necesarias de accionamiento mencionadas anteriormente, la sencillez del sistema a
instalar, la fiabilidad y el coste económico de éste, el bajo nivel de ruido necesario,
la estética, la necesidad de controlar de forma precisa el giro y que el tractor tiene

que ser conducido de tanto de forma manual como de forma autónoma solamente
serían posibles dos de ellas que se describen brevemente a continuación:
Actuador eléctrico rotativo. Consistiría en actuar sobre la unidad de dirección con
un motor eléctrico, de corriente continua, a través de una correa dentada o un
conjunto de engranajes, Figura27.
Figura27- Sistema de control de dirección mediante motor eléctrico (Izquierda y Arriba) y prototipo diseñado
por John Deere en el sistema AutoTrac(Abajo Derecha).
Actuador hidráulico lineal. Consistiría en aprovechar el cilindro hidráulico
existente y montar en paralelo un sistema hidráulico auxiliar que permita a través de
electro-válvulas controlar la entrada de fluido al cilindro y por tanto el giro de éste,
Figura 28.

Figura 28 - Válvula de control de la dirección del sistema Autopilot System de Trimble (Derecha) y cilindro de
dirección de serie del tractor que utiliza dicho sistema (Izquierda).
Freno
El freno es un sistema que posee todo vehículo, independientemente de su
naturaleza, que le aporta a éste la capacidad de reducir la velocidad de avance, de
detenerse o incluso de mantenerse parado. En función de las tareas que realice el
freno se pueden dividir estos en dos grupos. En primer lugar el freno de
estacionamiento o comúnmente llamado “freno de mano”, si únicamente aporta al
vehículo la capacidad de mantenerse parado. En segundo lugar el freno de servicio,
que permite al operador disminuir la velocidad, pararse o mantenerse parado. Es este
último tipo de freno al que se refiere toda esta sección.
En los coches y camiones, su gran velocidad y la poca resistencia al avance rodando
por carreteras, exige potentes y progresivos frenos en todas las ruedas. Sin embargo,
los tractores, y en especial los de pequeño tamaño como es el tractor Agria 9940, que
caminan despacio sobre el campo, se contiene con más facilidad y la necesidad de
frenado es menor, y por ello sus frenos son más sencillos y con frecuencia sólo en las
ruedas propulsoras o en las traseras.
El proceso de automatizar el sistema de frenos es fundamental para cualquier
vehículo que se pretenda que funcione bajo una navegación autónoma, ya que ante
cualquier imprevisto lo mínimo que puede hacer el vehículo es detenerse y esperar
nuevas órdenes por parte de un operador humano.

El proceso de frenado consiste en una fricción entre la superficie fija contra la
superficie móvil, convirtiéndose la energía mecánica de rotación en energía
absorbida en calor que se disipa por radiación a la atmósfera. En función de cómo se
actúe sobre la parte móvil los frenos se clasifican en frenos de cinta, frenos de
tambor interiores o exteriores, o frenos de disco. Y en función de cómo sea en mando
o modo de actuación sobre dichos frenos estos se clasifican en accionamiento
mecánico, accionamiento neumático o accionamiento hidráulico [ARIAS76].
El tractor Agria 9940 dispone de frenos en las cuatro ruedas, pero sólo los frenos
situados en las dos ruedas traseras son los frenos de servicio, y estos son frenos de
disco accionados de forma hidráulica y para una mayor eficacia están actúan sobre
las reducciones de las ruedas, Figura 29.
Figura 29 - Detalle de las reducciones de las ruedas donde actúan los frenos de disco (Izquierda) y
frenos de disco del tractor AGRIA-HISPANIA 9940 (Derecha).
El circuito básico del freno se compone de un depósito de reserva de líquido de
frenos, de un vástago de empuje que es accionado por el pedal del freno, de un
pistón, de dos discos de freno, de cuatro pastillas de freno, de un cilindro maestro,
dos pinzas de freno para cada una de las ruedas y los latiguillos de conexión, Figura
30.

