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INSTITUTO FEDERAL GOIANO
CAMPUS URUTAÍ
LAERTE MENDONÇA NETO
Sistema Multi-operacional de Acionamento Remoto Acoplável a
Veículo Aéreo Não Tripulado
URUTAÍ, GOIÁS
2020
2
LAERTE MENDONÇA NETO
Sistema Multi-operacional de Acionamento Remoto Acoplável a
Veículo Aéreo Não Tripulado
Monografia apresentada ao
IF Goiano Campus Urutaí
como parte das exigências do
Curso de Graduação em
Engenharia Agrícola para
obtenção do título de
Bacharel em Engenharia
Agrícola.
Orientador: Marco Antonio
Moreira de Freitas
URUTAÍ - GOIÁS
2020
3
4
5
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a minha mãe Maria
Angélica Alvim Guerra e ao meu pai Laerte
Henrique Mendonça, que mesmo em frente as
dificuldades sempre se esforçaram para colocar
meus estudos como uma prioridade, investindo
e acreditando em meu potencial.
A meu avô Hugo Parreira Guerra (in
memorian), grande incentivador e conselheiro,
um espelho para minha vida, certamente estaria
orgulhoso e achando formidável a conclusão
desta etapa.
6
AGRADECIMENTOS
Sou grato a Deus pela vida que tenho e pelos caminhos em que me guia. Gratidão a todos
meus familiares, especialmente meus pais Maria Angélica Alvim Guerra e Laerte
Henrique Mendonça, pois jamais hesitaram em me auxiliar nesta jornada acadêmica. Até
chegar ao ensino superior passei pelos ensinamentos de diversas professoras e
professores, deixo aqui meus sinceros agradecimentos por todo o conhecimento a mim
passado, com tanto carinho e dedicação, se não fossem vocês, jamais teria a capacidade
de estar escrevendo estas palavras em uma conclusão de curso. Agradeço ao professor
Dr. Marco Antonio Moreira de Freitas, além de orientador passou a ser um grande amigo,
sempre se dispôs a me ajudar nas questões técnicas e com conselhos, palavras amigas,
cruciais para meu crescimento profissional e pessoal. Agradecimento ao professor
Beethoven Gabriel Xavier Alves, um amigo e grande contribuinte para a elaboração deste
projeto. Obrigado a todos os servidores e funcionários do IFGoiano, vocês desempenham
um papel muito importante na minha vida e na de todos os discentes desta instituição.
Minha gratidão aos meus amigos e colegas, especialmente ao Higor Rezende Guimarães
e a Juliana Carla Carvalho dos Santos, pessoas que sempre me apoiaram e deram força
para concluir esta graduação.
7
“O desenvolvimento progressivo do homem
é vitalmente dependente da invenção.”
(Nikola Tesla)
8
SUMÁRIO
RESUMO ..................................................................................................................... 9
ABSTRACT ............................................................................................................... 10
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 11
2. JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA ....................................................................... 13
3. MATERIAL E MÉTODOS ..................................................................................... 16
BUSCAS TEXTUAIS ............................................................................................. 16
MODELAGEM DO PROJETO............................................................................... 20
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO ..................................................... 21
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................. 29
5. CONCLUSÕES ...................................................................................................... 30
6. REFERÊNCIAS ...................................................................................................... 30
Anexos........................................................................................................................ 32
9
Sistema Multi-operacional de Acionamento Remoto Acoplável a
Veículo Aéreo Não Tripulado
Laerte Mendonça Neto¹, Marco Antônio Moreira de Freitas²
RESUMO
O presente projeto trata de um sistema multi-operacional de acionamento remoto
acoplável a veículo aéreo não tripulado (Fig 2) composto por uma plataforma superior de
avaliação (Fig 3), um implemento de condutividade elétrica (Fig 4), um implemento de
coleta (Fig 5) e ou a combinação destes (Fig 6d). Seu campo de atuação é o agrícola e
ambiental, envolvendo áreas como lavoura, floresta, pastagem, barragens, contaminações
e/ou construções. A invenção pode ser utilizada para coleta de amostras e ou para análise
preferencialmente de solo, fluidos, animais, vegetação, maquinários e ou construções.
Palavras-chave: Drone; Solo; Análise.
10
Multi-operational Remote Activation System Dockable to
Unmanned Aerial Vehicle
Laerte Mendonça Neto¹, Marco Antônio Moreira de Freitas²
ABSTRACT
The present project deals with a multi-operational remote activation system that
can be connected to an unmanned aerial vehicle (Fig 2), consisting of an upper evaluation
platform (Fig 3), an electrical conductivity implement (Fig 4), a collection implement
(Fig 5) and or the combination of these (Fig 6d). Its field of action is agricultural and
environmental, involving areas such as crops, forests, pastures, dams, contamination and
and/or constructions. The invention can be used for collecting samples and or for
preferential analysis of soil, fluids, animals, vegetation, machinery and or constructions.
