DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA ELÉCTRICO E ... · proyecto fin de carrera diseÑo y optimizaciÓn de un sistema elÉctrico e hidrÁulico para navegaciÓn autÓnoma de un vehÍculo

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

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

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

Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI - MEMORIA -

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].



• 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.

Figura 9 - Vehículo teleoperado de alta velocidad (izquierda), servoactuadores eléctricos (arriba) y sistema de mando (abajo).



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.

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 11 - Sistema FarmPRO de Autofarm.



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.

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.

Figura27- Sistema de control de dirección mediante motor eléctrico (Izquierda y Arriba) y prototipo diseñado

por John Deere en el sistema "AutoTrac"(Abajo Derecha).



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.

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 31 - Unidad de regulación hidráulica de un sistema ABS (Izquierda) y Cilindro hidráulico actuando

comocilindro maestro (Derecha).



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]



Existen una serie de alternativas y elementos para automatizar el elevador de aperos

con sus respectivas ventajas e inconvenientes, entre los que destacan:

♦ Actuar sobre el mando de la válvula distribuidora mediante un actuador lineal

eléctrico.

♦ Instalar una electroválvula en paralelo con la válvula distribuidora existente, de

tal forma que los aperos pueden ser controlados tanto en modo manual como en

automático.

♦ Suprimir la válvula distribuidora manual existente por una electroválvula que

sería o gobernada por unos pulsadores de una “botonera” en caso de conducción

convencional o gobernada por la unidad de control en conducción autónoma.

Parada Motor

El sistema de parada del motor es un dispositivo que actúa sobre la bomba de

inyección de combustible provocando que se corte la inyección de diesel a la cámara

de combustión con la consecuente parada del motor.

La automatización de la parada del motor y la posibilidad de accionar ésta por

control remoto supone una gran ventaja y seguridad en caso de situaciones peligrosas

en la que se pierda el control del vehículo. Esta automatización también es útil para

detener el motor en el caso de que el tractor por cualquier razón se encuentre

inactivo.

El modo de parar el tractor es a través de un tirador que actúa gracias a un cable de

acero sobre el corte de combustible de la bomba de inyección, Figura 38.



Figura 38 - Tirador parada de motor (Izquierda) y palanca de corte de inyección (Derecha).

Automatizar el sistema de parada requiere instalar un actuador que mueva el mando

de corte de inyección. Los requisitos necesarios para actuar sobre es mando son en

primer lugar un dispositivo todo/nada que actúe durante 3-5 segundos sobre el

mando de corte de inyección y en segundo lugar que pueda vencer la fuerza

resistente de dicho mando [sección 1.2.1]:

� Momento de accionamiento del corte de inyección: 1.5[Nm]

Existen diversas alternativas para realizar esta función pero la más simple,

económica y fiable es un electroimán pilotado que actúe sobre dicho mando.



1.1.3.2.2 Mandos que permanecerán manuales A continuación de describen brevemente cada una de los mandos que permanecerán

manuales siguiendo el esquema: función de dicho mando y las razones de no

automatizarlo.

Selección de velocidades y selección del sentido de la

marcha

Poder seleccionar la velocidad de una caja de transmisión permite aprovechar al

máximo la potencia que da el motor a distintos regímenes de giro. Si duda esto es

una gran ventaja si lo que se pretende es buscar distintas velocidades durante un

trayecto o desplazamiento como ocurre en coches y camiones.

Sin embargo, una de las razones por las que no se ha automatizado el cambio de

velocidad, es que en los tractores agrícolas, que desempeñan su trabajo en el campo

durante un gran número de horas, mantienen siempre una velocidad prácticamente

constante ya sea porque la resistencia del terreno no les permite avanzar a mayor

velocidad o bien porque las tareas de recolección o siega requieren siempre una

misma velocidad.

Otra razón a destacar por la que en el tractor Agria 9940 no se ha automatizado el

cambio de velocidades es el tipo de transmisión que éste monta de serie. Es una

transmisión de cambio de velocidades manual que requiere movimientos en dos ejes

para realizar un cambio de una velocidad a otra, y a esto se le suma que este tipo de

cajas de transmisión suele presentar problemas la selección de una u otra marcha, lo

que comúnmente se denomina “no ha entrado la marcha” debido a que el

“desplazable” no se ha podido engranar con el piñón de la marcha.

Estas mismas razones han condicionado que no se automatice la selección del

sentido de avance (hacia delante o hacia atrás) o el modo de avance (marchas largas

y marchas cortas).



Como alternativa para automatizar la velocidad como el sentido de la marcha se

plantea adquirir un tractor con caja de cambios automática para futuros desarrollos.

Freno de estacionamiento

El freno de estacionamiento es aquel que permite que mantener al vehículo parado

cuando éste no está realizando ninguna actividad.

El motivo por el cual este freno no se ha automatizado es que no influye

positivamente en el desarrollo de la actividad del vehículo, ya que la fase de puesta

en marcha y estacionamiento del tractor después de su actividad será realizado por un

operador.

Bloqueo del diferencial delantero y trasero

El bloqueo del diferencial tanto delantero como trasero permite que las dos ruedas de

cada eje giren cuando una de ellas ha perdido la adherencia, evitando que esta última

gire sin control. Este mecanismo es especialmente útil en tractores o vehículos todo-

terreno, ya que los terrenos por los que se desplazan son con frecuencia muy

irregulares y proporcionan distinto agarre en cada una de las ruedas.

Bien es cierto que la automatización de los diferenciales sería de gran utilidad en el

tractor Agria 9940, pero debido a que estamos en las primeras fases de desarrollo y

que se pretende que se desplace principalmente por césped de jardines o campos de

golf no se ha considerado la necesidad de su implantación.

Palanca conexión toma de fuerza

La conexión de toma de fuerza permite transmitir parte de la energía producida por el

motor al apero situado en la parte posterior del tractor.

No se ha procedido a su automatización porque no es necesario durante una

navegación autónoma realizando una labor agrícola la conexión y desconexión de de



la toma de fuerza de los aperos, ya que esto lo realizaría el operario al principio o al

final de la jornada de trabajo.

1.1.3.2.3 Mandos o Elementos a Eliminar 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. Sin embargo, por razones de

instalación del sistema de sensoriazación han tenido que ser eliminados los focos de

luces delanteros y los pilotos traseros. Estos serán recolocados en posiciones

adyacentes una vez finalizado la fase de montaje de todos los sistemas, ya que

aunque en navegación autónoma los sistemas de posicionamiento no necesitan luz

“para ver”, si serán necesarios para que el tractor pueda seguir funcionando tanto

como tractor convencional como tractor autónomo.



1.1.3.3 Posibles Sistema de Actuación

Una vez analizados y descritos en la sección anterior los mandos que se

automatizarán, es necesario determinar cual será el sistema de potencia con el que se

desplazarán y gobernarán.

Los sistemas de actuación automática más difundidos en robótica móvil utilizan

fundamentalmente tres tipos de energía: neumática, hidráulica o eléctrica. El

comportamiento de los actuadores es crítico en lo que se refiere a su velocidad de

movimiento y potencia, pues condicionan el funcionamiento observable del robot.

Por ello es conveniente analizar las características de los tres tipos de actuadores ante

una determinada aplicación o vehículo. Entre las características más relevantes a

analizar se encuentran: relación coste/potencia y peso/volumen, velocidad, precisión,

posibilidad de control continuo, facilidad de mantenimiento y finalmente facilidad de

su implementación.

En los siguientes párrafos se describen cada uno de los posibles sistemas de

actuación haciendo hincapié en primer lugar en las características generales de cada

sistema, en segundo lugar componentes principales que lo forman y en último lugar

los elementos que se deberían instalar o aumentar su capacidad si dicho sistema se

implementara en el tractor Agria-Hispania 9940, así como el coste que esto

supondría.



1.1.3.3.1 Sistema Eléctrico

Los sistemas de actuación eléctricos ya sean rotativos o lineales utilizan la energía

eléctrica para transformarla en energía mecánica.

Los actuadores eléctricos son un tipo de actuador que últimamente se está

consolidando en el sector industrial ya que aprovecha las ventajas específicas de las

modernas tecnologías de accionamiento. Son muy utilizados por su facilidad de

control, alimentación, limpieza, instalación y nivel de ruido, y además presentan un

gran precisión y versatilidad, que los hace ideales cuando es necesario generar

fuerzas rápidamente y cuando hay que avanzar hasta determinadas posiciones con

gran precisión. A estas ventajas se le suma que estos actuadores permiten

movimientos sin tirones, aceleración suave o movimientos con perfiles específicos.

Sin embargo su principal inconveniente radica en disponer de una potencia muy

limitada para un coste medio. De ahí, que se utilicen mayormente para aplicaciones

de interiores en robótica móvil, donde los tamaños y pesos de los robots son

reducidos.

Los elementos generales que componen el circuito eléctrico necesario para poder

actuar sobre los mandos de un vehículo son los siguientes:

� Alternador. El Alternador es una máquina destinada a transformar la energía

mecánica en eléctrica, generando, mediante fenómenos de inducción, una

corriente alterna.

� Rectificador. Un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir

la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos

rectificadores, normalmente semiconductores de estado sólido.



� Batería de almacenamiento. Es un dispositivo que almacena energía eléctrica

usando procedimientos electroquímicos y permite tener corriente eléctrica

cuando el alternador no se encuentra funcionando.

� Fusibles o elementos de protección. Son unos dispositivos, constituido por un

filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se

intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se

funda, por Efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere, por un

cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer

peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente

riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.

� Elementos de mando: pulsadores, contactores y relés pilotados. Son unos

dispositivos mecánicos o electromecánicos, que funciona como interruptor

permitiendo abrir o cerrar el circuito eléctrico.

� Actuadores eléctricos. Elementos que pueden provocar un efecto sobre un

mando automatizado. Los actuadores pueden ser tanto lineales como

rotativos, motores eléctricos, capaces de generar una fuerza o momento a

partir de energía eléctrica.

� Cables y elementos de conexión. Son los elementos cuyo propósito es

conducir electricidad transportando las señales de mando y control. Son

generalmente de cobre, debido a la excelente conductividad de este material,

o de aluminio que aunque posee menor conductividad es más económico, y

suelen estar rodeados de un material aislante.



Figura 39 - Esquema del sistema eléctrico de accionamiento integrable en el tractor. 1) Regulador, 2) Alternador,

3) Batería, 4) Fusibles, 5) Elementos de Mando, 6)Actuadores eléctricos y 7) Cables o elementos de Conexión.

En la sección 1.2.2.1 de este documento, se ha desarrollado un análisis de los

elementos que compondrían la instalación del sistema de actuación si este fuera

completamente eléctrico, y los resultados han sido:

Elemento Aplicación Corriente Nominal

Par/Fuerza Nominal

Fiabilidad Sistema Coste

Motor Dirección 5.4 A 5 Nm ( 5/10 ) 113 €

(+15%)

Actuador lineal Freno 3,2 A 1000 N ( 5/10 ) 602 €

Actuador lineal Embrague 3,2 A 1000 N ( 5/10 ) 602 €

Actuador lineal Acelerador 1,2 A 1700 N ( 6/10 ) 452 €

Actuador lineal Aperos 2,5A 300 N ( 4/10 ) 428 €

Electroimán Parada 1,42 A 50 N ( 6/10 ) 52 €

Batería General 44Ah/245A (--) (--) 150 €

Alternador General 21 A (--) (--) 175 €

Accesorios/Cables General [15%] 2,2 A (--) (--) [15%] 386€

TOTAL ( 5.1/10 ) 3.017 € Tabla 2 -Resumen de elementos Sistema Eléctrico.

Como se puede observar en la Tabla 2, el precio de la instalación sería de 3000€. El

índice de fiabilidad4 es (5.1/10) lo que muestra que es un posible sistema de control

4 El índice de Fiabilidad es un factor en la cual se han incluido factores como la facilidad de

implementación o sencillez del montaje, modificaciones necesarias en el tractor, fiabilidad o

posibilidad de fallo de la instalación, posibilidad de funcionamiento automático y manual, precisión

en el posicionamiento y nivel estético, ya que es un producto que se pretende vender.

1

2 3

Instalación Eléctrica del tractor

4

5

6

7



de los mandos del vehículo pero posee el inconveniente de presentar problemas de

aparición de fallos en condiciones atmosféricas variables y polvorientas, que es

precisamente donde se moverá el tractor.

1.1.3.3.2 Sistema Neumático

Los sistemas de actuación neumáticos ya sean rotativos o lineales utilizan la energía

del aire comprimido (entre 5 y 10 bares) para transformarla en energía mecánica.

Los actuadores neumáticos son muy utilizados en el mundo de la robótica debido a

su sencillez y robustez que los hacen especialmente adecuados para sistemas donde

únicamente se necesita movimientos de posicionamiento simple con precisiones y

fuerzas moderadas a precios asequibles. Estos actuadores tienen la ventaja de poseer

la mayor velocidad de respuesta de los tres sistemas de actuación y una limpieza

comparable al sistema eléctrico ya que el fluido utilizado es aire y las fugas no

ensucian el entorno.

Sin embargo, como inconvenientes, este sistema necesita una instalación especial

para proporcionar aire comprimido, que requiere un mantenimiento específico y

produce una gran contaminación acústica. A estos inconvenientes se le suman su la

poca precisión en el posicionamiento, y la dificultad de realizar un control continuo

del sistema.

Los elementos generales que componen el circuito neumático necesario para poder




� Compresor. Es una máquina que transforma la energía mecánica de rotación

en un eje en presión y energía cinética de un gas impulsándolo a fluir.

� Calderín. Es un depósito donde se almacena el aire comprimido procedente

del compresor para posteriormente ser utilizado en los diferentes actuadores.

� Filtro, regulador de presión y lubricador. El filtro es un elemento que evita la

entrada de partículas superiores a un determinado tamaño en el circuito

neumático, evitando el deterioro de éste. El regulador de presión es el

dispositivo encargado de controlar la presión del circuito neumático y se

encarga de la readmisión del aire cuando la presión se sitúa por debajo de un

determinado umbral. El lubricador es el dispositivo encargado de añadir un

porcentaje de aceite al aire para lubricar las partes metálicas con movimiento

relativo y evitar que éstas se gripen.

� Válvulas distribuidoras. Son los elementos de control, que regulan el paso de

aire a un actuador u otro.

� Tuberías. Son los conductos a través de los cuales circula un flujo de aire a

una determinada presión.

� Actuadores neumáticos. Son los dispositivos encargados de transformar la

presión del aire en trabajo útil, estos pueden ser tanto cilindros lineales como

motores.



Figura40-Esquema del sistema neumático de accionamiento integrable en el tractor. 1)Compresor, 2)Filtro,

3)Válvula Limitadora de Presión, 4)Calderín, 5)Elementos Lubricador y Regulador de Presión, 6)Válvulas

Distribuidoras y 7) Actuadores Neumáticos.



completamente neumático, y los resultados han sido:

Elemento Aplicación Sección de actuación Potencia Fiabilidad

Sistema Coste

Motor Dirección 3.8cm2 19.2W ( 2/10 ) 150€

(+50%)

Cilindro Simple Freno 11.65cm2 27.9W ( 6/10 ) 40€

Cilindro Simple Embrague 14.92cm2 26.8W ( 6/10 ) 40€

Cilindro Simple Acelerador (--) (--) (--) (--)

Cilindro Doble Aperos 0.16cm2 25W ( 4/10 ) 50€

Cilindro Simple Parada 0.64cm2 26.8W ( 5/10 ) 40 €

Calderín General 15L (--) (--) 150 €

Compresor General 7Bar-3L/s (--) (--) 200€

Electro-válvulas General (--) 250W (--) 1000€

Accesorios/Cables General 0.16cm2 (--) (--) [15%] €

TOTAL ( 4.5/10 ) 2010 € Tabla 3 - Resumen de elementos Sistema Neumático.


índice de fiabilidad5 es (4.5/10) lo que muestra que es un posible sistema de control







de los mandos del vehículo pero posee el inconveniente de presentar problemas para

controlar la precisión de los actuadores, en nivel de fallos es relativamente alto y

sobre todo este sistema produciría una contaminación acústica muy considerable.

1.1.3.3.3 Sistema Hidráulico

Los sistemas de actuación hidráulicos ya sean rotativos o lineales utilizan la energía

de un líquido a gran presión, normalmente aceites minerales, para transformarla en

energía mecánica.