Figura 30 -Sistema de freno del tractor Agria 9940. 1)Depósito reserva, 2) Vástago , 3)Pistón , 4)Latiguillo,
5)Disco, 6)Pastilla;, )Pistón, 8)Pinza, 9)Cilindro Maestro (Derecha).
Automatizar el sistema de freno requiere instalar un elemento que bien actuando
sobre el propio líquido de frenos, proporcionándole presión, o bien actuando sobre el
pedal de freno existente haga al tractor frenar. La presión o fuerza necesaria para
actuar sobre el sistema de freno son las siguientes [sección 1.2.1]:
Presión hidráulica en el circuito de freno necesaria para detener el tractor en
las condiciones más desfavorables: 55Bar
Fuerza necesaria sobre el cilindro maestro para actuando sobre el pedal de
freno detener el tractor en las condiciones más desfavorables: 1600 N
Existen una serie de alternativas y elementos para automatizar el sistema de frenos
con sus respectivas ventajas e inconvenientes, entre los que destacan:
Actuar sobre el circuito de frenos mediante:
Una bomba hidráulica como la instalada en los sistemas ABS de tal forma
que permita un conducción convencional del tractor y cuando esté funcionando en
modo autónomo pueda ser frenado mediante un impulso eléctrico que activaría dicha
bomba (Figura 31).
Cilindro hidráulico actuando como cilindro maestro. Consistiría en un
cilindro hidráulico de doble efecto de tal manera que una de sus salidas estuviera

conectada al sistema de frenos, mientras que la otra se conectaría al sistema
hidráulico del tractor y sería gobernada por una electroválvula en modo automático y
por el propio pedal en modo manual. Esta solución idealmente no tendría problemas,
sin embargo en la práctica su implantación sería muy complicada debido en primer
lugar a que los cilindros no son perfectos y habría caudales de fuga entre el sistema
hidráulico y el sistema de frenos con los problemas de fiabilidad que esto traería. Y
en segundo lugar la mezcla de líquidos (del freno y del sistema hidráulico) con
distinta viscosidad repercutiría negativamente en la rapidez y esfuerzo del sistema de
frenado, fFigura 31.
Figura 31 - Unidad de regulación hidráulica de un sistema ABS (Izquierda) y Cilindro hidráulico actuando
comocilindro maestro (Derecha).
Instalar un circuito hidráulico que actúe en paralelo al cilindro maestro, de tal
forma que en conducción manual se aplicaría presión mediante el pedal y en
conducción automática la presión sería ejercida por un pistón hidráulico enfrentado,
Figura 32.

Figura 32 - Sistema de actuación paralelo de pedal de freno y cilindro del sistema hidráulico.
Actuar sobre el pedal del freno mediante:
Actuadores eléctricos, neumáticos o hidráulicos instalados con mecanismos
que permitan frenar manualmente tanto en conducción manual como automática.
Este modo de actuación sería el de mayor fiabilidad y sencillez, y únicamente habría
que determinar cual es el sistema de actuación más conveniente.
Es importante resaltar que la función que se le va a dar al freno en el tractor a
automatizar no es disminuir la velocidad, ya que este trabajará a velocidades
reducidas que son las que implican las labores agrícolas, sino frenar en caso de que
haya alguna situación imprevista o de emergencia, por ello se requiere un dispositivo
todo/nada que permita frenar rápidamente el vehículo.
Embrague
El embrague es el sistema que permite transmitir o no la energía mecánica producida
por el motor al sistema de transmisión. El giro del motor llega a las ruedas motrices a
través del embrague, la caja de cambio de velocidades, los mecanismos reductores,
los diferenciales, y el puente delantero o el puente trasero. En tractores como el que
se está automatizando la energía del motor también puede ser conducida a la toma de
fuerza trasera para proporcionar energía a otras máquinas. El embrague se encuentra
en prolongación del cigüeñal intercalado entre el motor y la caja de velocidades, a