Keywords: Drone; Soil; Analyze.
11
1. INTRODUÇÃO
No espaço da agricultura e pecuária, a aplicação dos veículos aéreos não
tripulados (VANTs), bem como em outros setores se faz cada vez mais presente. No setor
agrícola, essa prática denomina-se de “agricultura de precisão (AP)” (CHIARELLO.
2017), que segundo Machado, et al. (2017), é uma forma de gerenciar o cultivo desde o
plantio até a colheita, podendo ou não ser utilizada tecnologias de ponta. Obviamente,
com essa tecnologia, haverá maiores possibilidade de controle do cultivo e qualidade do
produto final trazendo melhores resultados para o agronegócio e diminuindo os impactos
ambientais. A AP está em crescimento no Brasil, assim, o surgimento de novas
tecnologias ganha força e investimentos da agricultura, pois as tecnologias vêm para
reduzir custos e a proporcionar a sustentabilidade das lavouras (MOLIN; AMARAL;
COLAÇO, 2015).
De acordo com Artuzo, et al (2017), a modernização da agricultura foi
fundamental para suprir o aumento da demanda de commodities mundialmente. Esse
aumento ocorreu com as inovações tecnológicas das máquinas e equipamentos agrícolas
que modificaram o modo de produção e, consequentemente, contribuíram na otimização
do uso dos recursos produtivos.
Silva, et al (2016) escreveu que a tendência do mercado é de uma rápida evolução
tecnológica e redução gradual de custos, o que irá garantir a viabilidade técnica e
econômica da utilização destas tecnologias num curto espaço de tempo. Nas
considerações finais de seu trabalho afirma que a partir de uma análise comparativa
baseada em dois levantamentos elaborados pela Área de Economia Rural da Embrapa
Soja, que é possível se obter uma relação custo-benefício favorável ao usuário interessado
em adotar a agricultura de precisão. Com base nos dados apresentados, os resultados
analisados sugerem aumento da renda líquida com o uso da agricultura de precisão.
Dentro da agricultura de precisão este projeto tem o intuito de aprimorar, através
do uso de veículos aéreos não tripulados (VANTs), o processo de amostragem do solo,
indispensável para a criação dos mapas de fertilidades, sendo a base da agricultura de
precisão à taxa variável de fertilizantes (ATV), que segundo Artuzo, et. al. (2017), foi
uma das inovações que modificou os resultados e ampliou as etapas no processo
produtivo. Os resultados mostraram que a adoção da ATV na produção de soja e milho
reduziu o impacto ambiental negativo, pelo menor uso de fertilizante agrícola, em função
da estimativa para a necessidade real da área a ser aplicada. Além disso, com a redução
12
nos custos de aquisição de fertilizantes agrícolas e aumento na produção, o processo
produtivo se tornou eficiente economicamente, ou seja, reduziu os custos econômicos.
Ao caracterizar um solo é, frequentemente, imprescindível a retirada de amostras.
Essas amostras devem representar com a melhor acurácia possível o material original do
solo em estudo. Dependendo do objeto, as amostras podem ser obtidas por diferentes
métodos de amostragem. Na determinação de características químicas e de algumas
propriedades físicas do solo, como o teor de água, a granulometria, a massa específica de
partículas, entre outras, é possível utilizar amostras deformadas ( SILVA, et al. 2014).
Um dos requisitos básicos para a correta recomendação de adubação do solo é a
coleta de amostras que devem representar adequadamente a área considerada
(BERNARDI, AC de C. et al. 2003). Segundo Guarçoni, et al. (2017) devido à elevada
variabilidade de determinadas características químicas, a amostragem de solo é uma das
mais importantes fontes de erro em um programa de correção e adubação. No geral, a
produção agrícola brasileira depende do uso de corretivos do solo e do fornecimento de
nutrientes por meio das adubações minerais e/ou orgânicas. As baixas taxas de eficiência
de utilização de nutrientes precisam ser melhoradas. Necessita-se avançar ainda na
questão da amostragem de solo. (DE CAMPOS BERNARDI, Alberto C. et al. 2017).
Os VANTs, na agricultura brasileira, agregam-se a mais uma tecnologia
atualizada, ou como um instrumento que busca facilitar a prática no campo, ou para que
se efetive uma melhor produção. Isso se traduz em análise precisa da plantação para
detectar pragas e doenças, possíveis falhas de plantio, excesso de irrigação, reais
condições de semeadura, maior pulverização, contagem acurada do rebanho, localização
de animais perdidos, telemetria, verificação de áreas quando em situações de incêndio
(CHIARELLO. 2017).
