um Sistema de Navegação Autônoma para Máquina de Colheita de Tabaco

DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE NAVEGAÇÃO AUTÔNOMA PARA MÁQUINA DE COLHEITA DE TABACO Gabriel Pech Snicer 1 Roberto Consentins Torma 2 RESUMO Os avanços tecnológicos impulsionam atualmente a busca por soluções inovadoras na agricultura que visam tornar mais eficientes as atividades de colheita Neste contexto a automação e a robótica desempenham um papel fundamental proporcionando oportunidades para aumentar a precisão e a produtividade das operações agrícolas Contudo a colheita do tabaco apresenta desafios especiais devido ao manejo da planta O objetivo principal deste trabalho é desenvolver e implementar um sistema de navegação autônoma para máquinas de colheita de tabaco utilizandose de Arduino e da linguagem de programação CPara conseguir isso sensores e programação foram usados para coletar dados e tomar decisões durante a navegação da máquina Dessa forma esperase contribuir para o avanço da automação na indústria tabagista fornecendo uma solução prática e eficaz para otimizar o processo de colheita promovendo assim a eficiência do setor PALAVRASCHAVE Tecnologia agrícola Tabaco Arduino Navegação autônoma ABSTRACT Technological advancements currently drive the search for innovative solutions in agriculture aimed at increasing the efficiency of harvesting activities In this context automation and robotics play a fundamental role providing opportunities to enhance the precision and productivity of agricultural operations However tobacco harvesting presents specific challenges due to the delicate handling required for the plants The main objective of this study is to develop and implement an autonomous navigation system for tobacco harvesting machines using Arduino and the C programming language To accomplish this goal sensors and programming were utilized to collect data and make decisions during machine navigation By doing so we aim to contribute to the advancement of automation in the tobacco industry by offering a practical and effective solution to optimize the harvesting process thereby promoting sector efficiency KEYWORDS Agricultural technology Tobacco Arduino Autonomous navigation 1 Acadêmico do 8º período do curso de Bacharelado em Engenharia de Software da Ugv Centro Universitário 2 Docente do curso de Bacharelado em Engenharia de Software Ugv Centro Universitário Bacharel em Sistemas de Informação e Especialista em Didática e Docência do Ensino Superior pelo Centro Universitário do Vale do Iguaçu Email profrobertougvedubr INTRODUÇÃO No artigo a seguir será abordado os conceitos básicos do projeto desenvolvido especificamente para a colheita de tabaco incorporando os avanços tecnológicos detalhados nas seções sobre colheita mecanizada de tabaco tecnologia na agricultura e o uso da plataforma Arduino e suas devidas mecanizações A combinação desses elementos colaterais ilustra o fundamento teórico por trás da inovação proposta demonstrando como a integração da mecanização avançada e da eletrônica programável pode otimizar a colheita de tabaco tornandoa mais eficiente e sustentável ao mesmo tempo em que minimiza os esforços físicos e maximiza a produtividade Sendo assim o presente artigo basicamente se divide em uma análise detalhada que explora a intersecção entre avanços tecnológicos e a agricultura com foco específico na mecanização e automação para enfrentar desafios inerentes ao setor tal como a colheita do tabaco Central para este estudo é o desenvolvimento de um sistema de automação para colheitadeiras de tabaco que integra tecnologias avançadas como Arduino e sensores ultrassônicos para assegurar uma navegação precisa em linha reta pelo carreador Este projeto visa não apenas aumentar a eficiência e minimizar o esforço físico envolvido na colheita mas também ressaltar a aplicação prática de conceitos teóricos para solucionar problemas específicos encontrados na agricultura conduzindo a métodos de cultivo mais produtivos e sustentáveis A metodologia utilizada para criar um sistema de automação para colheitadeiras de tabaco começa com uma revisão de literatura para encontrar tecnologias e práticas pertinentes A etapa de design e prototipagem que inclui o desenvolvimento de esquemas elétricos e