Los actuadores hidráulicos son muy utilizados en aplicaciones donde se requiere una

gran fuerza de accionamiento, por ellos son muy convenientes para maquinaría de

obras públicas y maquinaria agrícola. Poseen una excelente relación potencia-peso y

una gran capacidad de carga, que los hacen adecuados para su integración en grandes

máquinas, ya que para una misma potencia son mucho más baratos que los

actuadores eléctricos y los neumáticos. Estos actuadores funcionan con aceites

minerales a gran presión (entre 50 y varios cientos de bares), y, debido a su baja

compresibilidad, la precisión que pueden alcanzar es alta y por lo tanto resulta

relativamente sencillo realizar un control continuo de los mismos. Además, las

elevadas presiones de trabajo permiten desarrollar grandes fuerzas y soportar cargas

sin ningún aporte extra de energía.

Ahora bien, este sistema requiere la instalación de un equipo para el suministro de

energía y unos conocimientos específicos tanto para su instalación como para su

mantenimiento, además de equipos especiales para: filtrado de partículas,

eliminación de aire, refrigeración y control de distribución. Queda añadir, que el

mantenimiento de los actuadores hidráulicos exige que sea periódica pues la alta



presión genera con facilidad fugas en las uniones de los circuitos y estas fugas hacen

que el grado de suciedad sea alto.

Los elementos generales que componen el circuito hidráulico necesario para poder


Aceite mineral. Es el fluido a elevada presión que transporta la energía desde la

bomba a los actuadores.

� Depósito. Recipiente donde se recoge y almacena a presión atmosférica el

aceite que no se encuentra en el interior del circuito.

� Filtro. El filtro es un elemento que evita la entrada de partículas superiores a

un determinado tamaño en el circuito hidráulico, evitando el deterioro de éste.

� Bomba. Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la

energía mecánica con la que es accionada en energía hidráulica del fluido

incompresible que mueve.

� Válvula limitadora de presión. Es un elemento que deriva el exceso de fluido

al depósito cuando en el circuito hay un incremento de presión por encima de

un determinado valor.

� Válvulas distribuidoras. Son los elementos de control, que regulan el paso del

aceite mineral a un actuador u otro en función de la acción que se quiera

realizar.

� Actuadores hidráulicos. Son los dispositivos encargados de transformar la

presión del fluido en trabajo útil, estos pueden ser tanto cilindros lineales

como motores.



Figura 41 -Esquema del sistema hidráulico de accionamiento integrable en el tractor. 1) Depósito, 2)

Filtro, 3) Bomba, 4) Válvula Distribuidora con Válvula Limitadora de Presión Integrada, 5) Actuador

Hidráulico, y 6) Conductos Hidráulicos.



completamente eléctrico, y los resultados han sido:


Sistema Coste

(--) Dirección (--) (--) ( 9/10 ) (--)

Cilindro Simple Freno 87.18mm2 27.9W ( 7/10 ) 102€

Cilindro Simple Embrague 111.9mm2 26.8W ( 7/10 ) 102€

(--) Acelerador (--) (--) (--) (--)

(--) Aperos (--) (--) ( 9/10 ) (--)

(--) Parada (--) (--) (--) (--)

Electroválvulas General (--) 250W (--) 3000€

Accesorios /Latiguillos General 0.16cm2 (--) (--) [15%] €

TOTAL ( 8/10 ) 3700€ Tabla 4 - Resumen de elementos Sistema Hidráulico.




índice de fiabilidad6 es (8/10) lo que muestra que es un posible sistema de control de

los mandos del vehículo con una elevada fiabilidad y sencillez de instalación.







1.1.3.4 Sistema de Actuación Implantado

en el Tractor Agria-Hispania 9940

Tras el análisis de los mandos del los mandos del vehículo, la selección de aquellos

que son necesarios automatizar, y el análisis de los posibles sistemas de actuación

que podrían gobernarlos, en el que se ha realizado un estudio económico y de

fiabilidad de estos, se ha decidido implementar en el tractor Agria-Hispania 9940 un

sistema de actuación combinado, formado por un sistema hidráulico y por un sistema

eléctrico.

Esta combinación proporciona un equilibrio perfecto entre todos los requisitos que se

plantearon a la hora de empezar este proyecto, que estos son:

� Sistema económico

� Sistema fiable

� Sistema sencillo de implementar

� Sistema sencillo de manejar

� Posibilidad de funcionamiento en modo automático y en conducción

convencional.

El sistema hidráulico es utilizado en aquellos mandos que requieren una gran fuerza

de accionamiento o que por las características del vehículo su implantación

proporciona un índice de fiabilidad elevado. Los mandos que se han automatizado

con este sistema son la dirección, el freno, el embrague y la elevación de aperos.

El sistema eléctrico se ha implantado en el acelerador, en la automatización de la

parada y por supuesto, en los circuitos de control de las electroválvulas. En el

acelerador se ha implantado este sistema por ser un sistema que da una gran

precisión de la posición del acelerador y es el único sistema en el que se puede

conseguir las velocidades de accionamiento tan pequeñas que requiere el control del

acelerador. En el mando de parada del vehículo se ha implementado por ser el



sistema más rentable relación precio-potencia, ya que no se necesita una gran fuerza

de accionamiento y la utilización de este mando es ocasional.

1.1.3.4.1 Sistema Hidráulico

El sistema hidráulico implantado en el tractor Agria 9940 es utilizado en la

automatización de la dirección, el freno, el embrague y el sistema de elevación de

aperos. Estas modificaciones en el tractor se han hecho basándose en recursos de

fábrica del tractor como el cilindro de dirección y el de aperos, pero sobre todo

basándose en las bombas hidráulicas existentes en el tractor comercial. Todo este

sistema se ha implantado sobre el circuito hidráulico de serie del tractor [Plano Nº 4],

y se ha diseñado y logrado no eliminar ninguna de las funciones que éste

proporcionaba.

Es fundamental mencionar y destacar antes de continuar con estas líneas, que todo el

cálculo y desarrollo del sistema de control hidráulico se basa en controlar los

actuadores mediante el efecto que produce en estos el paso de caudal, y no

mediante el control de la presión en el circuito. Esta es una hipótesis de partida no

solo para el diseño de los sistemas de actuación, sino también para el diseño de los

sistemas y programas de control y posicionamiento.

Para el diseño de este sistema se plantearon diferentes circuitos y configuraciones

con el objetivo, en primer lugar de asegurar el abastecimiento de fluido a los distintos

cilindros, y en segundo lugar mantener la presión máxima de trabajo tanto en la

dirección, freno y embrague que es de 90Bar como en el circuito de aperos, que es

180Bar.



Las posibles que se plantearon fueron:

� Freno, Embrague y Dirección dependientes de una bomba, y el circuito de

aperos de otra7, Figura 42.

Figura 42 -Esquema del circuito con Dirección, Embrague y Freno dependientes de una bomba y circuito de

Aperos en otra.

La ventaja que presenta este modelo es sobre todo una menor necesidad de

válvulas de control, necesitando menos espacio para su colocación pero sobre

todo un coste económico menor.

Sin embargo presenta en inconveniente de que toda la demanda de caudal

recaería sobre una única bomba mientras que la otra quedaría sobredimensionada.

7 El tractor Agria 9940 trae instalado de serie dos bombas hidráulicas, una para la dirección y otra para los aperos.



� Embrague y Dirección dependientes de una bomba y Freno y circuito de

Aperos en otra Figura 43 .

Figura 43 - Esquema del circuito con Embrague y Dirección dependientes de una bomba y Freno y circuito de

Aperos en otra.

Las ventajas que presenta este modelo son en primer lugar el menor número

de latiguillos que hay que llevar al módulo trasero del tractor con la

consecuente reducción en el precio, y en segundo lugar como la

electroválvula, de freno y aperos, está más cerca del cilindro del freno, se

reduce el peligro de rotura, y por lo tanto la pérdida del control del vehículo.

El inconveniente fundamental es un mayor coste, ya que al tener dos circuitos

independientes la necesidad de electroválvulas es mayor, con su consecuente

incremento del precio, que es mayor a la reducción en latiguillos.



� Las dos bombas en paralelo alimentando al circuito de la Dirección, del

Freno, del Embrague y al circuito de Aperos, Figura 44.

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.

Las ventajas que presenta esta solución es en primer lugar el incremento de la

velocidad de respuesta de los cilindros al tener doble caudal de alimentación,

lo que puede ser beneficioso en caso de frenadas de emergencias. En segundo

lugar, al tener las dos bombas en paralelo, si una de ellas falla y no

proporciona caudal, tenemos la otra. Esto lo hace especialmente interesante

para asegurar de una mayor fiabilidad el circuito de frenado.



Los inconvenientes que presenta este sistema son, en primer lugar, que al

tener las dos bombas conectadas en paralelo existe un único circuito. En este

único circuito la presión máxima de todos los cilindros es controlada por una

única válvula limitadora de presión, y esto es una desventaja por ejemplo en

los aperos, que disminuirían su presión de trabajo de 180 Bar a 90 Bar, con lo

que se vería reducido el peso de los aperos que el tractor puede transportar. Y

en segundo lugar, no se puede controlar la fuerza máxima que se ejerce sobre

los pedales de freno y embrague al no tener una válvula limitadora de presión

exclusiva para estos dos cilindros. Este problema surge si el cilindro

comercial que se pretende instalar no coincide exactamente con el diseñado

teniendo una superficie de actuación mayor, lo que se traduce en un aumento

de la fuerza que este puede hacer, pudiendo terminar en una deformación de

la parte más débil del circuito de freno o embrague. La solución para este

problema pasaría o bien por hacer coincidir el final de carrera del cilindro con

el final de carrera del mecanismo de freno o bien por la instalación de resortes

que limiten la fuerza.

En el diseño del sistema hidráulico se planteó también posibles alternativas en cuanto

al circuito de freno, buscando siempre una mayor seguridad y control de las

situaciones en caso de fallos o problemas. Las dos alternativas opuestas que se

plantearon fueron:



Figura 45 -Esquema circuito Freno Directo (Izquierda) y esquema de circuito Freno por Defecto (Derecha).

� Frenar por defecto. Este planteamiento permitiría frenar el vehículo sin

ninguna intervención humana o eléctrica-electrónica en el caso de que se

produjeran fallos o roturas en los cables de control, o que fallara la

alimentación de la electroválvula de freno. Este planteamiento consiste en

que la posición de reposo de la válvula de control del cilindro de freno

alimente por defecto a éste, y cuando se quiera frenar se libera el fluido.

El inconveniente que presenta este modelo es la necesidad de modificar el

programa de control ya diseñado o insertar un circuito eléctrico-electrónico

de negación de la señal.

� Frenado directo. Este planteamiento permite frenar el vehículo siempre y

cuando la electroválvula de control del freno reciba señal eléctrica.

La ventaja que presenta este modelo es en primer lugar que no necesita

modificar el programa de control ya diseñado o insertar un circuito eléctrico-

electrónico de negación de la señal. Y en segundo lugar la puesta en marcha y

arranque del vehículo es más sencilla.

El único y no poco importante que presenta este modelo es que no se podrá

frenar el vehículo en caso de fallo o falta de alimentación en la electroválvula

del freno.



El circuito implantado en el tractor Agria-Hispania 9940 y al que corresponderán

todos los análisis y desarrollos de este proyecto es, Figura 42:

� Dirección, Freno y Embrague alimentados por una bomba y Circuito de

Aperos alimentado por otra.

� Frenado directo.

Descrito y analizado el circuito hidráulico implantado en el tractor, se va a proceder a

describir y justificar cada uno de los elementos que lo componen, tanto las

características de diseño, como las características de los finalmente implantados.

Cilindros Hidráulicos.

El circuito hidráulico implantado en el tractor comercial consta de cuatro cilindros,

dos de ellos instalados de serie en el tractor y otros dos instalados debido a este

proyecto, y sus características son:

Cilindro de Dirección:

El cilindro utilizado para controlar la dirección en funcionamiento autónomo y

manual es el cilindro que viene instalado de serie en el tractor, y su función es crear

un movimiento relativo entre la parte delantera y trasera del vehículo dando lugar al

giro. Está instalado perpendicular al eje de giro del tractor, y es controlado por el

“orbitrol” de la dirección o por la electroválvulas del modo automático.

Las características de este cilindro son [sección 1.2.3.1]:

-Cilindro de doble efecto.

-Diámetro del pistón: 52mm

-Diámetro del Vástago: 25mm

-Carrera Útil: 87mm



-Presión máxima: 220Bar

-Sistema de sujeción del cilindro y el vástago por charnela.

Figura 46 - Esquema de un cilindro hidráulico de doble efecto (Izquierda) y cilindro hidráulico de la dirección

del tractor Agria 9940(Derecha).

Cilindro de Aperos:

El sistema de elevación de aperos se compone de dos cilindros de simple efecto sin

resorte para el retorno (los cilindros se recogen por el propio peso de los aperos) que

vienen de serie en el tractor.

Son controlados por una válvula distribuidora que es accionada eléctricamente, lo

que permite que sean controlados fácilmente en modo automático y a través de los

pulsadores en modo manual.

Las características de este cilindro son [sección 1.2.3.1]:

-Cilindro de simple efecto sin resorte de retorno.






Figura 47 -Esquema de un cilindro hidráulico de simple efecto (Izquierda) y cilindro hidráulico de elevación de

aperos del tractor Agria 9940(Derecha).

Cilindro de Freno:

El cilindro utilizado para controlar el freno es un cilindro de simple efecto de

tracción con muelle de retorno que ha sido diseñado en este proyecto y

posteriormente modificado para el tractor Agria 9940, Figura 48.

Se ha instalado actuando a tracción sobre el pedal del freno en la parte inferior

derecha del asiento del conductor, con la intención de protegerlo de posibles golpes y

buscando una posición que permita los dos modos de conducción y que sea en la

medida de lo posible estética.

El cilindro es controlado por una electroválvula distribuidora en el caso de

conducción automática, y en conducción convencional no será necesaria la

manipulación de este.

Las características generales de este cilindro son [Plano Nº 10]:

-Cilindro de simple efecto a tracción con muelle de retorno.





-Sistema de sujeción del cilindro por charnela y el vástago roscado.



Cilindro de Embrague:

El cilindro utilizado para controlar el embrague es un cilindro de simple efecto de

tracción con muelle de retorno, Figura 48, que al igual que el cilindro del Freno, ha

sido diseñado en este proyecto y posteriormente instalado en el tractor Agria 9940.

Figura 48 - Esquema de un cilindro hidráulico de simple efecto a tracción (Izquierda) y cilindro hidráulico de

elevación del freno y el embrague del tractor Agria 9940 (Derecha).

Se ha instalado actuando a tracción sobre el pedal del embrague, en el lateral

izquierdo del motor, con la intención de protegerlo de posibles golpes y buscando

una posición que permita los dos modos de conducción y que sea en la medida de lo

posible estética.

El cilindro es controlado por una electroválvula distribuidora en el caso de

conducción automática, y en conducción convencional no será necesaria la

manipulación de éste.

Las características generales de este cilindro son [Plano Nº 17]:

-Cilindro de simple efecto a tracción con muelle de retorno.








Bombas Hidráulicas.

El tractor comercial, estaba equipado de serie con dos bombas de engranajes

exteriores que están acopladas, mediante correa dentada, al eje del cigüeñal. Estas

dos bombas tienen sus respectivas curvas de funcionamiento [Anejo III] y como

cumplen los requisitos de diseño de caudal y presión para el nuevo circuito, Figura

42, se han conservado.

Figura 49 - Bombas Hidráulicas instaladas en el tractor Agria 9940.

La presión nominal de trabajo de estas bombas depende del circuito al que

suministren, siendo de 90Bar para el circuito de Dirección, Freno y Embrague, y de

180Bar para el circuito de aperos.

Como se demuestra en la sección 1.2.3.1, las bombas existentes de serie en el tractor,

Figura 49, cumplen con los criterios de diseño, siendo capaces de proporcionar el

caudal suficiente para que los tiempos de frenado en caso de emergencia no superen

1segundo. Esta es la razón por la que se han utilizado para la automatización del

vehículo.

Válvulas y Elementos Lógicos de Control.

Las válvulas y los elementos de control son los dispositivos gobiernan el paso de

fluido en una dirección u otra con el propósito final de actuar sobre los distintos

cilindros y asegurar la integridad del circuito.



Las válvulas pueden ser accionadas de forma manual, a través de solenoides si son

electroválvulas o de forma autónoma por señales de presión como los elementos

lógicos de control. Estos tres tipos de accionamientos han sido utilizados en la

automatización del tractor Agria 9940.

El control de las electroválvulas del tractor por parte del sistema de posicionamiento

y control, se realiza actuando sobre el caudal y no sobre el control de la presión de tal

forma que existen dos modos de posicionamiento:

� Dispositivo “todo/nada”, el que no es posible un control proporcional directo

de la posición del pistón, válido para el freno y el embrague.