Segundo Gomes, et al. (2017), no seu artigo intitulado Panoramas setoriais
2030: aeroespaço e defesa, a futura regulamentação ampla dos usos dos drones também
fará com que seus usos/aplicações atinjam escala hoje quase inimaginável, destacando-se
o emprego na agricultura, vigilância aérea, gestão de grandes desastres, jornalismo etc.
Como todo tipo de tecnologia, observa-se que os drones continuarão em ascensão,
podendo futuramente ser barateados, sendo utilizado em vários tipos de produtos
advindos do campo e lavouras (LUCHETTI, 2019).
Drone é uma palavra inglesa que significa “zangão”, na tradução literal para a
língua portuguesa. No entanto, esse termo ficou mundialmente popular para designar todo
13
e qualquer tipo de aeronave que não seja tripulada, mas comandada por seres humanos a
distância. O drone também pode ser chamado de Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT)
ou Veículo Aéreo Remotamente Pilotado (VARP). Segundo a ABA - (Associação
Brasileira de Aeromodelismo), a definição para Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT)
é: “um veículo capaz de voar na atmosfera, fora do efeito de solo, que foi projetado ou
modificado para não receber um piloto humano e que é operado por controle remoto ou
autônomo” (JORGE; INAMASU, 2011).
Muitos projetos voltados para a utilização dos drones na agricultura vêm
compondo o estado da técnica, como o sistema de pulverização pontual acoplável a um
VANT da empresa SkyDrones, de número de patente BR 202017019175-9 U2, utilizando
o drone como uma forma de intervenção física no campo, outro exemplo é o trabalho de
Prediger (2018), onde propõe a troca de baterias de forma automatizada, segundo ele o
projeto pretende viabilizar métodos como a pulverização, para reduzir os impactos que a
mesma causa no meio ambiente e desta forma contribuir para a sustentabilidade da
agricultura e aplicar o conceito da engenharia verde.
Em seu artigo Santos, et al. (2018) destaca que as mudanças nos processos
de fabricação, impulsionada pelos avanços tecnológicos e pelas pressões exercidas por
mercados emergentes altamente competitivos, como a China e a Coreia do Sul, está
conduzindo um fenômeno que está sendo promovido sob o nome de Indústria 4.0. Com
base neste cenário o presente projeto tem o intuito de contribuir para o desenvolvimento
tecnológico nacional e mundial dentro da agricultura 4.0, seus resultados podem
apresentar elevado potencial de mercado, pois Santos, et al. (2018) afirma que a
fabricação de aditivos está a ser apontada como uma das tecnologias de produção mais
promissoras a nível global.
2. JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA
Observou-se que os métodos de amostragem mais utilizados demandam muito
trabalho, tempo e custo, pois são necessárias várias amostras da área a ser avaliada para
análise laboratorial e uso de agentes químicos.
Afim de verificar a relevância deste novo método de coleta com drone, foi feita
uma comparação de forma rápida e hipotética, os dois tipos de serviços de amostragens
14
mais comuns no mercado com a coleta de solo utilizando um veículo aéreo não tripulado
(VANT), adotando uma área de 1 hectare como referência.
A Embrapa (2006) recomenda de 3 a 5 subamostras para compor uma composta
de um mesmo talhão, o mais indicado para grades por ponto está em torno de 1 amostra
por hectare. Adotando a quantidade de 5 subamostras por hectare distribuídos conforme
a figura 1 ilustra, totaliza um percurso de 220m.
Figura 1: Esquema de distribuição dos pontos amostrais em 1ha.
Avaliação caminhando: A velocidade média de uma pessoa é de 6 km/h (1,7 m/s),
sabendo disso ela irá gasta 2min 15seg para percorrer 220m, supondo que o tempo médio
gasto em uma amostragem seja de 2 min, o tempo para realizar 5 amostragens é 10min.
Em 1ha será gasto 12min 15seg.
Avaliação com quadriciclo: Estimando que a velocidade média de trabalho é de
50 km/h (13,9 m/s), então o quadriciclo irá gasta 16seg para percorrer 220m, mantendo o
tempo gasto em uma amostragem sendo 2min, em 5 amostragens erá gastar 10min. Em
1ha será gasto 10min e 16seg.
Avaliação com VANT: A velocidade média de um VANT multirrotor agrícola é
de 10m/s, o VANT irá gasta 22seg para percorrer 220m, o tempo gasto em uma coleta
será de 1min 30seg para realizar 5 coletas a solução proposta irá gastar 7min 30seg. Em
1ha será gasto 7min e 52seg.
15
Gráfico 1: Minutos gastos por modalidade de amostragem.