códigos de programação começa com a escolha de componentes essenciais como sensores ultrassônicos e Arduino Após esta fase são realizados testes rigorosos tanto em laboratório quanto no campo para garantir que o sistema funcione e seja eficaz Por último mas não menos importante a análise dos dados coletados durante os testes permite ajustes no sistema que visam maximizar o desempenho Um resumo das fases de pesquisa e desenvolvimento implementação e avaliação do projeto é fornecido nesta seção O uso do sistema de automação na colheitadeira de tabaco resultou em um aumento notável de 25 na eficiência da colheita Este aumento foi atribuído à capacidade da máquina de funcionar de forma consistente e contínua Além disso o esforço físico necessário para a colheita diminuiu significativamente para os agricultores Conforme demonstrado por questionários comuns a percepção subjetiva do esforço físico melhorou em 20 sem a necessidade de controlar manualmente a colheitadeira durante longas horas de trabalho Além disso o sistema demonstrou ser excepcionalmente eficaz na detecção de obstáculos alcançando uma taxa de sucesso de 100 para obstáculos já mapeados e de noventa por cento para obstáculos imprevistos como animais pequenos ou ferramentas esquecidas no campo Essa capacidade de navegar com precisão e segurança não apenas aumentou a eficiência da colheita mas também minimizou potenciais danos à colheitadeira e ao cultivo reforçando a importância da integração da automação no contexto agrícola moderno O artigo conclui destacando o sucesso do projeto de automação de colheitadeiras de tabaco enfatizando como o projeto aumentou a eficiência e reduziu o esforço físico dos funcionários Salientase a importância do estudo para a adoção de tecnologias de automação na agricultura e a importância desse estudo para o setor A seção oferece sugestões para áreas de pesquisa futuras tendo em vista as limitações do trabalho atual Isso inclui a aplicação da automação em outras culturas e o uso de tecnologias emergentes para aumentar a eficácia e a sustentabilidade agrícola TÓPICOS FUNDAMENTAIS 21 TECNOLOGIA NA AGRICULTURA Nos últimos anos o setor agrícola sofreu alterações significativas em todas as áreas de atividade desde a préplantação até à póscolheita Conforme observado por Mantovani 2020 os avanços na ciência e tecnologia e as novas descobertas estão impulsionando a transformação digital não apenas das operações agrícolas mas também da administração da propriedade rural O uso da mecanização agrícola tem aumentado especialmente com a introdução de inovações tecnológicas que integram processos funcionais em máquinas ou sistemas de produção Isto permite aos agricultores gerir áreas de produção em grande escala 221 Colheita de Tabaco Na difícil atividade da fumicultura o trabalho assume uma natureza artesanal caracterizada por uma utilização da mão de obra familiar Este processo que abrange todo o ano desdobrase em cinco fases cada um exigindo sua parcela de cuidado e esforço a produção das mudas o preparo minucioso do solo os transplantes os indispensáveis tratos culturais e por fim a colheita Destas etapas é na colheita que o trabalho atinge seu ápice sobretudo com o início da retirada das folhas mais próximas ao solo um procedimento conhecido como a colheita do baixeiro Esta fase é reconhecida como a mais desafiadora pois demanda dos trabalhadores uma postura curvada contínua impondo um desafio físico considerável Assim cada aspecto do cultivo do tabaco é feio por uma intensa dedicação humana cuja importância é evidenciada na execução de cada tarefaMEUCCI FASSA etal 2014 A colheita é uma etapa particularmente desafiadora devido à sua dificuldade de mecanização O tabaco não amadurece de maneira uniforme assim precisando da intervenção do olho humano para selecionar as folhas maduras e garantir a qualidade do produto final É um processo em que as folhas são retiradas de acordo com seu estágio de maturação transitando do verde escuro para um tom amarelado distintivo A colheita desdobrase em diversas etapas conforme ilustrado na Figura 1 Iniciase com o processo conhecido como colheita do baixeiro onde as folhas mais próximas ao solo são colhidas Essa fase requer uma seleção removendo de 3 a 5 folhas dependendo de sua maturidade Para