� Posicionamiento Continuo, necesario para la dirección, basado en la apertura

de la válvula en intervalos variables de tiempo. Se lleva a cabo por

modulación de pulso PWM, mediante la aplicación de voltaje constante a la

electroválvula durante intervalos de tiempo variables.

100a

b

T

TPWM = (en %)

Figura 50 - Modulación del pulso mediante aplicación de tensión en intervalos de tiempo variables.

Para que sea más sencillo la descripción de las distintas válvulas instaladas, se va ha

dividir el circuito hidráulico general del tractor en dos partes, en un primer lugar el

circuito de Dirección, de Freno y de Embrague y en segundo lugar el circuito de

Aperos. En ambos casos se describirán brevemente cada una da las válvulas y

elementos que los forman y se justificará porqué se han instalado.



Válvulas y elementos Lógicos del circuito de Dirección, Freno y Embrague:

Este circuito es el mostrado en la Figura 51, y las válvulas que los componen son:

1) Electroválvula Bendi: Es una válvula distribuidora direccional de dos vías y

dos posiciones accionada eléctricamente y de recuperación por resorte. Su

función es cortar el paso de fluido al depósito cuando se acciona el freno, el

embrague o la dirección, y permitir el paso de fluido cuando ninguno de

estos controles es accionado, evitando que se pierda potencia en las válvulas

limitadoras de presión. Su solenoide es controlado por el sistema de control y

navegación. Este elemento ha sido instalado bajo este proyecto en el tractor,

se encuentra dentro del bloque de automatización [Plano Nº 3], sus

características quedan recogidas en el Anejo III y los criterios para su

selección son los calculados en la sección 1.2.3.1.

2) Electroválvula de accionamiento del freno: Es una válvula distribuidora

direccional de tres vías y dos posiciones accionada eléctricamente y de

recuperación por resorte. Su función es dirigir el fluido procedente de la

válvula de selección de modo al cilindro de freno y su solenoide es

controlado por el sistema de control y navegación. Este elemento ha sido

instalado bajo este proyecto en el tractor, se encuentra dentro del bloque de

automatización [Plano Nº 3], sus características quedan recogidas en el Anejo

III y los criterios para su selección son los calculados en la sección 1.2.3.1.

3) Acumulador: Es un acumulador de membrana empleado para asegurar en

todo momento presión en el circuito de freno. La válvula limitadora de

presión que lleva instalado evita que se produzcan sobre-presiones en el

acumulador. Este elemento ha sido instalado bajo este proyecto en el tractor,

y sus características quedan recogidas en el Anejo III y los criterios para su




Figura 51 - Esquema del circuito de Dirección, Freno y Embrague.

4) Válvula Antirretorno: Es una válvula con cierre forzado que únicamente

permite el paso de fluido en un sentido. Su función es permitir es el paso de

fluido a la electro-válvula del freno pero impedir que éste retroceda con lo

que gracias al acumulador se tiene siempre una reserva de presión para poder

actuar sobre el freno. Este elemento ha sido instalado bajo este proyecto en el

tractor, se encuentra dentro del bloque de automatización [Plano Nº 3], sus

características quedan recogidas en el Anejo III y los criterios para su


Cilindro Embrague

Cilindro Freno

Embra

Bendix

Freno

ManAuto

GiroDere

GiroIzqui

6

10

7

9

2 4 5

1

8

11 12

3



Figura 52 - Bloque hidráulico del circuito de Dirección, Freno y Embrague.

5) Electroválvula de accionamiento del Embrague: Es una válvula distribuidora

direccional de tres vías y dos posiciones accionada eléctricamente y de


válvula de selección de modo al cilindro de embrague y su solenoide es




III y los criterios para su selección son los calculados en la sección 1.2.3.1.

6) Válvula estranguladora: Es una válvula cuya finalidad es regular la velocidad

en el caudal de salida del cilindro del embrague con el propósito de reducir la

velocidad de embragado y con ello evitar arranques bruscos o posibles

“calados” del motor.

7) Electroválvula de accionamiento de la Dirección: Es una válvula distribuidora

direccional de cuatro vías y tres posiciones accionada eléctricamente y de


válvula de selección de modo al cilindro de dirección y su solenoide es






III y los criterios para su selección son los calculados en la sección 1.2.3.1

8) Unidad de dirección u “Orbitrol”: Es el elemento fundamental de la dirección

hidrostática. Es accionada mediante giro por el volante y su función es dirigir

el fluido al cilindro de dirección para provocar el giro. Además está equipado

con válvulas reguladoras de anti-cavitación y anti-choque. Este elemento ya

venía instalado de serie en el tractor y sus características quedan recogidas en

el Anejo III.

9) Electro-válvula de selección de modo de funcionamiento: Es una válvula

distribuidora direccional de tres vías y dos posiciones accionada

eléctricamente y de recuperación por resorte. Su función es dirigir el fluido

procedente de la bomba o bien a la unidad de dirección o bien al circuito que

alimenta los cilindros de automatización. Su solenoide es controlado por el

operador a través de un conmutador que tiene la posición de Modo

Automático o Modo Manual. Este elemento ha sido instalado bajo este

proyecto en el tractor, se encuentra dentro del bloque de automatización

[Plano Nº 3], sus características quedan recogidas en el Anejo III y los

criterios para su selección son los calculados en la sección 1.2.3.1.

10) Válvula limitadora de presión: Es un válvula de seguridad que funciona de

forma autónoma recirculando el fluido que es impulsado por la bomba al

depósito. Su presión de tarado son 90Bar. Este elemento ha sido instalado

bajo este proyecto en el tractor, ya que la navegación autónoma necesita

también una válvula de seguridad. Sus características quedan recogidas en el

Anejo III y los criterios para su selección son los calculados en la sección

1.2.3.1.

11) Bloque de válvulas antirretorno pilotadas: Es una antirretorno con apertura

pilotada que permite el paso de fluido en un sentido, y si la señal de presión

es suficiente en ambos sentidos. Su función es permitir es el paso de fluido al



cilindro de la dirección y evitar que en funcionamiento automático el fluido

se “escape” hacia el depósito. Este elemento ha sido instalado bajo este

proyecto en el tractor, sus características quedan recogidas en el Anejo III y

los criterios para su selección son los calculados en la sección 1.2.3.1.

12) Bloque regulador anti-cavitación y anti-choque. Es un bloque formado

principalmente por dos válvulas reguladoras de presión que están unidas de

tal manera que frente a golpes en la dirección por irregularidades del terreno

alivian el exceso de presión del circuito y previene también la cavitación.

Este elemento ha sido instalado bajo este proyecto en el tractor, se encuentra

dentro del bloque de automatización [Plano Nº 3] y dentro de la unidad de

dirección, sus características quedan recogidas en el Anejo III y los criterios

para su selección son los calculados en la sección 1.2.3.1.

Válvulas y elementos lógicos del circuito de Aperos, Figura 53:

Figura 53 - Esquema del circuito de Aperos.

SubAperoBajApero

Elevación Aperos Toma Auxiliar

14 15

13



13) Electroválvula de accionamiento de Aperos: Es una válvula distribuidora

direccional de cuatro vías y tres posiciones accionada eléctricamente y de


bomba al cilindro de elevación de aperos y su solenoide es controlado por el

sistema de control y navegación y por el operador mediante unos pulsadores.

Este elemento ha sido instalado bajo este proyecto en el tractor, sustituyendo

a una válvula de las mismas características pero de accionamiento manual.

Sus características quedan recogidas en el Anejo III y los criterios para su


14) Válvula de accionamiento de accesorios hidráulicos: Es una válvula

distribuidora direccional de cuatro vías y tres posiciones accionada

manualmente y de recuperación por resorte. Su función es dirigir el fluido

procedente de la bomba al circuito auxiliar y es controlada por el operador

mediante una palanca. Este elemento ya estaba instalado bajo en el tractor.

15) Válvula limitadora de presión: Es un válvula de seguridad que funciona de

forma autónoma recirculando el fluido que es impulsado por la bomba al

depósito. Su presión de tarado son 180Bar. Este elemento ya estaba instalado

bajo en el tractor.

Tubos y Mangueras.

Los tubos y mangueras (también llamados latiguillos) son los conductos por los que

circula el fluido entre los distintos elementos. La diferencia entre ellos es que los

tubos son rígidos, mientras que las mangueras son flexibles.

Todos los tubos y mangueras que se han instalado en la automatización del tractor

Agria 9940 son de tamaño 3/8”, produciendo velocidades del fluido de 5.8m/s,

velocidades típicas de líneas de presión y de retorno [sección 1.2.3.1].



Sistema de filtrado.

El circuito hidráulico del tractor Agria 9940 dispone de un doble sistema de filtrado

que ha sido utilizado íntegramente y sin modificación alguna en el proceso de

automatización.

En primer lugar, tiene instalado el denominado filtro de succión (también llamados

“strainers”) situados inmediatamente antes del grupo de impulsión, de manera que

protege de la entrada de partículas en el cuerpo de las bombas. Estos filtros se

emplean para el control de la contaminación por partículas sólidas, generadas

internamente por procesos de desgaste o de erosión de las superficies de la

maquinaria, permitiendo preservar la vida útil tanto de los componentes del equipo

como del fluido hidráulico.

En segundo lugar, tiene un filtro de venteo situado en los respiraderos del depósito, y

permite limitar el ingreso de contaminantes procedentes del aire

Depósito de almacenamiento.

Para la automatización del tractor Agria 9940 se ha utilizado como reserva hidráulica

el depósito instalado de serie en el tractor comercial que tiene una capacidad de 7

litros.

Esta capacidad es más que suficiente para abastecer al circuito instalado de serie y a

las modificaciones tras la automatización. Las variaciones de volumen debido al

incremento de temperatura tienen un valor 0.06 litros por lo que no tienen una gran

influencia en el volumen total. Por esta razón no se ha cambiado el depósito instalado

de serie por otro de mayor capacidad.



Sistema de refrigeración.

En todo sistema hidráulico las pérdidas de potencia hidráulica son almacenadas por

el aceite y los componentes del sistema en forma de aumento de la temperatura. El

sistema de refrigeración del tractor Agria 9940 no está compuesto por un radiador de

convección forzada, sino que estas pérdidas son entregadas al entorno a través de la

superficie del sistema. Después de la fase de calentamiento se establece un equilibrio

entre el calor aportado y el entregado que hace subir la temperatura del aceite a 41ºC

[sección 1.2.3.1].

1.1.3.4.2 Sistema Eléctrico

El sistema eléctrico del tractor Agria 9940 está formado por un subconjunto de

sistemas eléctricos, uno de ellos instalado de serie en el tractor comercial y los

restantes instalados tras el proceso de automatización para navegación autónoma.

Los diferentes subsistemas que lo forman no son más que diferentes modificaciones

e instalaciones de elementos que se han sido implantados sobre el circuito eléctrico

de serie del tractor [Plano Nº 7]. Los diferentes circuitos eléctricos que componen el

sistema general son:

Instalación de serie del tractor. Formada por todos aquellos elementos que

permiten accionar el motor de arranque, el sistema de luces y pilotos que señala las

maniobras de la conducción, así como los sensores de aceite y temperatura del motor.

El consumo eléctrico de dicha instalación se puede clasificar en dos totalmente

diferenciados, en primer lugar el referente al motor de arranque y en segundo lugar

el referente a luces, pilotos y sensores. Ambos consumos no se dan a la vez, ya que



primero arrancas el vehículo y posteriormente enciendes y conectas todas las luces,

por esta razón se considerarán consumos alternativos. En este proyecto interesa sobre

todo el consumo de luces y accesorios, ya que el sistema de navegación autónoma

comienza a funcionar cuando el tractor ya está encendido. Este consumo es de 151W

[sección 1.2.3.2] y corresponde con el consumo promedio de todos los elementos que

instalados de serie en el tractor [Plano Nº 7].

Circuito eléctrico de los sistemas de sensorización y control. Este circuito está

formado por aquellos sistemas que han sido instalados con el propósito de guiar y

localizar al tractor durante su funcionamiento autónomo. Este sistema lo forma un

PC portátil, un Láser, un sistema GPS, un Bumper, una Brújula, una cámara y todos

ellos tienen un consumo de 178.5W [sección 1.2.3.2].

Instalación eléctrica de selección de modo, de emergencia y de actuación [Plano

Nº 6]. Esta instalación eléctrica, diseñada en este proyecto, está formada por todos

los elementos eléctricos del sistema de selección de modo, la seta de emergencia y

por los distintos actuadores eléctricos.

Todos estos sistemas eléctricos están conectados en paralelo y su fuente de

alimentación es un alternador instalado en el propio motor del tractor que recibe

potencia mecánica a través de una correa de distribución y la transforma en energía

eléctrica, almacenándola en una batería de corriente continua. Esta batería permite en

primer lugar disponer de energía eléctrica cuando el motor no se encuentra

encendido, y en segundo lugar sirve de colchón cuando la corriente suministrada por

el alternador no es superior al consumo puntual del tractor.

Este sistema eléctrico de selección de modo, de emergencia y alimentación de los

actuadores ha sido diseñado bajo este proyecto y los diferentes elementos instalados

son, Figura 54:



Figura 54 - Esquema Eléctrico Automatización Agria 9940.

Actuador lineal eléctrico del acelerador.

El actuador lineal eléctrico es el sistema de actuación que se ha implantado en el

tractor Agria 9940 para controlar la aceleración y desaceleración del motor.

Figura 55 - Cilindro eléctrico que actúa sobre el acelerador.

Se ha elegido actuar mediante un dispositivo eléctrico sobre el acelerador en primer

lugar por las muy bajas velocidades de actuación necesarias para controlar el

acelerador, en segundo lugar por la poca fuerza necesaria para accionar el sistema de

inyección y en tercer lugar, y la razón más importante, porque es necesario que en la

aceleración de un vehículo se pueda controlar en todo momento la posición de esta,



de forma precisa. Los parámetros exactos en los que se ha basado la elección de este

actuador se encuentran en la sección [sección 1.2.2.1].

El dispositivo elegido para la automatización del tractor Agria 9940 es un actuador

lineal comercial de la empresa “ELERO”, Figura 55, modelo “JÚNIOR 1”, que se

compone básicamente de un motor eléctrico rotativo que actúa sobre un sistema de

engranajes y de tornillo sin fin, transformando el movimiento rotativo en movimiento

lineal.

Este dispositivo es controlado por el sistema de navegación y control instalado en el

tractor, que mediante la actuación sobre un relé permite el paso de corriente en uno u

otro sentido (dependiendo si se quiere acelerar o desacelerar).La posición del

acelerador se controla gracias a un potenciómetro lineal que se encuentra instalado

en el propio actuador eléctrico y se podrá controlar mediante un control proporcional

integral (PID).

Los detalles dimensionales, características de funcionamiento, esquema de

conexionado y potencias de accionamiento están reflejadas en la sección de Anejos

III de este documento.

Solenoide de parada del motor.

El elemento eléctrico empleado para accionar el sistema de parada del motor es un

solenoide de tracción, que actúa sobre el corte de inyección del motor.

Figura 56 - Solenoide de parada del motor.



Se ha decidido actuar sobre la parada del motor mediante un dispositivo eléctrico en

primer lugar por requerir una fuerza de accionamiento y un tiempo de accionamiento

reducidos, en segundo lugar por ser un mando sobre el que únicamente se actúa en

reducidas ocasiones, por lo que el consumo eléctrico será puntual, en tercer lugar,

porque la relación coste-fiabilidad es la más óptima, y por último lugar por requerir

posicionamiento todo/nada.

El dispositivo elegido para la automatización del tractor Agria 9940 es un solenoide

modelo “Serie 124 Tubural Solenoid Pull type” de la empresa “Black Knight”,

Figura 56, que es accionado mediante el paso de corriente por el sistema de control,

que permite controlar fácilmente la posición (todo/nada).




Solenoides de las electroválvulas.

El sistema hidráulico que ha sido descrito ampliamente con anterioridad es

controlado totalmente, menos el circuito auxiliar de aperos, por sistemas eléctricos de

empuje que mueven las posiciones de las válvulas. El elemento principal de estos

sistemas son los solenoides, que son unas bobinas conectadas a un circuito eléctrico,

y cuando por este actúa una corriente crea un campo magnético que atrae o repulsa

un cilindro de material ferromagnético, Figura 57.



Figura 57 - Sección de la electroválvula Bendi de dos posiciones (Izquierda) y sección la electroválvula de

dirección de tres posiciones (Derecha).