Segundo a Tabela de Preços (2016) do Departamento de Ciências do Solo da
ESALQ – USP o valor cobrado para realizar a amostragem em 1ha é de 12,00 reais, o
valor para a análise química de uma amostra de solo equivale a 23,00 reais e para gerar o
grid e elaborar o mapa são cobrados 12,00 reais por hectare. Somando todos os custos
para se obter um mapa de fertilidade, o valor por hectare é de 47,00 reais.
Com a utilização da solução proposta neste projeto, que realiza a análise e a coleta
simultaneamente, o agricultor terá a possibilidade de obter um mapa de fertilidade do
solo, logo a pós o fim das análises, pois antes de realizar o voo é preciso gerar um mapa
com uma malha regular de pontos da área a ser trabalhada, utilizando um Sistema de
Informação Geográfica (SIG), para definir os pontos a serem coletados. Todos os
processos utilizados nos métodos convencionais citados a cima, para a geração de um
mapa, serão realizados em um único processo.
Sendo assim, a avaliação a pé, por exemplo, apresenta algumas vantagens, pois
gera baixa compactação do solo, danifica pouco a cultura (planta) e não há o consumo de
combustível. Possui também algumas desvantagens, apresentando uma baixa velocidade
de trabalho, um custo elevado de mão-de-obra qualificada para este tipo de serviço e
proporciona um maior desgaste físico do trabalhador. Já a avaliação com quadriciclo,
possibilita uma boa velocidade de trabalho e um menor esforço físico do trabalhador.
Porém há desvantagens como o elevado custo do equipamento, a compactação no solo,
danos na cultura (planta) o gasto com combustível.
Diante das comparações quantitativas e qualitativas foi possível perceber a
necessidade de desenvolver este projeto que visa a criação de um novo equipamento para
amostragem de solo a ser acoplado em um drone.
16
3. MATERIAL E MÉTODOS
BUSCAS TEXTUAIS
Foi realizada uma pesquisa via internet e com profissionais da área, a fim de
identificar os equipamentos para a coleta do solo já inseridos no mercado. Nesta busca
foi identificado dentro do estado da técnica os modos de coleta de amostras mais
utilizados, sendo eles o manual que se realiza andando a pé pela área utilizando o trado
de rosca, trado calador, trado holandês, trado caneca, trado fatiador, pá-de-corte com
enxadão ou amostradores elétricos, e outro que é utilizando um quadriciclo equipado com
um amostrador mecânico.
Foram levantadas algumas tecnologias presentes no estado da técnica, através da
ferramenta de busca de anterioridades do INPI (Instituto Nacional da Propriedade
Industrial), onde há dois pedidos de veículos adaptados para amostragem de solo: o PI
1106191-0 A2 e PI 0800802-7 A2, que usam veículos para análise química do solo
utilizando bomba hidráulica para fazer as amostras. Ambos não são acoplados ao veículo
aéreo não tripulado como o invento, nem reduzem a quantidade necessária de amostras,
além de ocasionar compactação do solo. Alguns pedidos de patentes estão limitados aos
perfuradores. O PI 9606907-4 envolve um modelo de perfurador, que poderia ser usado
no manual ou no quadriciclo. Outro pedido relacionado é o BR 10 2013 006814 4 A2,
trata-se de dispositivo multinivel para a amostragem em condições de campo do fluido de
poro nas fases gasosa, líquida ou mista, em solos e rochas, que busca reduzir o contato
humano em análise de solo contaminado. E também o pedido BR 20 2013 000572 5, mais
um tipo de perfurador acoplado ao balde para extração, buscava evitar a mistura do solo
da superfície com o solo mais profundo que passaram por análises diferentes. Nenhum
destes pedidos atingem o resultado deste invento, pois não conseguem reduzir a
quantidade de amostras para análise de solo e todos são limitados ao perfurador.
Outro pedido relacionado é o PI 0205328-4 A2, que é provido de um método para
amostragem e análise de solo por meio de um veículo robótico. O veículo inclui um
sistema de acionamento no chão para mover o robô pelo campo. Uma unidade de controle
controla a direção e localização do robô. Um pacote de ferramentas no robô tem uma ou
mais sondas para tirar amostras de solo, que são transportadas a um laboratório miniatura
no robô para analisar a amostra de solo. Há claras diferenças com o invento, pois utiliza
rodas, gera compactação do solo e apresenta um laboratório interno para análise
simultânea da amostragem. Por outro lado, o invento será acoplável a um veículo aéreo
17
não tripulado e utiliza mecanismos diferentes, como a condutividade elétrica, capaz de
reduzir a quantidade necessária de amostra e eliminar os descartes.