quienes separa o acopla según se pise o no el pedal que el conductor manda con su
pie izquierdo.
El proceso de automatizar el embrague tiene una doble finalidad. En primer lugar, no
es más que la continuación de la automatización del freno, ya que si actuamos sobre
el freno pero no lo hacemos sobre el embrague en una situación de emergencia, la
fuerza que tendrá que hacer el freno será la debida a detener la inercia del vehículo y
a detener la energía producida por el motor, necesitando un mayor par de frenado y
produciéndose como resultado el “calado” del motor. La segunda finalidad de
automatizar el embrague es permitir controlar el cambio de velocidades o el sentido
de la marcha en investigaciones futuras sobre el tractor AGRIA-HISPANIA 9940.
Los embragues se pueden clasificar en función de diferentes aspectos. La primera
clasificación los divide en embragues hidráulicos y en embragues de disco, y en
función del tipo de discos pueden ser de monodisco en seco, bidisco seco con mando
único, bidisco con mando separado o multidisco seco o en baño de aceite. Otra
posible clasificación corresponde con la forma de actuación sobre el embrague, y
estos pueden ser de mando mecánico, de mando hidráulico o de mando eléctrico
asistido electrónicamente.

Figura 33 - Accionamiento de tracción hidráulico del embrague (Izquierda) y Embrague de disco de
accionamiento de tracción mecánico del tractor Agria 9940 (derecha).
El tractor Agria 9940 dispone de un embrague monodisco en seco de 10” de
accionamiento mecánico, Figura 33, por lo que la automatización de éste es muy
limitada. Las diferentes alternativas para su automatización pueden ser:
Cambiar el tipo de embrague a un accionamiento hidráulico en el que desaparecería
en mecanismo de tracción mecánico o semi-hidráulico. Su principal ventaja es su
montaje compacto y robusto ya que el cilindro receptor va directamente integrado en
la campana del embrague que acciona la lengüeta del diafragma a través del cojinete
de desembrague interrumpiendo la transmisión del par de giro del embrague, Figura
34 .Este sistema implicaría utilizar sistemas de actuación, para proporcionar presión
al cilindro receptor, como los descritos en la sección destinada a los frenos.

Figura 34 -Sistema hidráulico de accionamiento del embrague (Izquierda) y Cilindro receptor para accionar la
lengüeta del diafragma (Derecha).
Actuar sobre el pedal de embrague por medio de actuadores eléctricos, neumáticos o
hidráulicos instalados con mecanismos que permitan embragar manualmente tanto en
conducción manual como automática. Este modo de actuación sería el de mayor
fiabilidad y sencillez, y únicamente habría que determinar cual es el sistema de
actuación más conveniente.
Automatizar el sistema de embrague requiere instalar un elemento que, actuando
sobre el pedal del embrague o las diferentes partes mecánicas de éste, haga al tractor
embragar y desembragar. La fuerza necesaria para actuar sobre el sistema de
embrague y la velocidad máxima de desembrague para que el tractor no se cale son
las siguientes [sección 1.2.1]:
Momento necesario para desembragar: 73 [Nm]
Velocidad máxima de embrague: Dependerá de la carrera del actuador, pero
el tiempo de embragado deberá ser superior a 5 [s].
Es importante resaltar que la función que se le va a dar al embrague en el tractor
requiere un dispositivo todo/nada que permita embragar rápidamente y desembragar
a una velocidad máxima tal que no se “cale el motor.
Acelerador
El acelerador es el dispositivo que permite controlar la entrada de combustible al
motor a través de los inyectores dando como resultado que el motor incremente o