Estos sistemas son controlados por el sistema de navegación, controlando su

funcionamiento mediante el paso o no de corriente [sección 1.1.3.4.1].




Pulsador Seta de emergencia.

En toda instalación sea de la naturaleza que sea es necesario disponer de un sistema

que permita dejar a ésta en un estado en el que no produzca peligro ni a las personas

ni a la propia máquina.

En el tractor que ha sido automatizado en el Instituto de Automática Industrial del

CSIC se ha instalado un sistema de emergencia tal que permite en todo momento

parar el tractor se si está funcionando en modo automático. El principio de

funcionamiento de este sistema es actuar sobre las electroválvulas de freno y

embrague del tractor, permitiendo parar el vehículo en cualquier momento. Este

sistema es puramente eléctrico, no siendo controlado por PLC´s ni cualquier otro tipo



de sistema programable automático, lo que le confiere una elevada fiabilidad,

permitiendo su uso en cualquier tipo de situación.

El elemento fundamental es un interruptor-pulsador denominado “Seta de

Emergencia” con un contacto normalmente abierto y otro normalmente cerrado,

Figura 58. El circuito normalmente cerrado en caso de emergencia se abrirá, no

permitiendo la circulación de corriente eléctrica a las electroválvulas de los aperos.

Mientras el contacto normalmente abierto en caso de emergencia se cerrará,

permitiendo el paso de corriente a las electroválvulas de Freno, Embrague y válvula

“Bendi”, lo que producirá la parada del tractor.

Este sistema de emergencia no incluye el actuar sobre la parada del motor o sobre la

aceleración, ya que ésta en determinadas situaciones de emergencia es preferible que

estos mandos sean controlados por un operador y si se la corta el suministro eléctrico

éste no podrá actuar.

Los detalles dimensionales, características de funcionamiento y esquema de

conexionado están reflejadas en la sección de Anejos III de este documento.

Figura 58- Seta Emergencia (Izquierda), Interruptor conmutador de Modo (Centro) y pulsadores de control de

aperos (Derecha).

Conmutador modo manual-Automático

Una de las principales ventajas del sistema de actuación desarrollado en este

proyecto es su facilidad de utilización, y esto es debido en gran parte a la facilidad



con la que se pasa de modo “conducción convencional o manual” a modo

“automático”. El paso de un modo a otro se realiza mediante el giro por parte del

operador de un conmutador de dos posiciones, que lo que hace es actuar sobre una

electroválvula que recircula el fluido o bien al sistema de dirección manual y de serie

en el tractor, o bien al bloque de electro-válvulas del modo automático.

Este conmutador es un interruptor giratorio de conmutación monopolar con una

capacidad de corriente nominal de 20ª, Figura 58. Los detalles dimensionales,

características de funcionamiento, esquema de conexionado y potencias de

accionamiento, están reflejadas en la sección de Anejos III de este documento.

Pulsadores de control de aperos

Debido a la modificación realizada en la válvula distribuidora de elevación de aperos

que ha sido sustituida por una electroválvula, ha sido necesario instalar un

dispositivo que permita al operador subir y bajar los aperos, cuando éste se encuentra

en conducción convencional.

Este dispositivo son dos pulsadores (uno para subir los aperos y otro para bajarlos)

con un contacto normalmente abierto y otro normalmente cerrado en cada pulsador,

con una capacidad de corriente nominal de 15ª, Figura 58. Los detalles

dimensionales, características de funcionamiento y esquema de conexionado y

potencias de accionamiento están reflejadas en la sección de Anejos III de este

documento.

Cables

Los cables utilizados para la automatización del tractor Agria 9940 son cables

diseñados para vehículos, que tiene la característica de soportar mayores

temperaturas en régimen nominal, ya que el la mayoría de las ocasiones se

encuentran cerca de un motor de combustión interna alternativo.



La sección de los conductores elegida finalmente es de:

� Conductores de alimentación general: 2.5mm2

� Conductores de alimentación a actuadores:1 mm2

Análisis de la capacidad del alternador.

Como consecuencia de los nuevos elementos instalados en el tractor, se ha tenido

que analizar si la capacidad de corriente, del alternador de serie o la batería, es

suficiente. De este análisis se ha podido deducir que es necesario sustituir el

alternador existente por otro, capaz de producir mayor potencia eléctrica en

condiciones de régimen nominal del motor.

Las características que debe cumplir el nuevo alternador son [sección 1.2.3.2]:

� Intensidad de corriente a 3000rpm ≥ 30A.

� Tensión de suministro: 12.5V

La mejora o sustitución del alternador implica también la sustitución del rectificador

por otro de mayor corriente nominal.



1.1.3.5 Mecanismos de Actuación

Una vez elegidos los sistemas de actuación y los diferentes actuadores que

controlarán cada uno de los mandos, es necesario el diseño de los mecanismos y

piezas que permitirán acoplar los actuadores sobre los mandos.

Este diseño se ha realizado bajo la premisa y objetivo de que el sistema instalado

debe permitir tanto la conducción manual como la automática. Por otro lado, y dado

que se pretende la optimización del sistema, los criterios de selección de material y

de las dimensiones de las distintas piezas están condicionados por la reducción de su

coste de fabricación pero siempre garantizando la seguridad del vehículo.

Los mecanismos de actuación dependen de cada uno de los mandos a controlar, y

cada uno de ellos se muestra en las siguientes líneas a modo de descripción general.

Para una descripción más detallada se recomienda ver la sección 2.2 (Planos) de este

proyecto, donde se puede observar detalladamente características dimensionales y

geométricas de cada una de las piezas. Así mismo, se recomienda ver la sección

1.2.4, si se requiere más información sobre la elección de los materiales empleados,

propiedades de estos y criterios estructurales para el diseño de las piezas.

Acelerador y Parada:

El mecanismo utilizado para actuar a partir del cilindro eléctrico del acelerador y el

solenoide de parada sobre la unidad de inyección, es un sistema de camisa y cable

interior. Este sistema de basa en un tubo flexible de acero que se une de forma rígida

en sus dos extremos al propio vehículo, de tal manera que sirve de guía un cable de

acero flexible que se introduce en su interior, Figura 59. Este cable de acero se une

en uno de sus extremos al actuador, mientras que el otro se une al elemento o mando

que se desea controlar, de tal manera que se transmite un movimiento de tracción.



Se ha utilizado este sistema por su simplicidad, fiabilidad y porque se desea tener

todos los actuadores en el hueco cercano a la batería para que estos estén protegidos.

Figura 59 - Cable de actuación sobre el acelerador y sobre la parada del motor.

Freno:

Para este actuador se ha optado por un sistema más complejo pero a la vez más fiable

y seguro. Para ello se ha tenido que modificar el pedal del freno añadiéndole una

pieza en su parte posterior, de tal manera que permita trabajar a tracción el cilindro

anteriormente diseñado, Figura 60.

Figura 60- Mecanismo del sistema de freno.



Embrague:

Este mecanismo, al igual que el del sistema de frenos, consiste en trabajar a tracción

con el cilindro anteriormente diseñado. Para ello se han tenido que modificar piezas

de serie del vehículo que permiten controlar el embrague, Figura 61.

Figura 61 - Mecanismo del sistema de Embrague.

Aperos y Dirección:

Para la actuación sobre los aperos y la dirección, no se ha tenido que diseñar ningún

mecanismo, ya que como se actúa sobre elementos instalados de serie en el tractor,

únicamente se requiere controlar el fluido mediante los bloques descritos en

secciones anteriores.



1.1.4 Validación del sistema y

comprobación en banco de pruebas.

Una vez el sistema hidráulico y eléctrico ha sido diseñado, solo resta la

comprobación de su correcto funcionamiento antes de su fabricación para depurar

errores y la posterior verificación final antes de su implementación en el tractor.

En este apartado se recogen y describen dos tareas, cuya realización o puesta en

práctica está distanciada unos meses en el tiempo, pero que han sido llevadas a cabo

durante la fase de automatización del tractor. En primer lugar, se encuentra la

validación del sistema hidráulico y eléctrico mediante el programa de simulación

“Automation Studio 5.0” y en segundo lugar, la verificación en banco de pruebas del

sistema finalmente construido, como paso previo a su implementación en el tractor.

Validación del sistema.

Antes de cualquier fase de fabricación de un sistema automático, es necesario la

verificación de su correcto funcionamiento, con el objetivo de depurar errores o

fallos en el diseño que una vez el sistema esté fabricado tenga un elevado coste su

sustitución.

Con tal fin, en este proyecto se procedió a la verificación del sistema hidráulico y el

sistema de mando eléctrico, antes de fabricar cualquiera de los múltiples elementos

que han sido construidos expresamente para la automatización del tractor Agria

9940. Esta verificación inicial se llevo a cabo con el programa “Automation Studio

5.0”. Un programa de simulación simultánea y en tiempo real, de instalaciones

hidráulicas, neumáticas, eléctricas y electrónicas, que permitió solventar algunos



errores y comprobar los requisitos de tiempos, velocidades y fuerzas impuestos como

criterios generales de diseño.

Con el objetivo de mostrar el correcto funcionamiento del sistema diseñado, en las

siguientes líneas se procede a describir cuatro estados de funcionamiento del sistema

hidráulico, así como la salida del programa para estos estados. En dichas salidas

únicamente se podrá observar la presión de los manómetros y las líneas que disponen

de presión (rojas), debido a la imposibilidad de mostrar los tiempos de actuación por

el tipo de formato en el que se expone este documento.

En la Figura 62, se puede observar el estado de reposo del sistema en modo de

funcionamiento manual y sin actuar sobre la dirección, con lo que el fluido es

recirculado al depósito, tanto en el circuito de dirección como en el circuito de

aperos.

Figura 62- Salida hidráulica del programa “Automation Studio” en estado de reposo en modo manual.



En segundo lugar, Figura 63, se puede observar como en modo de funcionamiento

manual al actuar sobre el volante de dirección se recircula fluido hacia el cilindro de

dirección provocando su desplazamiento, y aunque también se recircula fluido hacia

el sistema de automatización de la dirección, este no tiene ningún efecto.

Figura 63 - Salida hidráulica del programa “Automation Studio” en modo manual actuando sobre el volante de

dirección.

En tercer lugar, Figura 64, se puede observar como en modo de funcionamiento

automático, se actúa sobre la dirección por medio de la válvula distribuidora y

también es importante prestar atención al detalle del circuito de freno, ya que en el

momento en el que se selecciona el modo automático, se carga de presión el

acumulador, lo que permite disponer de fluido a presión para el freno en cualquier

momento, independientemente de si por fallo o avería es tractor pierde el suministro

hidráulico. Se puede observar también en figura 64 la actuación sobre el circuito de

aperos.



Figura 64 - Salida hidráulica del programa “Automation Studio” en modo de funcionamiento automático

actuando sobre la dirección y sobre el sistema de aperos.

Por último, Figura 65, se puede observar como en modo de funcionamiento

automático se actúa sobre el cilindro de freno y el cilindro de embrague, con el

propósito de detener el vehículo.



Figura 65 - Salida hidráulica del programa “Automation Studio” en modo de funcionamiento automático

actuando sobre el cilindro de freno y el cilindro de embrague.

Con estas líneas se ha pretendido dar una visión general del modo de funcionamiento

del sistema hidráulico y las distintas actuaciones que puede llevar a cabo, a través de

cuatro salidas proporcionadas por el programa “Automation Studio 5.0”.

Comprobación en Banco de Pruebas.

Una vez fabricados a medida los cilindros hidráulicos de freno y embrague, así

como los bloques de electroválvulas para el sistema autónomo, se procedió a

verificar su correcto funcionamiento antes de instalar el sistema hidráulico en el

tractor. Para ello se montó en un banco de pruebas paralelo al tractor todo el sistema

hidráulico y mediante los controles del sistema de posicionamiento, se procedió a

simular una navegación teleoperada, como paso previo a la navegación autónoma.



En dicha simulación se verificó el correcto funcionamiento de todos los componentes

hidráulicos, así como del conjunto, procediendo a dar el visto bueno para su

instalación completa en el tractor.

Figura 66 - Montaje y verificación de funcionamiento del sistema hidráulico en banco de pruebas.



1.1.5 Conclusiones. Las conclusiones de este proyecto permiten la navegación teleoperada y no tripulada

de un vehículo agrícola, siendo capaz de resolver las situaciones previsibles y gran

parte de imprevisibles, siendo un paso más a la simple ayuda a la conducción, que

hasta la fecha se viene desarrollando en mayor medida.

Los objetivos de este proyecto han sido el diseño y desarrollo de un sistema de

actuación sobre los mandos de un vehículo agrícola, que permite sustituir al operario

en la conducción de éste en entornos dinámicos y de exteriores. El trabajo aquí

presentado ha tenido desde sus inicios el propósito de ir más allá de la mera

propuesta de un modelo teórico de control de los mandos, por lo que éste se ha

validado experimentalmente implantándolo en un sistema real complejo, y por tanto

afrontando todos los problemas y la carga de trabajo que esto conlleva. A tal fin se ha

automatizado y sensorizado el tractor comercial Agria-Hispania 9940, que se ha

denominado DÉDALO, Figura 67, lo que ha permitido la validación del sistema

tanto en navegación global, como en navegación de laboreo.

Al término de este proyecto se proyecto se pueden destacar las siguientes

conclusiones:

� Se ha realizado un estudio económico y de fiabilidad de los posibles sistemas

de control y modos de actuación sobre los mandos de un vehículo agrícola.

� Se ha diseñado y construido un sistema hidráulico que permite el control de la

dirección, del sistema de frenado, de la elevación de los aperos, así como del

embrague del vehículo. Este sistema hidráulico es gobernado a través de un

bloque de electroválvulas fabricado bajo las indicaciones de este proyecto.

� Se han diseñado unos sistemas de actuación de accionamiento eléctrico que

permiten el control de la aceleración del vehículo así como la parada del

mismo.



Figura 67-Tractor DÉDALO tras su automatización.

� Se ha diseñado y montado un sistema eléctrico que permite gobernar las

electroválvulas y los actuadores eléctricos anteriormente mencionados.

� Todos los sistemas diseñados se han basado, en primer lugar, en asegurar la

fiabilidad y la seguridad del sistema asegurando en todo momento que se

puede para el vehículo incluso frente a fallos de alimentación de energía

(eléctrica o hidráulica), gracias a la instalación de acumuladores hidráulicos

en el sistema de freno y al diseño del circuito hidráulico. En segundo lugar,

en permitir que el tractor pueda ser conducido en modo de funcionamiento

convencional o en modo de funcionamiento autónomo. Y en tercer lugar,

buscando la optimización y reducción de costes en todos los diseños.



� Se ha diseñado y fabricado todas las piezas, de los diferentes mecanismos,

para instalar los sistemas de actuación sobre un tractor comercial.

� Finalmente se ha montado y verificado el funcionamiento de todos los

sistemas diseñados y fabricados, sobre el tractor comercial Agria-Hispania

9940, en las instalaciones del Instituto de Automática Industrial del Centro

Superior de Investigaciones Científicas, IAI-CSIC.

Recapitulando, se ha desarrollado una plataforma automatizada completamente

operativa, sobre un tractor comercial real, en un escenario donde hay pocos vehículos

completamente automatizados, pero que ofrece unos beneficios potenciales enormes,

de gran interés en la Agricultura de Precisión, en la explotación de grandes

extensiones de terreno, y en mantenimiento de los cada vez más abundantes ampos

de golf, tal y como se describe en la sección 1.3.

El valor total de la automatización del vehículo Agria-Hispania 9940 asciende a

38000€, de los cuales 25000€, corresponden al valor de compra del tractor comercial,

y solo 7300€, que representan el 19% del coste total, se deben al proceso de

instalación y diseño de los sistemas de actuación, que ha sido llevado a cabo bajo

este proyecto.

Firmado: José Miguel Blázquez Jiménez

Fecha: 23 de Junio del 2008

Cálculos 112


1.2 CÁLCULOS

Cálculos 113


1.2 Cálculos:

Índice General

Pág.

1.2.1 Cálculo de parámetros de accionamiento de los mandos a automatizar

del vehículo..............................................................................................................114

1.2.2 Cálculos de los posibles sistemas de actuación..........................................123

1.2.2.1 Cálculos sistema eléctrico ................................................................123

1.2.2.2 Cálculos sistema neumático .............................................................131

1.2.2. Cálculos sistema hidráulico ................................................................137

1.2.3 Cálculos de los sistemas instalados.............................................................141

1.2.3.1 Cálculos sistema hidráulico ..............................................................141

1.2.3.2 Cálculos sistema eléctrico ................................................................150

1.2.4 Cálculos estructurales .................................................................................154

Cálculos 114


1.2.1 Cálculos de requisitos de

accionamiento de los mandos a

automatizar en el vehículo

Para el desarrollo del sistema de actuación de este vehículo agrícola se ha trabajado

con la hipótesis de que su principal cometido en modo de funcionamiento

automático, es el arrastre de aperos, tales como arados, fumigadores y cortacésped,

por lo tanto su velocidad lineal máxima será de 7.18 Km/h [Anejo I] equivalente a 2

m/s al régimen máximo de giro del motor (3000rpm) [Anejo III].