Nem mesmo a avaliação por imagens resolve o problema foco desta invenção,
apesar da alta eficiência em unidade de área avaliada, não há contato direto com o solo,
fato que reduz muito a precisão dos resultados e do diagnóstico, pois os sensores
utilizados para captar as imagens são espectrômetros, eles captam a vibração que cada
molécula possui. Porém para que as características de um solo possam ser identificadas
por este método, é preciso uma grande quantidade de parâmetros comparativos gerados
em laboratório. Além disso, o uso de imagens continua precisando complementação de
dados com inúmeras amostras de solo. Por outro lado, a invenção apresenta diferenças
claras em relação ao estado da técnica. Segundo a invenção, o método de avaliação do
solo por Condutividade Elétrica (CE), por exemplo, a partir do princípio da resistividade
elétrica, gera dados relativamente proporcionais às reais características do solo. Isso
porque a eletricidade entra em contato direto com o solo, revelando a capacidade que cada
solo possui para conduzir eletricidade. E esta capacidade está relacionada às
características físicas, químicas e biológicas do solo, possibilitando à divisão da área em
talhões homogêneos, diminuído a quantidade de amostras de solo necessárias.
Para esta invenção, os aparelhos de mensuração da CEs podem utilizar os
princípios da resistividade elétrica (RE), da indução eletromagnética (IEM) ou da
reflectometria no domínio do tempo (TDR). O último não é muito utilizado para
mapeamento dos campos devido a sua complexidade e seu custo elevado. A IEM
apresenta algumas vantagens operacionais, principalmente em solos secos e pedregosos.
Nesse princípio os aparelhos deslizam sobre o solo, enquanto a RE necessita da
penetração de eletrodos. A vantagem do princípio da RE consiste na facilidade de ajustar
a profundidade de mensuração, por meio da alteração da configuração dos eletrodos. Já
nos aparelhos de IEM, esse ajuste é complexo e bastante limitado.
Assim, de acordo com esta invenção, a amostragem e a análise do solo feita, por
exemplo, pela Condutividade Elétrica, pode utilizar o princípio da RE. Entende-se como
condutivímetros nesta invenção os aparelhos que a mensuram, classificados como, por
exemplo, em laboratorial, mecânico ou portátil.
O equipamento de laboratório não pode ser levado diretamente ao campo, é
utilizado para estabelecer parâmetros de análises, as amostras de solo precisam ser
encaminhadas ao laboratório para serem analisadas, desse modo ele não diminui a
quantidade de amostras, não contribuindo para a redução de custo com amostragem.
18
Já condutivímetro mecânico gera dados representativos e um mapa de CEs, até
pode contribuir com a diminuição das amostragens, porém sua estrutura pode ser
semelhante à de uma grade agrícola e pode precisar ser arrastado pela área para gerar os
dados de RE. Além disso, o equipamento pode ter um custo de aquisição alto, pode gerar
gastos com combustível, podendo ser utilizado somente nas entre safras, quando não se
tem uma cultura implantada no solo. Por fim, o portátil geralmente depende do
deslocamento pela área para realizar a análise dos pontos, demandando muito tempo de
operação, fato que o torna inviável para análises de grandes áreas. Geralmente utiliza
hastes metálicas lisas como sustentação.
Este último possui características que mais se aproximam do invento, porém ao
invés de utilizar hastes metálicas lisas novas soluções serão usadas, como por exemplo,
as brocas como eletrodos igualmente espaçados no solo que conduzirão o sinal do
condutivímetro de forma mais eficiente que as hastes por sua área de contato ser maior.
Por exemplo, a corrente elétrica pode passar pelas duas brocas externas e o potencial
elétrico ser medido pelas duas brocas internas, seguindo a configuração conhecida como
Matriz de Wenner. O torque proporcionado pelo motor pode fazer com que a broca quebre
a resistência existente no solo, penetrando com facilidade, diminuindo a intensidade da
força peso necessária para que as hastes penetrem no solo. Com a redução da força peso,
a quantidade de massa necessária diminui, deixando o equipamento mais leve.
Com isso o tempo gasto em uma análise será menor com o invento, comparado ao
gasto pelo condutivímetro portátil que utiliza hastes lisas, tendo maior eficiência, pois a
quantidade de análise por hora aumenta, viabilizando o uso de um veículo aéreo não
tripulado para locomoção do invento. Por reduzir este tempo, o gasto com mão de obra
cai, é possível utilizar um veículo aéreo não tripulado com menos potência e menor preço
e o consumo de bateria do veículo aéreo não tripulado pode diminuir.
A condutividade elétrica, para esta invenção, é considerada como uma medida do
percurso da condução elétrica e pode ser medida através da análise do extrato de
saturação. Ela é uma medida indireta, que indica a quantidade de íons presentes numa
solução, e essa quantidade de íons são interpretados pela salinidade do solo como íons
nutrientes como K, Na, Cl, pH (um importante indicador das condições química do solo).