disminuya su velocidad de giro, lo que se verá traducido en la velocidad de avance
del tractor.
La automatización del acelerador supone dotar al vehículo de una gran autonomía.
En primer lugar podrá variar la velocidad por sí solo si el sistema de navegación lo
que conveniente. En segundo lugar el tractor podrá disminuir su consumo de
combustible ya que cuando no necesite vencer una gran resistencia al avance se
podrá disminuir el régimen de giro del motor, mientras que cuando éste pretenda
subir una cuesta o se encuentre arando tierras muy duras, se podrá subir el régimen
de giro del motor buscando el punto de par máximo. Como última ventaja la
automatización del acelerador supone aprovechar un rango de velocidades de giro del
tractor, lo que permitiría sin automatizar la caja de velocidades, desplazarse a
distintas velocidades por el terreno.
El tractor Agria 9940 dispone de dos mandos que actúan por medio del mismo cable
sobre el acelerador del motor, uno de ellos situado en la zona inferior derecha del
emplazamiento del conductor, para que pueda ser accionado por el pie derecho de
éste, y el otro en el lado derecho de la unidad de dirección, para que pueda ser
accionado por la mano del operario, Figura 35.
Figura 35 - Acelerador de pedal (Izquierda), acelerador de mano (Centro) y mando del inyector (Derecha).

Automatizar el acelerador requiere instalar un actuador que mueva el mando de la
inyección, Figura 35, que la velocidad de éste sea tan reducida que permita el
perfecto control del régimen de giro del motor, y que el sistema tenga una
retroalimentación que permita conocer cuanto está acelerado el motor. La fuerza o
momento necesario para actuar sobre el mando de la inyección es la siguiente
[sección 1.2.1]:
Momento necesario para hacer girar la unidad de inyección: 4.2 [Nm].
Velocidad máxima de actuación: Suponiendo una carrera de 20[mm] la
velocidad tendrá que ser menor de 1.5 [mm/s].
Para el caso de la aceleración las diversas alternativas son complejas y de poca
fiabilidad, por lo que la mejor solución es un actuador lineal eléctrico que es ya
utilizado en la regulación de regímenes de giro de motores diesel de generadores
eléctricos, Figura 36.
Figura 36 - Actuador lineal de la gama Júnior de la marca el ero.
Elevación de Aperos
El sistema de enganche de tres puntos de los aperos hace que estos y el tractor se
unan de forma solidaria formando un solo cuerpo. Esta unión no permanece fija, sino
que permite movimientos para que la posición relativa del apero respecto al tractor se
adapte a las condiciones de trabajo. Los brazos elevadores hacen descender a los
aperos hasta la profundidad de trabajo deseada, varían esa profundidad al cambiar las
condiciones de trabajo y los eleva para desplazarse con facilidad por los caminos o
girar ágilmente en las cabeceras.

La automatización del sistema de elevación de aperos supone conferirle al vehículo
una mayor calidad en los trabajos que sean realizados de forma autónoma, ya que al
igual que cuando el tractor es conducido de forma manual el operario necesita
controlar la profundidad de los surcos, la altura de la siega, etc., y estas mismas
necesidades existen durante el funcionamiento autónomo.
El tractor Agria 9940 dispone de un elevador es hidráulico con dos cilindros y tiene
capacidad para elevar aperos de 1.500kg de peso. El enganche es a tres puntos con
barra porta-herramientas normalizada (Categoría 1 N, según la ISO 730). Este
elevador es controlado por el operario mediante una válvula hidráulica distribuidora,
Figura 37.
Figura 37 -Válvula distribuidora de control de apero (Izquierda) y enganche tripuntal del tractor Agria 9940
(Derecha).
Automatizar el elevador requiere instalar un actuador que mueva el mando de la
válvula distribuidora, o bien un sistema de actuadotes o válvulas que sean capaces de
elevar aperos de hasta 1500kg de peso. Los requisitos necesarios para actuar sobre
los aperos son [sección 1.2.1]:
Fuerza de accionamiento del mando de la válvula distribuidora:10[N]
Fuerza que deben realizar los actuadores lineales para elevar los aperos:
38207.6[N]

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