Vmax = 7.18Km/h= 2m/s (3000rpm)

Dirección:

� Momento necesario para hacer girar la unidad de dirección, Figura 68.

El par de necesario para producir el giro del volante se

obtuvo de las características técnicas de la unidad de

dirección y su valor fue de 6 [Nm].

Con el propósito de asegurar este valor se procedió a

medir con una llave dinamométrica con un rango de

10Nm y el valor medido fue de 6,6 [Nm].

� Velocidad de giro del volante:

La válvula “Orbitol” que lleva instalada la unidad de dirección dispone de un rango

de giro de 2 vueltas.

M

Figura 68 -Par de accionamiento del volante.

Cálculos 115


El tiempo medio empleado, en condiciones de funcionamiento normal, por una

persona para girar dos vueltas se obtuvo de un pequeño estudio resultando una media

de 8 segundos.

sradrpmsegundovueltasVangular /57.11525.0

8

2 ====

� Fuerza necesaria para mover de forma relativa la parte delantera y

trasera del tractor en condiciones más desfavorables, Figura 69.

La fuerza, F, que tiene que ser capaz de vencer

el actuador lineal de la dirección tiene que ser

mayor o igual a la resistencia máxima, en

condiciones más desfavorables, para que pueda

hacer girar las ruedas directrices del vehículo.

Las características físicas del cilindro de

dirección son las siguientes:

Cilindro de doble efecto

Carrera teórica: 100mm

Carrera real: 87mm (Longitud útil desde

6mm hasta 93 mm).

Diámetro Pistón: 52mm

Diámetro vástago: 25mm

Presión máxima: 220Bar

Juntas estándar (Velocidades máximas entre 6 y 10 m/min)

Parámetros del sistema de dirección son los siguientes:

Presión de servicio: 90Bar

Ángulo máximo girado por las ruedas: +30º y -30º (Figura 70).

F

F

Figura 69 - Aplicación de la fuerza de accionamiento de la dirección.

Cálculos 116


Figura 70 - Ángulo máximo de giro del tractor.

Con los datos anteriores y aplicando el principio de Pascal obtenemos la fuerza de

accionamiento de la dirección:

S

FP =

Ecuación 1-Principio de Pascal. Donde F es la fuerza originada, P la presión del fluido y S la superficie sobre la que actúa el fluido.

Fuerza en giro a la derecha [N]:

][8.1910364.212210

9064.2122

410

][][ 222

NmmDAmmABarP

F =⋅⋅=

=⋅==⋅= π

Fuerza en giro a Izquierda [N]:

( ) ][1.14688163210

901632

410

][][ 2222

NmmdDAmmABarP

F =⋅⋅=

=−⋅==⋅= π

Se ha considerado para este caso que no hay presión a la salida del cilindro, con el

objetivo de calcular la fuerza máxima necesaria para girar el tractor en condiciones

de diseño del fabricante. Esta fuerza es 19103.8 [N].

Cálculos 117


Freno:

� Tiempo máximo en para llevar el pedal del freno al fin del recorrido:


persona para presionar a fondo el freno se obtuvo de un pequeño estudio resultando

una media de 0.5 segundos.

La velocidad anteriormente calculada es la empleada por una persona, pero por

criterio de diseño principalmente determinado por el alcance del láser detector de

obstáculos se aceptarían tiempos de hasta 1 segundo.

La distancia que recorrerá el tractor a la velocidad de diseño (2m/s) es:

mssmtvS 15.0/2 =⋅=⋅=

mssmtvS 21/2 =⋅=⋅=

� Presión hidráulica necesaria para detener el tractor:

El par necesario para detener el vehículo se obtuvo de mirar la presión nominal en las

características de la cilindro maestro y este fue de 55Bar o 5,5N/m2.

� Fuerza necesaria para actuando sobre el pedal de freno detener el

tractor:

Figura 71 - Esquema del mecanismo de accionamiento del freno y fuerzas aplicadas en él.

F Cilindro

F Pedal a

d

A

a= 360mm d=70mm

Cálculos 118


La fuerza, F Pedal, medida con un dinamómetro varía desde los 50 N necesarios para

empezar a frenar hasta los 310 N para llevar el pedal al fondo de su recorrido. Es

importante mencionar que el tractor no dispone de ayuda al frenado por circuito de

vacío como la mayoría de los vehículos.

Aplicando momentos respecto al eje de giro A y aplicando la mayor fuerza posible

sobre el pedal, se obtiene:

][16003.159431070

360NF

d

aF PedalCilindro ≈=⋅=⋅=

Embrague:

� Tiempo máximo en para llevar el pedal del embrague al fin del

recorrido:


persona para presionar a fondo del embrague se obtuvo de un pequeño estudio

resultando una media de 0.5 segundos.

La velocidad anteriormente calculada es la empleada por una persona, pero por

criterio de diseño principalmente determinado por el alcance del láser detector de

obstáculos se aceptarían tiempos de hasta 1segundo.

La distancia que recorrerá el tractor a la velocidad de diseño (2m/s) es:

mssmtvS 15.0/2 =⋅=⋅=

mssmtvS 21/2 =⋅=⋅=

Cálculos 119


� Momento necesario para desembragar:

Figura72-Esquema del mecanismo de accionamiento del embrague y fuerzas aplicadas en él.

La fuerza, F Pedal, máxima para accionar el embrague medida con un dinamómetro es

de 176.8 N.

Aplicando momentos respecto al eje de giro A y sobre el eje de giro E, se obtiene el

momento máximo necesario para accionar el embrague:

][84.7268.17690

370NF

a

dT Pedal =⋅=⋅=

][7368.721008.726 NmcTM Embrague ≈=⋅=⋅=

� Velocidad máxima de embrague:

Esta velocidad corresponde a la velocidad máxima a la que se puede embregar para

que no se cale el motor.

Este valor fue experimental y se dedujo que el tiempo mínimo que se debe estar

embragando es de 5 [s], por lo tanto en función de donde se instale el actuador y la

carrera de éste de obtendrá la velocidad máxima de embragado.

][5

][]/[

s

muadorCarreraActsmV doMaxEmbraga =

T

a= 90mm d=370mm c=100mm

M Embrague

F Pedal

a

d

A E

B

C

c

T

Cálculos 120


Acelerador:

� Momento necesario para hacer girar la unidad de inyección:

Figura 73 -Esquema del mecanismo de accionamiento del acelerador y par aplicado en él.

El momento necesario para accionar el acelerador, medido con una llave

dinamométrica de rango 10 [Nm], varía de la siguiente forma: Comienzo de

aceleración 0.2 [Nm], Aceleración a medio gas 2 [Nm] y aceleración máxima 4.2

[Nm]. Por lo tanto el dispositivo de aceleración tiene que ser capaz de vencer 4.2

[Nm].

� Velocidad máxima de actuación:

La velocidad máxima de aceleración dependerá de la carrera del actuador. Pero

considerando que éste pueda tener una carrera de 20[mm] la velocidad de actuación

se estima que deberá ser menor de 1.5 [mm/s].

M

Cálculos 121


Elevación de Aperos:

� Fuerza de accionamiento del mando de la válvula distribuidora:

La fuerza de accionamiento de la válvula distribuidora fue una medida experimental

con un dinamómetro y el valor máximo de accionamiento es de 10[N].

� Fuerza que deben realizar los actuadores lineales para elevar los aperos:

Figura 74 -Esquema del mecanismo de accionamiento del elevador hidráulico y fuerza aplicada.

La fuerza que deben realizar cada uno de los dos actuadores del enganche tripuntal se

calculará en función de la presión máxima de trabajo del circuito hidráulico de

elevación de aperos y la superficie sobre la que actúa el fluido sobre los cilindros de

elevación.

Presión de trabajo del circuito de elevación de aperos: 180Bar

Diámetro Pistón cilindro: 52mm

Aplicando el principio de Pascal (Ecuación 1) se obtiene:

F

Cálculos 122


][6.3820764.212210

18064.2122

410

][][ 222

NmmDAmmABarP

F =⋅⋅=

=⋅==⋅= π

Parada Motor:

� Momento de accionamiento del corte de inyección:

Figura75-Esquema del mecanismo de parada y par aplicado en él.

El momento necesario para accionar el corte de inyección es 1.5 [Nm], y fue medido

con una llave dinamométrica de rango 10 [Nm].

� Tiempo máximo en para llevar el tirador de parada al fin del recorrido:


persona para accionar el tirador de parada se obtuvo de un pequeño estudio

resultando una media de 1 segundos.

M

Cálculos 123


1.2.2 Posibles sistemas de actuación

1.2.2.1 Cálculos Sistema Eléctrico A continuación se desarrollan los cálculos para determinar potencias, fiabilidad y

precios, de los diferentes elementos que serían necesarios instalar, si todos los

sistemas de actuación de vehículo fueran accionados eléctricamente.

Para todos los elementos eléctricos se supondrá una tensión de diseño de 12V ya que

esta es la tensión del circuito eléctrico instalado de serie en el tractor.

Dirección:

Si el sistema de actuación tuviera que ser eléctrico la forma óptima de automatizar la

dirección sería un motor de corriente continua que actuara sobre el eje de la unidad

de dirección mediante un sistema de engranajes o mediante un sistema de

transmisión mediante correas (ver Figura27).

Los requisitos que tendría que cumplir el motor a un mínimo coste serían [sección

1.2.1]:

Par accionamiento: 6.6 Nm

Velocidad angular: 15 rpm

Elemento elegido:

Elemento Motor

Tensión Nominal 12V

Corriente Nominal 5A

Velocidad Nominal 40 rpm

Par Nomianl 5 Nm

Precio 113,73 € Tabla 5-Características del motor eléctrico de la dirección.

Cálculos 124


La necesidad de un sistema de correas y poleas para transmitir la potencia al eje de la

dirección, y ajustar el par y la velocidad de giro a los criterios de diseño

incrementaría el coste en un 15%.

La fiabilidad del sistema en un entorno al aire libre con condiciones atmosféricas

variables, elevada humedad y ambiente polvoriento le dan un índice de fiabilidad de

5/10 (5 sobre 10).

Freno:

Si el sistema de actuación tuviera que ser eléctrico la forma óptima de automatizar el

freno sería un actuador lineal de corriente continua que actuara sobre una

prolongación del pedal del freno ya existente (ver Figura 76).

Los requisitos que tendría que cumplir el actuador a un mínimo coste serían:

Tiempo de actuación [sección 1.2.1]: 0.5-1 s

La fuerza necesaria de accionamiento depende de la posición donde se coloque el

actuador. El lugar elegido por su facilidad y coste de montaje, fiabilidad del sistema

y estética, es debajo y a la derecha del asiento del conductor. El esquema de fuerzas

en dicho emplazamiento sería:

Figura 76 -Esquema del mecanismo de accionamiento del freno mediante actuador lineal y fuerzas aplicadas en

él.

Aplicando momentos respecto al eje de giro A y sabiendo que la fuerza de

accionamiento del cilindro es 1594.3 N [sección 1.2.1], se obtiene:

F Cilindro

F Pedal a

d

A

a= 360mm b= 160mm d= 70mm

FActuador b

Cálculos 125


][5.6973.1594160

70NF

b

dF CilindroActuador =⋅=⋅=

Fuerza de accionamiento: 697.5 N

Carrera del actuador: 40 mm (medida sobre el tractor).

Velocidad de actuación: smmtSv /401/40/ ===

Elemento elegido:

Elemento Actuador lineal Tensión Nominal 12V

Corriente Nominal 3,2A

Velocidad Nominal 40mm/s

Carrera 40mm Fuerza Nomianl 1000N

Precio 602€ Tabla 6-Características del actuador lineal eléctrico del freno.



7/10.

Embrague:


embrague sería un actuador lineal de corriente continua que actuara sobre el

mecanismo del embrague ya existente (ver Figura 77).


Tiempo de actuación [sección 1.2.1]: 0.5-1 s



y estética, es hueco situado entre la rueda delantera izquierda y en motor. El esquema

de fuerzas en dicho emplazamiento sería:

Cálculos 126


Figura 77 - Esquema del mecanismo de accionamiento del embrague mediante actuador lineal y fuerzas

aplicadas en él.

Aplicando momentos respecto al eje de giro E y sabiendo que el momento de

accionamiento del embrague es 62.68 Nm [sección 1.2.1], se obtiene:

][42.89570

68.62N

b

MF Embrague

Actuador ===

Fuerza de accionamiento: 895.42N



Elemento elegido:



Velocidad Nominal 30mm/s

Carrera 30mm Fuerza Nominal 1000N

Precio 602€ Tabla 7-Características del actuador lineal eléctrico del freno.



6/10.

b=70mm c=100mm

M Embrague

E

C

c

T

T

b

F Actuador

Cálculos 127


Acelerador:


acelerador sería un actuador lineal de corriente continua que actuara sobre el

mecanismo del acelerador ya existente (ver Figura 78).


Carrera cilindro: 20mm

Velocidad de actuación: 1.5 mm/s



y estética, es el hueco situado entre el motor y el parachoques delantero. El esquema

de fuerzas en dicho emplazamiento sería:

Figura 78 - Esquema del mecanismo de accionamiento del acelerador mediante actuador lineal y fuerzas

aplicadas en él.

Aplicando momentos respecto al eje de giro A y sabiendo que el momento de

accionamiento del embrague es 4.2Nm [sección 1.2.1], se obtiene:

][62.6564

2.4N

b

MF Acelerador

Actuador ===

Fuerza de accionamiento: 65.62 N

M Acelerador

b

F Actuador

A

b=64mm

Cálculos 128


Elemento elegido:



Velocidad Nominal 1.5mm/s


Precio 452€ Tabla 8-Características del actuador lineal eléctrico del acelerador.



6/10.

Elevador de Aperos:


elevador de aperos sería un actuador lineal de corriente continua que actuara sobre

los mandos de las válvulas distribuidoras ya existentes.

Los requisitos que tendría que cumplir el actuador a un mínimo coste serían [sección

1.2.1]:


Fuerza actuación: 10N

Elemento elegido:


Corriente Nominal 2.5A

Velocidad Nominal 17.5mm/s


Precio 428€ Tabla 9-Características del actuador lineal eléctrico del elevador de aperos.

Cálculos 129




5/10.

Parada Motor:

Si el sistema de actuación tuviera que ser eléctrico la forma óptima de automatizar

parada del motor sería un electro-imán que actuara sobre el mecanismo corte de

inyección ya existente (ver).


Tiempo de actuación: 1s

Carrera: 30mm



y estética, es en el propio control de inyección. El esquema de fuerzas en dicho

emplazamiento sería:

Figura 79 - Esquema del mecanismo de accionamiento de parada del motor mediante electro-imán.

Aplicando momentos respecto al eje de giro A y sabiendo que el momento de

accionamiento del embrague es 1.5Nm [sección 1.2.1], se obtiene:

][88.3843

5.1N

b

MF Acelerador

Actuador ===

Fuerza de accionamiento: 38.88N

M Parada

b

F Actuador

A

b=43mm

Cálculos 130


Elemento elegido:

Elemento Electro Imán Tensión Nominal 12V

Corriente Nominal 1.42 Carrera 30mm

Fuerza Nominal 50N Precio 52 €

Tabla 10-Características del actuador lineal eléctrico del elevador de aperos



8/10.

Resumen:

Como resumen general, las características que debería tener el sistema neumático

quedan resumidas en la Tabla 11.

Elemento Aplicación Corriente Nominal

Par/Fuerza Nominal

Fiabilidad Sistema Coste

Motor Dirección 5.4 A 5 Nm ( 5/10 ) 113 €

(+15%)

Actuador lineal Freno 3,2 A 1000 N ( 5/10 ) 602 €

Actuador lineal Embrague 3,2 A 1000 N ( 5/10 ) 602 €

Actuador lineal Acelerador 1,2 A 1700 N ( 6/10 ) 452 €

Actuador lineal Aperos 2,5A 300 N ( 4/10 ) 428 €

Electroimán Parada 1,42 A 50 N ( 6/10 ) 52 €

Batería General 44Ah/245A (--) (--) 150 €

Alternador General 21 A (--) (--) 175 €

Accesorios/Cables General [15%] 2,2 A (--) (--) [15%] 386€

TOTAL ( 5.1/10 ) 3.017 € Tabla 11- Resumen de elementos Sistema Eléctrico.