Solução do solo é a água que ocupa partes dos espaços vazios existentes nos solos que
contém elementos químicos, muitos dos quais indispensáveis ao crescimento vegetal. Por
isso analisar a solução via CEs pode fornecer indicadores de fertilidade e acidez do solo.
Essa medida, nesta invenção, é importante para verificar se a planta não está perdendo
19
água para o solo, ao invés de absorver água do solo, diminuindo a absorção de nutrientes
pela planta. Também é fundamental realizar esta análise antes da semeadura, já que se a
semente encontrar um ambiente salino ela poderá não germinar nem se desenvolver. A
CEs apresenta melhores resultados em sistemas de produção não irrigados.
A condutividade elétrica do solo, para esta invenção, é uma forma indireta de se
conhecer as variações que existem em uma área e complementa bem o diferencial deste
sistema que reduz a quantidade de amostragem. A condutividade é diretamente
relacionada à textura e à capacidade de armazenamento de água, além do teor de argila e
de umidade do solo. Também é correlacionada, em menor escala, a outras características
da física do solo.
As principais vantagens na medição da condutividade nesta invenção são a
praticidade do processo e a riqueza de detalhes, pois a medição será feita de forma
contínua. Os dados serão coletados diretamente pelo equipamento, não precisando análise
em laboratório. Não existe um custo por análise, sendo o investimento feito apenas no
equipamento.
O Estado da técnica apresenta aparelhos que avaliam a CEs na lavoura. O invento
supera a grande dificuldade de deslocamento na lavoura destes aparelhos ao ser acoplável
ao veículo aéreo não tripulado. Estudos já tentavam acoplar estes equipamentos às
estruturas que deslizavam sobre a lavoura, ou ainda outros equipamentos com rodas e
discos lisos ou pontiagudos para solos palhados. Mas nenhum sistema como invento
capaz de chegar à lavoura acoplado ao veículo aéreo não tripulado, fazer a leitura de CEs
e ainda coletas de amostras em menor quantidade.
O estado da técnica revela sistemas de amostragem e análise do solo no local,
como o BR 11 2013 018267 9 A2, que também apresenta uma plataforma de perfuração
e um espectrômetro de emissão em uma estrutura móvel. Outro pedido que também utiliza
a luz (na realidade o laser, ou seja, uma amplificação da luz por emissão estimulada de
radiação) é o BR 10 2013 008531 6 A2. Trata-se de processo de análise rápida de textura
de solos utilizando espectro de emissão de plasma induzido por laser e métodos
estatísticos multivariados. O princípio básico desta invenção é o fato das frações texturais
do solo: areia, site e argila poderem ser diferenciadas por análise química elementar.
Desta forma, por apresentar perfil elementar característico, cada fração textural possui
uma assinatura típica na espectroscopia de emissão ótica com plasma induzido por laser
(LIBS) que a difere das outras frações e que é extraída por meio de métodos estatísticos
multivariados. A principal diferença está no método utilizado, pois estes utilizam um
20
instrumento óptico com luz, já o invento utiliza a condutividade elétrica. Além disso o
presente invento pode ser acoplado ao veículo aéreo não tripulado e fazer a coleta e
análise simultânea na lavoura.
O problema técnico a ser resolvido pela invenção, está relacionado à necessidade
de inúmeras amostras de solo para realização da análise físico, química e/ou biológica,
bem como os decorrentes gastos e tempo despendidos para tais. Dependendo da
metodologia, há problemas de compactação do solo e calibração constante do
equipamento.
Como a invenção será transportada por um veículo aéreo não tripulado, isso
possibilita uma avaliação do solo sem precisar usá-lo para locomoção, evitando assim sua
compactação, considerada um dos mais graves problemas dos solos agrícolas e
responsável pela redução da produtividade das forrageiras, onde as partículas são
realocadas no solo obtendo outras formas e tamanho alterados, reduzindo os espaços
aéreos e aumento de densidade.
MODELAGEM DO PROJETO
Diante das pesquisas citadas a cima foi feita a seleção das tecnologias de coleta a
serem embasadas. Devido a legislação imposta pela ANAC (Agência Nacional de
Aviação Civil), que homologa drones até 25kg, o drone escolhido para servir de base para
este projeto foi o modelo S1000 da empresa DJI de porte médio com carga útil de 11kg.
Após concluída a etapa de seleção das tecnologias a serem embasadas foi iniciado
o planejamento do projeto para prototipagem do equipamento do sistema de coleta
acoplável a um VANT, onde a modelagem foi baseada em cima das dimensões e
informações obtidas na pesquisa ao estado da técnica. Os materias, componentes e
equipamentos para prototipagem foram definidos de acordo com os resultados
proporcionados pela modelagem. Para melhor ilustração do protótipo foi criado um
desenho em 3D com o auxílio de um software de sólidos, o SketchUp.