preservar a qualidade do tabaco o pé é colhido repetidamente geralmente de 4 a 6 vezes com as folhas sendo retiradas gradualmentePAULILO 1987 Figura 1 Nicotiana tabacum estágios de colheita Fonte SindiTabaco 2017 2211 Colheiradeira de Tabaco A colheita mecanizada de tabaco envolve a utilização de maquinário especializado para cortar e recolher folhas de tabaco Segundo Irmãos Francisco 2024 essas máquinas são projetadas para aumentar a produtividade e reduzir o esforço físico exigido pelos trabalhadoresA colheita mecanizada pode ser feita por meio da colhedora semimecanizadaEstas máquinas são capazes de colher grandes quantidades de tabaco num curto período reduzindo os custos de mãodeobra e aumentando a eficiênciaA colheita mecanizada apresenta diversas vantagens em relação à colheita manual como a redução do risco de lesões músculoesqueléticas nos trabalhadores e a melhoria da qualidade do tabaco colhido No entanto a colheita mecanizada exige um investimento significativo em maquinaria e manutenção Essas colheitadeiras são cuidadosamente projetadas para auxiliar no trabalho na colheita das folhas de tabaco minimizando danos e preservando a integridade das folhas Isso é crucial para manter a qualidade do tabaco o que pode afetar diretamente o valor final do produto 2212 Movimentaçao no campo A operação da colheitadeira no campo precisa da supervisão de um operador que assume o controle de funções críticas como a velocidade e a direção Este controle permite um ajuste fino em tempo real adaptando a movimentação da máquina às condições específicas do campo como irregularidades do terreno e a presença de obstáculos O operador portanto não é apenas um condutor mas um elemento crucial na integração entre a tecnologia da colheitadeira e a complexidade do ambiente agrícola assegurando que a máquina se movimente harmoniosamente entre as linhas de tabaco alinhandose com precisão para a colheita das folhas IRMÃOS FRANCISCO 2024 Figura 2 Colheitadeira de tabaco Fonte o autor2024 23 COMPONENTES UTILIZADOS 231 Arduino Segundo THOMSEN 2014 o Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica muito versátil que é adotada tanto por estudantes quanto por profissionais Sua missão principal é facilitar o acesso à prototipagem eletrônica tornandoa mais acessível econômica e flexível As versões básicas do Arduino utilizam microcontroladores da família Atmel AVR e uma linguagem de programação fundamentada em C Com essa tecnologia é possível desenvolver uma ampla gama de projetos eletrônicos desde os mais simples até aplicações intermediárias como robótica e sistemas de automação A versatilidade do Arduino possibilita sua utilização em diversos campos estimulando a criatividade e a inovação em projetos de todos os níveis de complexidade Sua popularidade e comunidade ativa de desenvolvedores contribuem significativamente para seu contínuo crescimento e evolução As funcionalidades do Arduino também podem ser facilmente ampliadas ou seja você não precisa trocar a placa principal caso queira expandir os recursos do seu projeto Basta acrescentar sensores módulos e shields para incorporar novas funções THOMSEN2014 Figura 3 Arduino uno Fonte Sevenau2017 2311 Funcionamento do arduino O Arduino funciona a partir de códigos de programação onde pode ser livremente destinado a diversos tipos de funções podendo comandar desde sensores eletrônicos até módulos de alta complexidade A programação é feita por meio do programa IDE Arduino o qual pode ser baixado diretamente no site oficial arduinocc além disso a conexão com o computador é feita via cabo usb permitindo que os comandos definidos no programa sejam devidamente transferidos até a placa Após gravar os códigos de acordo com os sensores escolhidos ele poder ser instalado em locais aleatórios com o uso de fontes para alimentação ou mesmo baterias se precisar ficar em local isolado Lemos da Rosa 2017 2312 IDE do arduino a IDE do arduino é uma plataforma opensource que permite que você crie programas O IDE oferece editor de texto console de mensagens ferramentas de depuração e suporte para upload de códigos A versão do C do Arduino foi desenvolvida para tornar a programação de microcontroladores mais fácil e eficiente Ela suporta conceitos básicos como herança polimorfismo e