Cálculos 131


1.2.2.2 Cálculos Sistema Neumático

A continuación se desarrollan los cálculos para determinar características generales,

fiabilidad y precios de los diferentes elementos que serían necesarios implementar si

todos los sistemas de actuación de vehículo fueran accionados de forma neumática.

Para todos los elementos neumáticos se supondrá una presión del aire comprimido

para el diseño de 6 Bares, ya que ésta es la presión nominal media de trabajo de la

mayoría de los circuitos industriales.

Dirección:

Si el sistema de actuación tuviera que ser neumático la solución menos mala de

automatizar la dirección sería un motor neumático con la entrada de aire regulada,

que actuara sobre el eje de la unidad de dirección mediante un sistema de engranajes

o mediante un sistema de transmisión mediante correas (ver Figura27).

Los requisitos que tendría que cumplir el motor a un mínimo coste serían [sección

1.2.1]:

Par accionamiento: 6.6 Nm

Velocidad angular: 15 rpm

Potencia: (suponiendo un rendimiento total del motor del 85%)

WnM

PT

Meca 2.196085.0

1526.6

60

2 =⋅

⋅⋅⋅=⋅

⋅⋅⋅= πη

π

Elemento elegido:

Elemento Motor

Presión Nominal 6Bar

Caudal Nominal 4L/s

Velocidad Nominal 400 rpm

Par Nominal 8 Nm

Precio 150€ Tabla 12-Características del motor eléctrico de la dirección.

Cálculos 132


La necesidad de un sistema de correas y poleas para transmitir la potencia al eje de la

dirección, y ajustar el par y la velocidad de giro a los criterios de diseño

incrementaría el coste en un 50% sobre el coste del motor, debido a que hay que

regular la velocidad de giro con precisión.


variables, elevada humedad y ambiente polvoriento, y la dificultad en su montaje le

dan un índice de fiabilidad de 2/10 (2 sobre 10).

Freno:

Si el sistema de actuación tuviera que ser neumático la forma óptima de automatizar

el freno sería un cilindro de simple efecto a tracción que actuara sobre una



Tiempo de actuación: 0.5-1 s [sección 1.2.1]

Fuerza de accionamiento: 697.5 N [sección 1.2.2]



Diámetro del pistón:

265.11600000

5.697cm

P

FS ===

cmS

84.3465.114 =⋅=⋅=

ππφ

Potencia:

WvFPMeca 9.27405.697 =⋅=⋅=

Cálculos 133


Elemento elegido:

Elemento Cilindro Presión Nominal 6Bar

Potencia 27.9W Diámetro Vástago 3.84cm

Precio 40€ Tabla 13-Características del cilindro de simple efecto del freno.



6/10.

Embrague:


embrague sería un cilindro de simple efecto a tracción que actuara sobre el








292.14600000

42.895cm

P

FS ===

cmS

36.4492.144 =⋅=⋅=

ππφ

Potencia:

WvFPMeca 8.263042.895 =⋅=⋅=

Cálculos 134


Elemento elegido:


Potencia 26.8W Diámetro Vástago 4.36cm

Precio 40€ Tabla 14-Características del cilindro de simple efecto del Embrague.



6/10.

Acelerador:

Si la actuación sobre el acelerador tuviera que ser neumática sería muy difícil o

prácticamente imposible controlar el acelerador, ya que en los sistemas neumáticos el

posicionamiento con precisión es muy difícil, y éste es el requisito fundamental para

automatizar el acelerador. A este inconveniente se le suma que la carrera del cilindro

para automatizar el acelerador es muy corta para poder controlar su posicionamiento.

Por estas razones no se ha planteado la automatización del acelerador de forma

neumática.

Elevador de Aperos:


el elevador de aperos sería un cilindro de doble efecto que actuara sobre los mandos

de las válvulas distribuidoras ya existentes.

Los requisitos que tendría que cumplir el actuador a un mínimo coste serían [sección

1.2.1]:


Fuerza actuación: 10N


216.0600000

10cm

P

FS ===

Cálculos 135


cmS

46.0416.04 =⋅=⋅=

ππφ

Elemento elegido:

Elemento Cilindro Presión Nominal 6Bar Sección cilindro 0.16cm2

Precio 50€ Tabla 15 - Características del cilindro de doble efecto del elevador de aperos.



4/10.

Parada Motor:


parada del motor sería un cilindro de simple efecto que actuara sobre el mecanismo

corte de inyección ya existente (ver Figura75).


Tiempo de actuación: 1s

Carrera: 30mm

Fuerza de accionamiento: 38.88N [sección 1.2.1]


264.0600000

88.38cm

P

FS ===

cmS

9.04648.04 =⋅=⋅=

ππφ

Cálculos 136


Elemento elegido:


Diámetro Vástago 0.9cm

Precio 40€ Tabla 16 - Características del cilindro neumático del sistema de parada del motor.



5/10.

Resumen:

Como resumen general, las características que debería tener el sistema eléctrico

queda resumido en la Tabla 17.


Sistema Coste

Motor Dirección 3.8cm2 19.2W ( 2/10 ) 150€

(+50%)

Cilindro Simple Freno 11.65cm2 27.9W ( 6/10 ) 40€

Cilindro Simple Embrague 14.92cm2 26.8W ( 6/10 ) 40€

Cilindro Simple Acelerador (--) (--) (--) (--)

Cilindro Doble Aperos 0.16cm2 25W ( 4/10 ) 50€

Cilindro Simple Parada 0.64cm2 26.8W ( 5/10 ) 40 €

Calderín General 15L (--) (--) 150 €

Compresor General 7Bar-3L7s (--) (--) 200€


Accesorios/Cables General 0.16cm2 (--) (--) [15%] €

TOTAL ( 4.5/10 ) 2010 € Tabla 17- Resumen de elementos Sistema Neumático.

Cálculos 137


1.2.2.3 Cálculos Sistema Hidráulico

A continuación se desarrollan los cálculos para determinar características generales,

fiabilidad y precios de los diferentes elementos que serían necesarios implementar si

todos los sistemas de actuación de vehículo fueran accionados de forma hidráulica.

Para todos los elementos hidráulicos se supondrá una presión del aceite para el

diseño de 80 Bares, ya que esta es la presión del circuito hidráulico instalado de serie

en el tractor.

Dirección:

Si el sistema de actuación tuviera que ser hidráulico la solución óptima de

automatizar la dirección sería controlar el cilindro hidráulico existente, mediante un

circuito en paralelo controlado por una electroválvula (ver Figura26).


variables, elevada humedad y ambiente polvoriento, y la facilidad de su montaje le

dan un índice de fiabilidad de 9/10 (9 sobre 10).

Freno:

Si el sistema de actuación tuviera que ser hidráulico la forma óptima de automatizar

el freno sería un cilindro de simple efecto a tracción que actuara sobre una








Cálculos 138


218.878000000

5.697mm

P

FS ===

Elemento elegido:


Sección 87.18mm2

Carrera 40 Precio 102€

Tabla 18-Características del cilindro de simple efecto del freno. La fiabilidad del sistema en un entorno al aire libre con condiciones atmosféricas


7/10.

Embrague:

Si el sistema de actuación tuviera que ser hidráulico la forma óptima de automatizar

el embrague sería un cilindro de simple efecto a tracción que actuara sobre el








29.1118000000

42.895mm

P

FS ===

Elemento elegido:


Sección 111.9mm2 Carrera 30mm Precio 102€

Tabla 19 - Características del cilindro de simple efecto del Embrague.

Cálculos 139




7/10.

Acelerador:

Si la actuación sobre el acelerador tuviera que ser hidráulica, no se estaría

optimizando el sistema, puesto que este tipo de energía está destinada para realizar

grandes fuerzas a costes bajos. Otra dificultad para controlar el acelerador de forma

hidráulica sería controlar de forma precisa la posición de éste, ya que aunque en los

circuitos hidráulicos la precisión es relativamente buena, la carrera de accionamiento

sería muy pequeña. Esta última característica conduciría a la necesidad de caudales

muy pequeños que tendrían que ser regulados por válvulas reguladoras de caudal tipo

“chiclé”, que implicaría mejorar el sistema de filtrado, para que pequeñas partículas

no obturen el pequeño orificio del “chiclé”.

Elevador de Aperos:

Si el sistema de actuación tuviera que ser hidráulico la solución óptima de

automatizar la elevación de aperos sería sustituir la válvula distribuidora existente

que es accionada manualmente, por una electroválvula, de tal forma que podría ser

controlada por el operador mediante unos pulsadores y por el sistema de navegación.



9/10.

Parada Motor:

Si la actuación sobre el corte de inyección tuviera que ser hidráulica, no se estaría

optimizando el sistema, puesto que este tipo de energía está destinada para realizar

Cálculos 140


grandes fuerzas a costes bajos, y esta aplicación requiere fuerzas completamente

despreciables para un cilindro hidráulico.

Resumen:

Como resumen general, las características que debería tener el sistema hidráulico

queda resumido en la Tabla 20.


Sistema Coste

(--) Dirección (--) (--) ( 9/10 ) (--)

Cilindro Simple Freno 87.18mm2 27.9W ( 7/10 ) 102€

Cilindro Simple Embrague 111.9mm2 26.8W ( 7/10 ) 102€

(--) Acelerador (--) (--) (--) (--)

(--) Aperos (--) (--) ( 9/10 ) (--)

(--) Parada (--) (--) (--) (--)


Accesorios /Latiguillos General 0.16cm2 (--) (--) [15%] €

TOTAL ( 8/10 ) 3700€ Tabla 20- Resumen de elementos Sistema Hidráulico.

Cálculos 141


1.2.3 Cálculo de los sistemas instalados

1.2.3.1 Cálculo Circuito Hidráulico

Cilindros:

Cilindro de dirección:

-Cilindro de doble efecto (Figura 80).

-Diámetro del pistón, D: 52mm

-Diámetro del Vástago, d: 25mm



-Sistema de sujeción del cilindro y el vástago por charnela.

- ( ) 22221 32.16001632.0

4cmmdDA ==−⋅= π

lmSAV 14.00001419.0 311 ==⋅=

- ( ) 2222 22.21002122.0

4cmmDA ==⋅= π

lmSAV 18.000018.0 322 ==⋅=

Cilindro de Aperos:

-Cilindro de simple efecto sin resorte de retorno

(Figura 81).




-Sistema de sujeción del cilindro por charnela y el vástago por horquilla

macho.

- ( ) 2221 22.21002122.0

4cmmDA ==⋅= π

lmSAV 32.000032.0 311 ==⋅=

Figura 80 - Esquema cilindro Doble Efecto.

A1 A2

Figura 81 - Esquema cilindro Simple Efecto.

A1

Cálculos 142


Cilindro del Freno [Plano Nº 10]:

Las características que debe tener el cilindro de freno se

han calculado en la sección [1.2.2.3-Freno] y el cilindro

instalado finalmente es un cilindro comercial que más se

ajusta a las especificaciones necesarias, y sus

características son:

-Cilindro de simple efecto a tracción con resorte

de retorno (Figura 82).






- ( ) 22221 60006.0


lmSAV 03.000003.0 311 ==⋅=

Cilindro del Embrague [Plano Nº 17]:

Las características que debe tener el cilindro de embrague se han calculado en la

sección [1.2.2.3-Embrague] y el cilindro instalado finalmente es un cilindro

comercial que más se ajusta a las especificaciones necesarias, y sus características

son:

-Cilindro de simple efecto a tracción con resorte de retorno (Figura 82).






- ( ) 22221 60006.0


lmSAV 025.0000025.0 311 ==⋅=

Figura 82 - Esquema cilindro Simple Efecto a Tracción con Resorte.

A1

Cálculos 143


Bombas Hidráulicas:

Las bombas tienen un cauda 0.0075 cm3/rev y los regimenes de giro del motor están

comprendidos entre 1100rpm y 3000prm, lo que se traduce en caudales de 8.25l/min

y 22.5l/min respectivamente.

El volumen que tiene que abastecer la bomba del circuito de Freno y Embrague para

poder en caso de emergencia detener el vehículo es:

][055.0025.003.0 lVVV EmbragueFrenoMax =+=+=

Por criterios de diseño el tractor tiene que poder frenar entre 0.5 y 1s [sección 1.2.1]

independientemente del régimen de giro. A continuación se va a comprobar si se

cumplen los criterios de diseño con las bombas de serie del tractor.

Régimen de 1100rpm:

Tiempo de frenado:

sl

l

Q

Vt Max 4.0

min/25.8

055.0 ===

Distancia máxima recorrida:

{ } msmvtvS 28.04.07.0/7.0 =⋅===⋅=

Régimen de 3000rpm:

Tiempo de frenado:

sl

l

Q

Vt Max 15.0

min/5.22

055.0 ===

Distancia máxima recorrida:

{ } msmvtvS 3.015.02/2 =⋅===⋅=

Como se ha podio las bombas instaladas de serie en el tractor cumplen los criterios

de diseño, luego serán utilizadas para la automatización del vehículo.

Cálculos 144


La potencia hidráulica máxima que pueden desarrollar las bombas hidráulicas es:

Bomba Dirección, Freno y Embrague:

KWlBarQPP MaxMaxHidra 375.3min5.2290 =⋅=⋅∆=

Bomba de Aperos:

KWlBarQPP MaxMaxHidra 75.6min5.22180 =⋅=⋅∆=

La potencia absorbida del motor por las bombas hidráulicas es:

Bomba Dirección, Freno y Embrague:

KWlBarQP

PT

MaxMaxHidra 75.3

9.0min5.2290

=⋅

=⋅∆

=η

Bomba de Aperos:

KWlBarQP

PT

MaxMaxHidra 5.7

9.0min5.22180

=⋅

=⋅∆

=η

Válvulas y Elementos de Control:

Los criterios utilizados para la selección de cada una de las válvulas y elementos de

control quedan reflejados en la siguientes líneas, y se basan en un criterios

conservador ya que se considera siempre el caso mas desfavorables de que por cada

una de la válvulas pueda pasar todo el fluido que proporciona la bomba a máxima

velocidad de giro del motor:

Electroválvula Bendi:

Q Máximo ≥ 22.5 l/min

P Nominal≥ 90Bar

P Máxima≥ 100Bar

Tensión de Solenoide≈ 12V

Cálculos 145


Electroválvula de accionamiento del freno:


P Nominal≥ 90Bar

P Máxima≥ 100Bar


Acumulador:

El acumulador hidráulico ha sido diseñado para poder hacer frente a la

demanda de caudal y presión en el cilindro de freno en caso de que falle el

suministro de la bomba. Por lo tanto tiene que tener al menos el volumen del

cilindro de freno y este volumen de caudal lo tiene que suministrar a la

presión de diseño del circuito de freno. Este fluido almacenado lo liberará en

caso necesario de forma rápida, por lo tanto en los cálculos de la vejiga se

considera una variación de estado adiabática. Los criterios utilizados son:

Figura 83 - Esquema de los diferentes estados por los que pasa el acumulador.

Presión a la que comienza entrar el fluido, P1: 10Bar

Presión de descarga, P2: 90Bar

Volumen de demandado, Vx ≥ 30cm3

La presión de precarga P0 debe tener un valor tal que vite el vaciado completo

del acumulador durante el ciclo de trabajo. Su valor se suele fijar en el 90%

de la presión mínima de funcionamiento P1. Como la precarga se hace a

temperatura ambiente (20ºC) y, durante el funcionamiento, el gas se calienta

Cálculos 146


hasta la temperatura de trabajo del aceite, la presión del gas aumenta debido a

ese calentamiento. Por ello la presión no será P0=0.9P1, sino algo menos.