O projeto foi desenvolvido nas dependências do Instituto Federal Goiano Campus
Urutaí, localizado no município de Urutaí, Estado de Goiás.
Após a modelagem do protótipo foi iniciado o processo de pedido de depósito de
patente junto ao Instituto Nacional de Propriedade Intelectual (INPI), como auxilio do
Núcleo de Inovação Tecnológica (NIT) do IFGoiano, o pedido foi registrado no dia 13 de
junho de 2018, como mostra nos anexos A e B.
21
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
O processo de funcionamento deste sistema multi-operacional de acionamento
remoto envolve um estudo georeferencial anterior determinando as malhas amostrais. O
sistema acoplado ao veículo aéreo não tripulado é acionado para a coleta de amostras em
quantidades reduzidas e faz leituras específicas no local, tais como a Condutividade
elétrica. Serão feitas análises do solo/águas/fluidos/vegetação simultaneamente às coletas
eficientes. Ao terminar, o sistema é teleguiado para o ponto de partida. A invenção ainda
poderá, por exemplo, levar as amostras coletadas a fim de realizarem análises
complementares em uma central determinada. Todos os dados são submetidos aos estudos
geo estatísticos a fim de entregar o mapa do local, como por exemplo, o de fertilidade do
solo.
A presente invenção trata-se de um sistema multi-operacional de acionamento
remoto (Fig 2) com pelo menos um implemento para coleta e/ou análise de
solo/águas/fluidos/vegetação, preferencialmente uma plataforma superior de avaliação
(Fig 3), um Implemento de condutividade elétrica (Fig 4), um Implemento de coleta (Fig
5) e/ou a combinação destes (Fig 5d). Os implementos são projetados para serem
acoplados a veículos aéreos não tripulados (Fig 6). As ligações eletrônicas da invenção
estão esquematizadas na Fig 7.
Figura 2: Sistema multi-operacional de acionamento remoto.
22
A Plataforma de avaliação - PAS (Fig 3, 3a) apresenta estrutura rígida,
preferencialmente de alumínio, que poderá conter componentes selecionados do grupo:
motores (4); carreteis com eixo (13); mancais para fixação do eixo do carretel (14);
acoplamentos elásticos para o motor e os eixos dos carreteis (15); limpadores de cabo de
aço (16); placa controladora (2); sensores (5); fonte de energia (7); elementos de ligação
(17), de fixação (13-16) e de conexão elétrica (3).
Figura 3: Vista superior da Plataforma de avaliação (PAS)
Figura 3a: Vista inferior da Plataforma de avaliação (PAS)
23
O Implemento de condutividade elétrica (I-CEs) (Fig 4, 4a, 4b e 4c), apresenta
estrutura rígida, preferencialmente de alumínio, que poderá conter componentes
selecionados do grupo: condutivímetro (11); fonte de energia (7), sensor (10), motor (9),
elementos de ligação (20), de perfuração (25), de fixação/engrenagens (18,19,21,22-
24,26) e de conexão elétrica (8).
Figura 4: Vista superior do Implemento de condutividade elétrica (I-CEs).
Figura 4a: Vista inferior do Implemento de condutividade elétrica (I-CEs).
24
Figura 4b: Estrutura do Implemento de condutividade elétrica (I-CEs) sem o conjunto
de brocas.
Figura 4c: Conjunto de brocas do Implemento de condutividade elétrica (I-CEs).
25
O Implemento de coleta (I-CS) (Fig 5, 5a, 5b e 5c), apresenta estrutura rígida,
preferencialmente de alumínio, que poderá conter componentes selecionados do grupo:
recipiente de armazenamento (44), fonte de energia (7), sensor (30), motor (32),
elementos de ligação (36), de perfuração (41), de fixação/engrenagens (34,36,37, 38,
39,40, 42, 43, 45, 46, 47) e de conexão elétrica (28). É possível a combinação dos
implementos, como o Implemento de coleta e condutividade elétrica (Fig 4d).
Figura 5: Vista superior do Implemento de coleta (I-CS).
Figura 5a: Vista inferior do Implemento de coleta (I-CS).
26
Figura 5b: Estrutura do Implemento de coleta (I-CS) sem a broca.
Figura 5c: Broca do Implemento de coleta (I-CS).
27
Figura 5d: Combinação dos implementos de coleta e condutividade elétrica.
Figura 6: Sistema multi-operacional de acionamento remoto acoplado a um veículo
aéreo não tripulado (VANT).
28
Figura 7: Esquema das ligações eletrônicas do sistema multi-operacional de
acionamento remoto acoplável a um veículo aéreo não tripulado (VANT).