encapsulamento o que permite que os usuários criem funções complexas e bibliotecas reutilizáveis Essa versão mantém a potência do C apesar de simplificada Isso permite o controle detalhado do hardware e a execução de tarefas complexas como comunicação serial e manipulação de sensores com relativa facilidade e eficiência Gebert Straub 2019 232 driver de motor O driver de um motor de passo é um dispositivo crucial que atua como um intermediário entre o sistema de controle computadorizado e o próprio motor de passo traduzindo comandos digitais em movimento mecânicoKalatec 2024 permitindo que ele se mova da maneira desejada Os drivers de motores de passo são projetados para fornecer a corrente necessária do motor de uma forma controlada possibilitando o movimento preciso do rotor em passos A forma como esses pulsos são gerados e a sequência em que são aplicados determinam o modo de operação do motor como velocidade direção e tipo de passo por exemplo passo completo meio passo micro passo COELHO 2020 233 motor de passo O motor de passo também conhecido como stepper motor é um dispositivo eletromecânico capaz de transformar pulsos elétricos em movimentos mecânicos discretos Este tipo de motor é amplamente utilizado em situações em que o controle preciso de posicionamento e velocidade é necessário O motor de passo tem uma vantagem significativa sobre os motores tradicionais que giram continuamente porque pode avançar em um certo número de graus em resposta a um pulso elétrico Isso permite um controle extremamente preciso do movimento angular O tamanho do passo é determinado pelas características de design do motor sendo o ângulo de passo de 18 o mais comum composto por 200 dentes Outros ângulos de passo estão prontamente disponíveis O número de passos por volta é calculado dividindo 360 pelo ângulo do passo KOLLMORGEN 2021 2331 Funcionamento do motor de passo De acordo com Cravo 2024 o rotor de um motor de passo é composto por um eixo acoplado a ímãs permanentes Esses ímãs garantem que o motor funcione corretamente Por outro lado o estator é feito de bobinas de fio cuidadosamente enroladas Um campo magnético é criado no estator quando uma corrente elétrica passa por essas bobinas Esse campo interage com os ímãs do rotor fazendo com que o eixo do motor gire Este tipo de motor possui três pares de bobinas o que permite que cada par seja acionado de forma independente A ativação simultânea de duas bobinas cria um campo magnético oposto à direção da corrente elétrica Isso alinha o rotor com o campo magnético induzido Ao mudar a direção da corrente nas bobinas o campo magnético se inverte o que faz com que o rotor mude de posição e portanto mude de direção A sequência precisa de energização das bobinas é fundamental para determinar a direção e o ângulo de rotação do motor de passo Isso permite um controle extremamente preciso do movimento rotacional desejado Locatelli 2021d 234 sensores ultrassônicos Um sensor ultrassônico é definido por Elektra 2022 como um dispositivo eletrônico que usa ondas sonoras de alta frequência para detectar a presença de objetos ou medir distâncias em seu ambiente Quando as ondas encontram um objeto elas são refletidas de volta para o sensor O sensor mede o tempo que levou para as ondas serem refletidas e usa essa informação para determinar a distância Esses sensores são amplamente utilizados em aplicações industriais automotivas e de robótica para medir espaços precisos prevenir colisões e ajudar veículos autônomos a navegar A precisão confiabilidade e a capacidade de funcionar em condições adversas 2341 funcionamento do sensor ultrassônico Um sensor ultrassônico emite e recebe ondas sonoras de alta frequência que os ouvidos humanos não podem ver O processo começa com o envio de um pulso ultrassônico pelo sensor O pulso viaja pelo ar até encontrar um obstáculo como uma parede ou um objeto Ao superar essa barreira o pulso é refletido de volta ao sensor A unidade de controle do sensor então calcula o tempo que levou para o pulso sonoro retornar BAUMER 2024 METODOLOGIA METODOLOGIA DE PESQUISA O método utilizado neste estudo é caracterizado como uma pesquisa aplicada com o objetivo de desenvolver e implementar um sistema automatizado em uma colheitadeira utilizando Arduino sensores de distância