{ } BarCtrabajoTtrabajoT

PCaP 5.8º40ªª273

202739.0º20 10 =≈=

++⋅=

Bajo la hipótesis de carga y descarga en las que rija cteVP n =⋅ , donde

n=1.4 por ser una liberación rápida, el volumen V0 que debe ocupar el

nitrógeno cuando se hace la precarga del acumulador es:

31

2

1

1

0

1

0 5.42

1

cm

PP

PPV

Vn

n

x

=

−

⋅

=

Válvula Antirretorno:


P Máxima≥ 200Bar

P Apertura= 2Bar

Electroválvula de accionamiento del Embrague:


P Nominal≥ 90Bar

P Máxima≥ 100Bar


Válvula estranguladora:

De la sección 1.2.1, se obtiene que la velocidad máxima de embrague es:

sms

m

s

muadorCarreraActsmV doMaxEmbraga /008.0

5

04.0

][5

][]/[ ===

Cálculos 147


De la sección 1.2.3.1, se obtiene que el área del cilindro del embrague es

6cm2, luego el caudal que debe regular esta válvula estranguladora es:

min3.0/008.06 2 lsmcmvAQ =⋅=⋅=

Resumiendo, los criterios de selección de esta válvula son:

Q Máximo≤ 0.3l/min

P Máxima≥ 100Bar

Electroválvula de accionamiento de la Dirección:


P Nominal≥ 90Bar

P Máxima≥ 100Bar


Electroválvula de selección de modo de funcionamiento:


P Nominal≥ 90Bar

P Máxima≥ 100Bar


Válvula limitadora de presión:


P Apertura= 90Bar

Bloque de válvulas antirretorno pilotadas:


P Máxima≥ 200Bar

P Apertura= 5Bar

Bloque regulador anti-cavitación y anti-choque.


P Apertura= 150Bar

Cálculos 148


Tubos y Mangueras:

Los diámetro del tuvo o bien de la manguera deben dimensionarse de modo que se

obtenga una resistencia de flujo lo más baja posible. Para ello se pueden utilizar las

Ecuación 2 y Ecuación 3, o bien recurrir a tablas directamente para su dimensionado.

Perdida de presión en tubos y mangueras:

2

2v

d

Lp R ⋅⋅⋅=∆ ρλ ;

Re

64=Rλ (flujo laminar) ; 25.0Re

316.0=Rλ (flujo turbulento)

Ecuación 2-Perdida de presión en tuberías

Pérdida de presión en uniones, giros, etc.…:

2

2vp ⋅⋅=∆ ρς

Ecuación 3-Pérdida de presión en piezas.

Donde ς es el coeficiente de resistencia varía de

ς =0.15 en un codo de 90º a ς =1 en un racor acotado.

En este proyecto se ha recurrido a dichas tablas [Anejo I] para su dimensionado,

debido a que las pequeñas longitudes de las mangueras y la gran cantidad de curvas,

codos, etc.… engrosarían el número de cálculos, para llegar finalmente a la misma

solución con un error del 10%.

Para asegurar que esta hipótesis es cierta, una vez determinados los tubos, los

diferentes actuadores y a todas las válvula, se simuló el circuito completo con el

programa “Automation Studio 5.0” y de ese análisis se obtuvo que la caída de

presión en el cilindro más desfavorable, en el Freno, era algo inferior a 2Bar. Estas

pérdidas de presión no suponen un problema en nuestra instalación, ya que con

90Bar de presión nominal máxima y con actuadores sobredimensionados por

obligaciones comerciales, se asegura más fuerza de la necesaria en todos los

cilindros.

Cálculos 149


Equilibrio Térmico:

Puede estimarse de manera aproximada las pérdidas hidráulicas entre un 20 y un

30% respecto de la potencia de alimentación. Después de la fase de calentamiento se

establece un equilibrio térmico entre el calor aportado y el entregado, de tal manera

que la temperatura máxima alcanzada por el aceite que determinada por la

expresión:

CA

PcTT Pérdidas

AmbienteAceite º41ªª ≈⋅+= =

Donde: KwKwPP HidráulicaPérdidas 12.175.33.03.0 =⋅=⋅=

Coeficiente de circulación de aire, c= 75, para circulación escasa de aire.

Superficie Del sistema, A≈ 4m2

Tª ambiente≈ 20ºC

Cavitación:

El aceite a presión atmosférica contiene aproximadamente un 9% e volumen de aire

disuelto. El peligro de cavitación por burbujas de aire se da para una presión

atmosférica inferior a 0.2 Bar. En el tractor Agria 9940 es difícil que se produzca en

algún punto cavitación pero de producirse sería en el cebado de bomba o en la

estrangulación del embrague.

Incremento de volumen debido a la temperatura:

Como consecuencia del aumento de la temperatura del fluido se produce un aumento

de su volumen. Este incremento de volumen se corresponde con:

LitrosTVV T 06.0214107.0ª 30 =⋅⋅⋅≈∆⋅⋅=∆ −β

Donde: Coeficiente de dilatación, 3107.0 −⋅≈Tβ

Volumen inicial, V0= 4 Litros

Variación de Temperatura ≈ 21ºC

Cálculos 150


1.2.3.2 Cálculo Circuito Eléctrico

Instalación de serie del tractor:

Consumo del motor de arranque:

El motor de arranque tiene una potencia de 963W y como su tensión de

alimentación es 12V, la intensidad es de 80.25A.

Consumo de luces, pilotos y otros elementos:

El consumo eléctrico en conducción convencional con luces encendidas, luz

rotativa encendida, y utilización ocasional de intermitentes y freno se ha

calculado, y su resultado es 150W lo que se traduce en una intensidad

nominal de 12.6 A.

Circuito eléctrico de los sistemas de sensorización y control:

Esta instalación está formada por un PC portátil, un Láser, un sistema de GPS, un

Bumper, una Brújula y una cámara y los consumos de todos ellos funcionando al

mismo tiempo quedan recogidos en la Tabla 21.

Elemento Consumo [W]

PC portátil Kontron NotePac 120

Láser 35

GPS + corrección diferencial 9

Bumper 2,5

Brújula 1

Cámara 11

Cables y accesorios 9 (5%)

TOTAL 187.5W

Tabla 21- Consumos del sistema de posicionamiento y control.

Cálculos 151


Instalación eléctrica de selección de modo, de emergencia y

de actuación:

Las Potencias de los distintos actuadores eléctricos presentes en el circuito en

funcionamiento nominal se reflejan en la Tabla 22 y estas han sido extraídas de las

características técnicas de estos [Anejo III].

Denominación del consumo. Potencia[W] Intensidad[A]

Electro-Válvula Dirección 29 2.54

Electro-Válvula Modo 17 1.4

Electro-Válvula Freno 17 1.4

Electro-Válvula Embrague 17 1.4

Electro-Válvula Bendi 17 1.4

Electro-Válvula Aperos 29 2.54

Cilindro Eléctrico Acelerador 14.4 1.2

Solenoide Parada 17 1.4

Accesorios, cables,… 10 0.8

TOTAL 168 14.4

Tabla 22 - Consumos eléctricos de los sistemas de actuación.

Considerando un factor de simultaneidad de 7.8 de 9 ya que todas las cargas no se

demandan al mismo tiempo, la potencia máxima que determina las características de

este circuito es 145 W.

Determinación de la sección de los conductores:

Por densidad de corriente: Debido a que estos conductores se han instalado en un

vehículo agrícola los cables que se han elegido son están especialmente diseñados

para vehículos en general. Estos cables de automoción tiene la característica de que

su aislamiento está diseñado para trabajar en régimen nominal a temperaturas

superiores, ya que en muchos casos y en particular en el tractor Agria 9940 se

Cálculos 152


encuentran cercanos a una fuente de calor importante como es un motor de

combustión interna alternativo.

Para determinar la sección de los conductores se ha recurrido a una tabla de selección

de los conductores en función de la corriente y la temperatura de trabajo [Anejo I].

La sección de los conductores con u coeficiente de seguridad de 1.5 es:



Por caída de tensión: Debido a las características de los consumos los consumos que

tenemos, la tensión de alimentación no puede ser inferior a 11 V, la tensión media de

la fuente de alimentación es de 12.1 V, luego la caída de tensión máxima admisible

1.1 V.

IV

LSI

S

LV ⋅

∆⋅⋅=⇒⋅⋅⋅=∆ ρρ 22

La longitud media desde los relés de control hasta los actuadores es de 1.5m luego

L=3m, ya que la caída de tensión se produce en el conductor de ida y en el de vuelta.

Se considera también en este dimensionado un factor de seguridad de 1.5.

� Conductores de alimentación general:

21.25.14.141.1

3

56

12 mmS =⋅⋅⋅⋅=

� Conductores de alimentación a actuadores:

237.05.154.21.1

3

56

12 mmS =⋅⋅⋅⋅=

Cálculos 153


La sección de los conductores instalada finalmente es:



Análisis de la capacidad del alternador:

Como consecuencia de los nuevos elementos instalados en el tractor se ha tenido que

analizar si la capacidad de corriente de elementos de serie como la batería y el

alternador era suficiente.

El alternador existente tiene una capacidad de producir 21A a 3000rpm y su tensión

de salida es 12.5V, lo que significa que produce una potencia máxima de 263W.

Los consumos tras la automatización del tractor son:

Instalación eléctrica de solenoides y sistemas de actuación: 168 W

Sistemas de sensorización y control: 187.5 W

Instalación de pilotos y luces: 150W

Sin considerar la instalación de pilotos y luces, ya que podría funcionar

perfectamente el tractor sin su utilización el consumo es de 356W, que es superior a

los 263 W que el alternador de serie en el tractor puede suministrar, luego es

necesario sustituir el alternador existente por otro con las siguientes características:

� Intensidad de corriente a 3000rpm ≥ 30A.

� Tensión de suministro: 12.5V

Cálculos 154


1.2.4 Cálculos estructurales El proceso de cálculo estructural llevado a cabo en este proyecto para determinar las

dimensiones mínimas de las distintas piezas garantizando la durabilidad de ellas, se

ha basado en un proceso iterativo, cuyas sucesivas iteraciones seguían la secuencia

siguiente: diseño funcional de la pieza, cálculo teórico estructural sobre un esquema

equivalente de la pieza y comprobación mediante simulación con dos programas de

simulación, un función de la complejidad y precisión requerida del análisis. Siendo

estos programas el “módulo de análisis” de CATIA V5 y para análisis de mayor

precisión ANSYS 10.0.

El criterio para determinar la validez o no de una determinada pieza respecto a sus

requerimientos estructurales ha sido el criterio de Von Mises, ya que los materiales

elegidos, F1150 y Al 6061, son materiales dúctiles.

El coeficiente de seguridad para las piezas que desempeñan su labor en el sistema de

freno y en el sistema de embrague es mayor a 1.5 (50% superior), mientras que el

resto de piezas el coeficiente de seguridad es 1.1. Por criterios de diseño y estéticos,

se han fabricado piezas sobredimensionadas, con lo que se garantiza aún más la

integridad y seguridad del vehículo.

Los dos materiales empleados en la fabricación de las distintas piezas son por un

lado, el acero F1250 y el Aluminio 6061, cuyas características, piezas fabricadas y

ensayos de análisis están descritos en las líneas siguientes.

Cálculos 155


Piezas de Aluminio El aluminio empleado es el 6061 (Al, Cr, Cu, Mg, Si). Se ha elegido por ser ligero, tener

buena resistencia a la corrosión, alta resistencia a la tracción y buenas propiedades para su

mecanizado. Las características mecánicas de este material están reflejadas en la Tabla

23.

Material Características de Tracción

Rm

[N/mm2]

Rp0.2

[N/mm2] A %

Resistencia

Cizalladura

[N/mm2]

Módulo

Elástico

[N/mm2]

Peso

Específico

[g/cm3] Al 6061

310 270 13 200 69000 2.7

Tabla 23- Características Al 6061.

A continuación se muestran las distintas piezas que se han diseñado y fabricado,

junto con su análisis estructural y representación de desplazamientos.

Soporte cilindro Embrague:

Figura 84 - Resultado análisis estructural del soporte del cilindro del embrague.

Cálculos 156


Horquilla Embrague, Horquilla Freno:

Figura 85 - Resultado análisis estructural de las horquillas de freno y embrague.

Cálculos 157


Piezas de Acero. El acero empleado es el F1250- 35Cr Mo 4 (C 0.38%; Mn 0.9%; Si 0.4%; P 0.035%; S

0.035%; Cr 0.9%; Mo 0.2%). Se ha elegido un acero aleado por ser piezas que de gran

resistencia y máxima responsabilidad, especialmente diseñado para máquinas y el sector de

la automoción. Las características mecánicas de este material están reflejadas en la.

Material Características de Tracción

Rm

[N/mm2]

Rp0.2

[N/mm2] A %

Resistencia

Cizalladura

[N/mm2]

Módulo

Elástico

[N/mm2]

Peso

Específico

[g/cm3] F1250

660 550 6 405 207000 7.7

Tabla 24 - Características Acero F-1250.

A continuación se muestran las distintas piezas que se han diseñado y fabricado,

junto con su análisis estructural y representación de desplazamientos.

Pedal de freno:

Figura 86- Resultado análisis estructural del pedal del freno modificado.

Cálculos 158


Soporte Bastidor:

Figura 87- Resultado análisis estructural del soporte del cilindro de freno.

Accionador Embrague:

Figura 88 - Resultado análisis estructural del accionador del embrague.

Estudio Económico 159


1.3 ESTUDIO ECONÓMICO



1.3 Estudio Económico:

Índice General

Pág.

1.3.1 Interés económico del proyecto zar ...........................................................161



1.3.1 Interés Económico del Proyecto

En último siglo los avances tecnológicos han permitido la adopción de técnicas

innovadoras en el mundo de la agricultura, facilitando tareas y labores en las que era

necesaria una gran cantidad de recursos humanos. Un claro ejemplo de ello era la

siembra y recolección de grandes extensiones de terreno, en la que multitud de

jornaleros se desplazaban de unas regiones a otras para realizar estas tareas a

principios del siglo XX. En las últimas décadas, estas labores agrícolas altamente

repetitivas, tediosas y arduas son realizadas por un número reducido de personas en

cada explotación, que conducen diferentes máquinas agrícolas o tractores con

distintos aperos, destinados a trabajar la tierra.

El interés de este proyecto se encuentra dentro de un plan aún más ambicioso,

consistente en desarrollar un sistema de actuación, sobre los diferentes mandos del

vehículo, integrado dentro de un sistema de navegación autónomo capaz de

funcionar de forma independiente y que pueda ser implementado en diferentes

vehículos agrícolas, de forma que un único operador no solo conduciría un vehículo,

sino que sería capaz de supervisar y controlar una flota de éstos.

El beneficio de la automatización se puede observar no solo en la reducción del

número de operarios con el consecuente ahorro en costes de producción, sino

también en el aumento de la productividad con un mismo número de agricultores

puesto que la concentración del operador en la tarea repetitiva se desplaza a otras

labores. Por otra parte la automatización de las actividades peligrosas trae beneficios,

ya que se aleja a los operarios de ellas traduciéndose en un incremento de la

seguridad y la salud de éstos. Por ejemplo, en el caso de cultivos en invernadero, la

automatización evita la exposición prolongada de los operarios a las altas

temperaturas que alcanzan los recintos de plástico que protegen los cultivos. Así

mismo la automatización permite disminuir los costes de operación, ya que con

técnicas más precisas se reduce el uso de recursos como la energía, el trabajo, las

semillas, y los fertilizantes y herbicidas. De igual forma una reducción en la cantidad



de fertilizantes o herbicidas mediante una aplicación selectiva de los distintos

productos o la eliminación mecánica de algunas plagas, en función de las

necesidades de cada zona del terreno, se transforma en un beneficio directo

medioambiental al disminuir la contaminación de los suelos y las aguas.

Pese a los claros beneficios de la automatización de las tareas agrícolas existen

barreras para su desarrollo. Algunas de las principales dificultades son:

� La complejidad de los sistemas electro-mecánicos y de control o gobierno,

que requieren unas adaptaciones precisas para suplir las habilidades de un

trabajador especializado. Ya que la navegación de laboreo se desarrolla en un

entorno natural al aire libre, desestructurado y dinámico, donde el terreno es

inconsistente, el producto a detectar irregular, las condiciones atmosféricas

variables y a veces hostiles (alto o bajo grado de humedad y temperatura) y

además pueden aparecer animales o personas de forma imprevista. Esto

condiciona que haya sistemas dotados de dispositivos de seguridad y

protección que cumplan con la legislación vigente, para dotar al vehículo de

un cierto grado de autonomía en la navegación y en el laboreo.

� El factor económico. En primer lugar porque las tareas agrícolas se realizan

por temporadas, por lo que la amortización de la maquinaria y de los posibles

sistemas de navegación autónoma se prolonga durante más años. En segundo

lugar porque apenas existe oferta comercial de sistemas de navegación

automática y los que hay en el mercado corresponden a prototipos en

desarrollo y tienen un elevado coste.

� En muchas prácticas agrícolas tradicionales es difícil introducir nuevas

tecnologías, siendo necesario modificaciones en la plantación de los cultivos

para poderlas automatizar.