Um exemplo de funcionamento do sistema multi-operacional de acionamento
remoto, não limitante, seria: I-CEs (Fig 4, 4a, 4b e 4c) conectado a PAS (Fig 3, 3a), uma
placa controladora (2) poderá receber o comando de um dos canais do receptor de rádio
frequência (1) do veículo aéreo não tripulado; a placa controladora (2) poderá mandar
um sinal para o controle/conector elétrico (3) da PAS (Fig 3, 3a), para liberar a energia
para os 4 motores (4) descerem a plataforma suspensa, preferencialmente em cabos de
aço (17). O sensor de aproximação inferior (5) poderá mandar um sinal para a placa
controladora (2) indicando que a PAS (Fig 3, 3a) com o I-CEs (Fig 4, 4a, 4b e 4c) já
está no solo.
A placa controladora (2) irá mandar um sinal para controle/conector elétrico (3)
Petição 870180050671, de 13/06/2018, cortar a energia para os motores (4) e liberar
energia para os 5 motores (9) iniciarem a perfuração no solo. O sensor de aproximação
(10) do I-CEs (Fig 4, 4a, 4b e 4c) irá mandar um sinal para a placa controladora (2)
29
indicando que as brocas (25) chegarão ao limite de perfuração. A placa controladora (2)
irá mandar um sinal para o condutivímetro (11) realizar a medição da CEs. O
condutivímetro (11) poderá mandar as informações de leitura de CEs para a placa
controladora (2) armazenar os dados. A placa controladora (2) irá mandar um sinal para
o controlador/conector elétrico (8) do I-CEs (Fig 4, 4a, 4b e 4c) para liberar a energia para
os 5 motores (9) retirarem as brocas (25) do solo.O sensor de aproximação (10) do I-CEs
(Fig 4, 4a, 4b e 4c) irá mandar um sinal para a placa controladora (2) indicando que as
brocas (25) já estão fora do solo. A placa controladora (2) irá mandar um sinal para o
controlador/conector elétrico (8) do I-CEs (Fig 4, 4a, 4b e 4c) para cortar a energia dos 5
motores (9). A placa controladora (2) irá mandar um sinal para o controlador/conector
elétrico (3) da PAS (Fig 3, 3a) liberar a energia para os 4 motores (4) para subir a
plataforma (Fig 3, 3a). O sensor de aproximação superior (6) da PAS (Fig 3, 3a) irá
mandar um sinal para a placa controladora (2) indicando que a plataforma (Fig 3, 3a) já
está suspensa e encaixada ao veículo aéreo não tripulado. A placa controladora (2) irá
mandar um sinal para o controlador/conector elétrico (3) da PAS (Fig 3, 3a) cortar a
energia para os 4 motores (4).
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A otimização no uso de fertilizantes é um dos fatores que mais afetam este
incremento produtivo. Sendo assim a invenção contribui para uma maior produção por
área, ajudando a solucionar o problema da falta de alimento e o desmatamento para a
abertura de novas áreas agrícola. Portanto, a invenção apresenta diferenciais, tais como:
sustentabilidade ao não gerar compactação do solo ou danos à cultura (planta), ao evitar
interferência na microbiologia, ao atenuar a quantidade de reagentes químicos nas
análises laboratoriais e ao melhorar a gestão do uso de fertilizantes, além de possibilitar
incremento produtivo; geração de um mapa de CEs; baixo esforço físico do operador;
eficiência e custo-benefício. Poderão obter os seguintes efeitos: a diminuição da
quantidade de amostras coletadas em 83%, com a redução em 23% do tempo comparado
a amostragem do quadriciclo e em 35% do tempo em relação às amostras feitas por pessoa
a pé, além de economia aproximada de 75,5% no custo para obtenção de um mapa de
fertilidade do solo.
30
5. CONCLUSÕES
Diante desta pesquisa se chegou à conclusão que o presente projeto era viável e a
invenção apresenta uma solução para tais problemas já elencados. Os efeitos esperados
deste invento envolvem economicidade, eficiência com menor tempo, menor quantidade
de amostras necessárias e menor custo, além da sustentabilidade.
6. REFERÊNCIAS
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periódico indexado (ALICE). 2003.
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tripulados para agricultura no Brasil: das competências normativas." 2017.
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variabilidade de características químicas. Terra Latinoamericana, v. 35, n. 4, p. 343-
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PREDIGER, LUCA. Troca automatizada da bateria em vants. BS thesis. Universidade
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Irriga, Botucatu, v. 19, n.4, p. 727-740, 2014.
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Anexos
ANEXO A – COMPROVANTE DO PEDIDO DE PATENTE E NÚMERO DO
PROCESSO
ANEXO B – DADOS DO PEDIDO
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