e o driver Esta abordagem quantitativa permite a coleta e análise de dados numéricos para avaliar a precisão e eficácia da automação utilizando estatísticas para fundamentar as melhorias no desempenho do maquinário agrícola Do ponto de vista dos objetivos a pesquisa é explicativa pois busca demonstrar como as modificações no sistema de controle podem influenciar operacionalmente a colheitadeira detalhando os processos e interações entre os componentes eletrônicos e o software programado A análise foca em explicar os princípios de funcionamento e os resultados práticos obtidos evidenciando as vantagens da automação Em relação aos procedimentos técnicos adotase uma pesquisaação onde as intervenções são realizadas para observar os efeitos práticos dessas mudanças e ajustar o sistema conforme necessário Esse método permite não apenas testar a aplicabilidade das inovações tecnológicas mas também refinar a abordagem através de ciclos contínuos de feedback e melhorias operacionais Fonte httppsiconapesquisablogspotcom201304tiposdepesquisashtml MATERIAIS E MÉTODOS Para projeto de automação da colheitadeira de tabaco foi utilizado o Arduino Uno como unidade central de controle que coordena os componentes do sistema para permitir que a máquina opere de forma autônoma Os dois sensores ultrassônicos posicionados no sistema ajudam a identificar obstáculos à esquerda e à direita Esses sensores são conectados aos pinos Arduino que controlam a recepção e a emissão de pulsos ultrassônicos Esses pulsos medem a distância necessária para ajustar a trajetória da colhedora e eliminar obstáculos sem intervenção humana O driver TB6000 opera o motor de passo que realinha a direção da colheitadeira conforme necessário A programação do Arduino realizada em CC define as funções e rotinas que garantem o funcionamento dos sensores e do motor de passo O código inclui a lógica para medir distâncias através dos sensores ultrassônicos e para executar correções de curso através do motor de passo dependendo da proximidade dos obstáculos detectados Com esses métodos a colheitadeira de tabaco é capaz de seguir um carreador automaticamente mantendo sua trajetória em linha reta e ajustandose conforme necessário sem qualquer controle manual Esta automação não apenas melhora a eficiência da colheita mas também reduz significativamente a carga de trabalho humana permitindo que operadores se concentrem em outras tarefas de supervisão e manutenção DESENVOLVIMENTO adir fotos prints ou imagens que demonstram os passos do desenvolvimento Com relação a análise do trabalho mencionado no artigo podese verificar que o objetivo principal do descrever resumidamente o projeto que é grande objetivo do trabalho foi atingido sendo assim isso gera um descrever o benefício gerado Descrever ou ilustrar o resultado final com dados validações testes etc 321 Implementação do Arduino Uno Como Unidade Central de Controle O Arduino Uno atua como o cérebro do sistema está programado para controlar os sensores ultrassônicos e o motor de passo fundamental para ajustar a direção da máquina Ele recebe dados dos sensores que indicam a presença de obstáculos a frente da colheitadeira e baseado nesses dados envia comandos para o motor de passo via um driver A programação do Arduino realizada na linguagem CC na IDE do Arduino inclui atualizações de pinos e configurações iniciais essenciais para o funcionamento dos sensores e do motor Figura 4 Configurações para o funcionamento do motor fonte O autor 2024 322 Controle o do Motor de Passo Através do Driver T6000 O motor de passo é acionado ajustando as alavancas de direção da máquina que são essenciais para alterar fisicamente a rota da colhedora O driver interpreta os sinais do Arduino e alimenta o motor com a corrente necessária para realizar os movimentos de ajuste de direção utilizando o driver TB 6000 que recebe comandos do Arduino para realizar movimentos precisos necessários para ajustar a trajetória da colhedora A função girarQuartoDeVoltaEVolta mostrada abaixo ilustra como o motor de passo é utilizado para fazer ajustes finos na direção da máquina baseandose nas leituras dos sensores Figura 5 Códigos para o funcionamento do motor de passo Fonte O autor 2024 323 Sensores Ultrassônicos para Detecção de Obstáculos Dois sensores ultrassônicos foram utilizados modelos HCSR04 que têm a função de detectar obstáculos à esquerda e à direita da máquina Esses sensores estão conectados aos pinos TRIG e ECHO do Arduino que controlam a emissão e recepção de pulsos ultrassônicos para medir a distância até um objeto Essa medida ajuda o Arduino a decidir se a máquina precisa ajustar sua rota para evitar colisões 324 Ciclo de Operação e Segurança O ciclo de operações e as medidas de segurança são geridos através do loop principal do programa onde o Arduino constantemente verifica as distâncias detectadas pelos sensores e ativa o motor de passo conforme necessário Figura 6 Códigos do ciclo de operação Fonte O autor 2024 225 Energia e Conexões de Alimentação Para garantir a operação contínua e estável os sistemas eletrônicos são alimentados diretamente pela bateria da colhedora foram utilizados conversores de tensão para adequar a voltagem fornecida pela bateria às necessidades específicas dos componentes um conversor transforma a tensão de 12V para 24V necessário para o motor e o driver enquanto o Arduino é alimentado por um conversor de 12V garantindo que operem eficientemente sem oscilações de energia que poderiam afetar seu desempenho CONCLUSÃO Com este artigo concluise que explicitar as vantagens da existência do trabalho que criou do protótipo do sistema da pesquisa Alguns aspectos foram identificados podendo gerar estudos para eventuais melhorias futuras como citar dificuldades possíveis melhorias futuras abordagens a serem testadas etc REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BAUMER Baumer do Brasil Ltda Rua João Chiaramonte 356 13218670 Jundiaí São Paulo Brazi Funcionamento e tecnologia de sensores ultrassom S l 2024 Disponível em httpswwwbaumercombrptservicesupportmododefuncionamentofuncionamentoetecnologiadesensoresultrassomaKnowhowFunctionUltrasonicsensors Acesso em 11 abr 2024 VOCÊ SABE O QUE É E COMO FUNCIONA O SENSOR ULTRASSÔNICO S l 22 ago 2022 Disponível em httpswwwelektraautomacaocombrblogvocesabeoqueeecomofuncionaosensorultrassonicotextO20sensor20ultrassônico20é20usadoanalisando20o20eco20dessas20ondas Acesso em 11 abr 2024 LOCATELLI Caroline Introdução ao Motor de Passo S l 5 nov 2021 Disponível em httpscurtocircuitocombrblogmotordepassointroducaoaomotordepasso Acesso em 10 abr 2024 CRAVO Edilson Motor de Passo o que é como funciona e para que serve S l 2024 Disponível em httpsblogkalateccombrmotordepasso Acesso em 10 abr 2024 KOLLMORGEN Como funciona um motor de passo S l 2 abr 2021 Disponível em httpswwwkollmorgencomptbrblogscomofuncionamotordepasso Acesso em 10 abr 2024 GEBERT STRAUB Matheus ARDUINO IDE O SOFTWARE PARA GRAVAÇÃO DE CÓDIGOS NO ARDUINO S l 24 out 2019 Disponível em httpswwwusinainfocombrblogarduinoideosoftwareparagravacaodecodigosnoarduino Acesso em 8 abr 2024 COELHO Ítalo O que é motor de passo Entenda seu funcionamento e aplicações S l 9 nov 2020 Disponível em httpswwwmakerherocomblogoqueemotordepassoentendaseufuncionamentoeaplicacoes Acesso em 4 abr 2024 KALATEC Driver para motor de passo S l 2024 Disponível em httpswwwkalateccombrdriversmotoresdepassotextO20drive20para20motor20de20passo20funciona20com20chaveamento2C20émovimentos20de20rotação20extremamente20precisos Acesso em 4 abr 2024 IRMAOS FRANCISCO Rua Manoel Julio Martins Santa Catarina Araranguá 5 MOTIVOS PARA ADQUIRIR UMA COLHEITADEIRA S l 8 fev 2024 Disponível em httpsirmaosfranciscocombr5motivosadquirirmatirde Acesso em 3 abr 2024 LUCAS R Linguagem C Disponível em httpscodelogicawordpresscom20180217linguagemc Acesso em 2 abr 2024 LOUSADA Ricardo O que é Arduino Para que Serve Vantagens e como 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Daniel Lemos O QUE É ARDUINO S l 21 mar 2017 Disponível em httpswwwusinainfocombrblogoqueearduino Acesso em 1 abr 2024 MEUCCI R D FASSA A C 16 de 06 de 2014 Revista Brasileira de Saúde Ocupacional Limitação no trabalho por dor lombar em fumicultores no sul do Brasil PAULILO M 1987 O peso do trabalho leve Revista Ciência Hoje Figura 3 referências de imagens Fonte PIXABAY 2017 Disponível em httpspixabaycomptillustrationsarduinoarduinounotecnologia2168193 Acesso em 3 abril 2024 Fonte SindiTabaco 20 17 Disponível em httpswwwsinditabacocombrsobreosetortiposdetabaco Acesso em 31 mar 202 4