Entre las tareas que podrían beneficiarse de la implantación de un cierto grado

autonomía en el guiado están las tareas de laboreo extensivo, como la recolección o



la siembra de cereales. Pero, en este tipo de tareas, debido al bajo valor añadido del

producto recogido, la incorporación de vehículos autónomos sólo tiene sentido en

cultivos de gran extensión. Sin embargo, uno de los sectores dentro de la agricultura

o jardinería en la que la implantación de este sistema tendría un gran interés

económico es en la labor de cortar el césped en los abundantes y cada vez más de

moda campos de golf.

Las Canchas de golf requieren un mantenimiento constante y rutinario que implican

altos costes debido a los operadores semi-cualificados necesarios para segar las

calles, que deben evitar a golfistas, mantener un aspecto aseado, y que deben tener un

cierto conocimiento y control sobre el cortacésped.

La implantación de este sistema de navegación autónomo en esta actividad permitiría

tener todas las calles abiertas en las horas pico, aumentando los ingresos y causando

una experiencia más agradable para el golfista, ya que las labores de mantenimiento

podrían ser realizadas durante la noche debido a que este sistema funciona

independientemente de la cantidad de luz que haya en el entorno.

El sistema de actuación diseñado en este proyecto junto con los sistemas de

sensorización, procesado y control del vehículo diseñados en el Instituto de

Automática Industrial [IAI-CSIC] forman un sistema de navegación que puede

venderse como un accesorio o un implemento más de un tractor agrícola,

beneficiándose de las ventajas de la navegación autónoma de un vehículo, y

reduciendo los inconvenientes de ésta, ya que es un sistema fiable en cuanto a sus

componentes, no requiere modificaciones en los campos y es muy rentable

económicamente.

Impacto Ambiental 164


1.4 IMPACTO AMBIENTAL



1.4 Impacto Ambiental:

Índice General

Pág.

1.4.1 Impacto del proyecto sobre el medio ambiente .........................................166



1.4.1 Impacto del proyecto sobre el

Medio Ambiente

La automatización de los diferentes sistemas de actuación necesarios para el control

del vehículo bajo un sistema de navegación autónoma trae consigo beneficios no solo

económicos tal y como se ha mostrado anteriormente, sino también amplios

beneficios sobre el medio ambiente.

En un primer lugar disponer de un vehículo agrícola guiado autónomamente

permitiría un tratamiento selectivo de cultivos, bien sea porque el conductor pueda

focalizar su atención en controlar si es necesario o no la aplicación de determinados

productos sobre una zona del terreno, ya que la conducción es realizada por el

sistema de navegación. O bien sea porque el tractor disponga de sistemas de

percepción para el reconocimiento y diferenciación entre cultivo y mala hierba que

permitan actuar sobre las electroválvulas del sistema de fumigación. Esta nueva

forma de agricultura conocida como Agricultura de Precisión está últimamente

cobrando especial importancia con el auge de la agricultura orgánica y el deseo de

reducir los productos químicos aplicados tanto a los cultivos como al medio

ambiente. En este caso las técnicas de automatización son necesarias para lograr una

aplicación selectiva y eficaz de fertilizantes y herbicidas.

De igual forma una reducción en la cantidad de fertilizantes o herbicidas mediante

una aplicación selectiva de los distintos productos o la eliminación mecánica de

algunas plagas, en función de las necesidades de cada zona del terreno, se transforma

en un beneficio directo medioambiental al disminuir la contaminación de los suelos y

las aguas.

En segundo lugar disponer de un vehículo agrícola guiado autónomamente también

permite realizar tareas que suponen otra clara repercusión positiva sobre el medio

ambiente. Una de las posibles aplicaciones de este tipo de vehículos es el diagnóstico



de la salinidad de suelo, un problema que según los expertos podría crecer en los

próximos años con el cambio climático. Por lo tanto, el tractor DÉDALO, dotado de

un sensor electromagnético móvil, podría elaborar mapas de salinidad para

determinar con mayor fiabilidad dónde y cuánto regar, reduciendo las enormes

cantidades de agua que se vierten en todo el terreno al no saber con exactitud donde

la calidad de éste es peor [ARAG07].

Por último lugar, disponer de un vehículo agrícola con navegación autónoma permite

controlar con exactitud que no haya posibles interferencias durante el cultivo,

fertilización o cualquier otra tarea agrícolas por un posible despiste o fatiga del

operario, es decir, que no se vuelva trabajar sobre terreno ya trabajado, con el

consecuente desperdicio de carburantes cuya combustión afecta negativamente al

medio ambiente. Aunque estas interferencias aparentemente son insignificantes

estudios recientes las cuantifican entre un 2 y 7% de las horas totales de trabajo en

campo.

Se puede concluir por tanto que este proyecto, dentro del marco de investigación en

sistemas de procesamiento de la información y control para vehículos de navegación

autónoma desarrollado sobre el tractor AGRIA-HISPANIA 9940 en las instalaciones

del Instituto de Automática Industrial del CSIC (Centro Superior de Investigaciones

Científicas), implica importantes beneficios sobre el medio ambiente al igual que

beneficios económicos, tal y como se analizó en el estudio económico.

Anejos 168


1.5 ANEJOS

Anejos 169


1.5 Anejos:

Índice General

Pág.

1.5.1 ANEJO I: Tablas, Diagramas, Gráficos.....................................................170

1.5.2 ANEJO II: Listado de Programas...............................................................173

1.5.3 ANEJO III: Documentación Técnica .........................................................174

1.5.4 ANEJO IV: Manuales de Usuario y Catálogos de Referencia. ................194

Anejos 170


1.5.1 ANEJO I:

Velocidades del Tractor Agria-Hispania modelo 9940 a un régimen

de motor de 3000[rpm] y ruedas 7.5x18.

MARCHA AVANCE EN KM/H

NºMarcha / REDUCTOR V

AGRIA-HISPANIA 9940

EMPLEO CON IMPLEMENTOS MÁS USUALES

1 / C 1ª 1,41

2 / C 2ª 3,17

3 / C 3ª 7,18

4 / C 4ª 16,08

1 / L 5ª 2,19

2 / L 6ª 4,94

3 / L 7ª 11,18

4 / L 8ª 25,28

1 / RM I RM 1,24

2 / RM II RM 2,94

3 / RM III RM 6,7

4 / RM IV RM 14,88

IMPLEMENTOS ACCIONADOS POR LA TOMA DE FUERZA: Fresa-Desbrozadora- Transplantadota-etc.

IMPLEMENTOS DE ARRASTRE: Arados- Asurcadotes-Gradas- Cultivadores- Segadores- Cortacesped

TRANSPORTE: Tractor solo o con Remolque

Anejos 171


Diagrama de selección de tuberías y mangueras:

Anejos 172


Diagrama de selección de cilindros frente a problemas de pandeo:

Anejos 173


1.5.2 ANEJO II: Listado de programas.

Los programas informáticos utilizados para la realización de este proyecto son:

� Programas de simulación:

� Automation Studio 5.0

� Programas CAD-CAM-CAE:

� CATIA V5 R15

o Módulo CAD

o Módulo de análisis

o Módulo Cinemático

� ANSYS 10.0

� AutoCAD 2002

� Programas de ofimática:

� Microsoft Word 2003

� Microsoft Excel 2003

� Microsoft PowerPoint 2003

� Adobe Reader 2003

Anejos 174


1.5.3 ANEJO III: Documentación Técnica.

Características bomba hidráulica de engranajes interiores del

Tractor Agria-Hispania modelo 9940.

Anejos 175


Prestaciones bomba:

Curvas de Caudal y de absorción de potencia.

Rendimiento

Volumétrico[%]

Rendimiento

Total [%]

Nivel de ruido

[dB(A)]

0.96 0.9 73

Anejos 176


Características Unidad de Dirección “Orbitol” del Tractor Agria-

Hispania modelo 9940.

Válvula de dirección OIPC…/4

Anejos 177


Anejos 178


Anejos 179


Anejos 180


Anejos 181


Anejos 182


Características del Alternador del Tractor Agria-Hispania modelo

9940.

Anejos 183


Anejos 184


Anejos 185


Anejos 186


Anejos 187


Anejos 188


Características de solenoides y válvulas del bloque Hidráulico.

Anejos 189


Anejos 190


Anejos 191


Anejos 192


Anejos 193


Anejos 194


1.5.4 ANEJO IV: Manuales de Usuario y

Catálogos de Referencia.

Debido a la gran cantidad de elementos hidráulicos y eléctricos instalados en el

vehículo, y la imposibilidad de mostrar todas sus características en este documento se

recomienda consultar las siguientes referencias para la obtención de más

información.

� Manual de usuario del motor Lombardini 11LD626.

� Manual de Usuario Agria-Hispania 9940.

� Catálogo Sun hydraulics - “Shortcut” Cartridge Catalogue, 2004.

� Catálogo HAWE HYDRAULIK, 2007.

� Catálogo Maiverflex, 2007.

� Catálogo “Telemecanique”, 2007.

Bibliografía 195


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Planos

Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI - PLANOS-

Documento Nº 2, Planos:

Índice General

pág.

2.1 Lista de Planos ................................................................................................... 1

2.2 Planos .................................................................................................................. 4

Lista de Planos 1


2.1 LISTA DE PLANOS

Lista de Planos 2


2.1 Lista de planos:

Índice General

PLANO Nº 1.- ESQUEMA HIDRÁULICO GENERAL DEL TRACTOR

AUTOMATIZADO.

PLANO Nº 2.- ESQUEMA HIDRÁULICO GENERAL DEL TRACTOR

AUTOMATIZADO-LISTA DE ELEMENTOS.

PLANO Nº 3.- ESQUEMA BLOQUE HIDRÁULICO.

PLANO Nº 4.- ESQUEMA HIDRÁULICO TRACTOR AGRIA-HISPANIA 9940.

PLANO Nº 5.- DIMENSIONES BLOQUE HIDRÁULICO.

PLANO Nº 6.- ESQUEMA ELÉCTRICO GENERAL DEL TRACTOR

AUTOMATIZADO.

PLANO Nº 7.- ESQUEMA ELÉCTRICO TRACTOR AGRIA-HISPANIA 9940.

PLANO Nº 8.- ESQUEMA ELÉCTRICO TRACTOR AGRIA-HISPANIA 9940-

LISTA DE ELEMENTOS.

PLANO Nº 9.- CONJUNTO FRENO.

PLANO Nº 10.- CILINDRO FRENO.

PLANO Nº 11.- HORQUILLA FRENO.

PLANO Nº 12.- PEDAL FRENO.

PLANO Nº 13.- SOPORTE BASTIDOR FRENO.

Lista de Planos 3


PLANO Nº 14.- CONJUNTO EMBRAGUE.

PLANO Nº 15.- ACCIONADOR EMBRAGUE.

PLANO Nº 16.- HORQUILLA EMBRAGUE.

PLANO Nº 17.- CILINDRO EMBRAGUE.

PLANO Nº 18.- SOPORTE CILINDRO EMBRAGUE.

Planos 4


2.2 PLANOS

Pliego de

Condiciones

Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI - PLIEGO DE CONDICIONES-

Documento Nº 3, Pliego de

Condiciones:

Índice General

pág.

3.1 Pliego de Condiciones Generales y Económicas ..............................................1

3.2 Pliego de Condiciones Técnicas y Particulares ................................................7

Pliego de condiciones generales y económicas 1


3.1 PLIEGO DE CONDICIONES GENERALES Y

ECONÓMICAS



3.1 Pliego de condiciones generales

y económicas:

Índice General

Pág.

3.1.1 Pliego de Condiciones Generales.....................................................................3

3.1.2 Pliego de Condiciones Económicas .................................................................5



3.1.1 Pliego de Condiciones Generales

Este proyecto consistente en el diseño y optimización de un circuito eléctrico e

hidráulico para el control de un vehículo en modo de conducción y navegación

autónoma, se ha desarrollado bajo una serie de condiciones de condiciones generales,

de ámbito económico, técnico y normativo. Es precisamente este ámbito el que se

describe a continuación.

Desde la década de los 80´s y especialmente en nuestros días, tal y como se ha

desarrollado ampliamente en la sección 1.1.2, se están desarrollando multitud de

vehículos con un mayor o menor grado de autonomía, cuyo principal objetivo es

facilitar o sustituir al ser humano en tareas repetitivas o peligrosas en diferentes

ámbitos o sectores, y entre ellos la agricultura.

Sin embargo, esta evolución tecnológica no ha sido seguida por un desarrollo de

Normas, Leyes o Reglamentos que sean aplicables a vehículos autónomos, por lo que

el tractor Agria 9940 automatizado en el Instituto de Automática Industrial del CSIC

y el resto de los prototipos existentes no solo en España sino en el resto del mundo,

se encuentran dentro de un vacío legal. Esto es debido principalmente a la dificultad

de adjudicar responsabilidades en caso de accidente o daño a terceros.

Actualmente existe un debate muy importante sobre la adjudicación de

responsabilidades en caso de accidente entre la administración pública, las

compañías aseguradoras y los fabricantes de sistemas o vehículos autónomos, ya que

las compañías aseguradoras se plantean si asegurarán, o lo que es más importante, si

se harán cargo de los gastos en caso de accidentes producidos por sistemas

autónomos. Éstas defienden que estos gastos deben de ser pagados por los

fabricantes de los sistemas autónomos.



Por otra parte los fabricantes de este tipo de sistemas defienden que ellos únicamente

ponen en el mercado un producto que ayuda o sustituye a una persona, pero que es

esta persona la responsable de todo aquello que ocurra con su producto.

Por lo tanto, la situación de vacío legal en este ámbito y la dificultad de su solución,

hace que se abra un profundo debate, que debido a su complejidad no será analizado

en este proyecto sino que deberá ser analizado por la administración.



3.1.2 Pliego de Condiciones Económicas

La realización de este proyecto surge como respuesta a una fuerte demanda en el

mundo de la agricultura y la jardinería, donde cada vez más labores con poco valor

añadido implican un elevado coste.

Un claro ejemplo de ello se da en explotaciones agrícolas de gran extensión, pero

sobre todo en los cada vez más abundantes campos de golf. En este tipo de negocio

el corte del césped de las distintas calles implica cerrarlas a los clientes durante un

determinado número de horas al año, que sin duda es una reducción muy importante

del beneficio anual. Es por ello que un vehículo autónomo que puede trabajar en

horas nocturnas, cuando no hay clientes, es una apuesta de futuro.

A partir de este momento la automatización de cualquier vehículo deja de ser un

mero objeto de investigación para convertirse en un producto que debe satisfacer las

necesidades del cliente, no solo en cuanto a que cumpla su función, sino también a

que no requiera investigadores especializados para su puesta en marcha y control de

su funcionamiento. Por ello las condiciones técnicas y económicas que debe cumplir

la automatización del tractor Agria 9940 son:

� Sencillez, en cuanto a la facilidad de utilización y en cuanto a su instalación

en el vehículo.

� Tractor con posibilidad de funcionar en dos modos de funcionamiento,

conducción convencional y navegación autónoma.

� Economía del sistema, que sin duda está condicionado por el diseño y

optimización de éste, pero también por las economías de escala una vez

superada la fase de diseño.



� Posibilidad de implantación del sistema de navegación y actuación en

tractores comerciales de diferentes marcas.

� Sistema fiable y duradero.

� Sistema con capacidad de trabajar en condiciones atmosféricas variables, con

elevada humedad relativa y con altos índices de partículas suspendidas como

puede ser el polvo de los terrenos de cultivo.

� Sistema con una autonomía suficiente que permita la navegación sin

reportaje, sin recargas y sin atención en tiempos relativamente elevados.

Pliego de condiciones técnicas y particulares 7


3.2 PLIEGO DE CONDICIONES TÉCNICAS Y

PARTICULARES



3.2 Pliego de condiciones técnicas y

particulares:

Índice General

Pág.

3.2.1 Procedimiento de puesta en marcha del sistema autónomo .........................9

3.2.2 Manual del sistema hidráulico.......................................................................11

3.2.2.1 Introducción ......................................................................................11

3.2.2.2 Normas de seguridad para la parada de las máquinas ................11

3.2.2.3 Instalación..........................................................................................12

3.2.2.4 Puesta en marcha..............................................................................13

Limpieza..................................................................................13

Alineación ...............................................................................13

Equipo eléctrico.......................................................................14

Acumuladores..........................................................................14

Rellenado de aceite..................................................................14

Dirección de rotación de la bomba..........................................15

Puesta en marcha y purgado....................................................15

Filtros y mallas filtrantes.........................................................16

Temperatura ............................................................................16

Ajuste de presión.....................................................................16

3.2.2.5 Mantenimiento ..................................................................................17

3.2.2.6 Mantenimiento preventivo y repuestos...........................................21

3.2.2.7 Localización de averías.....................................................................22



3.2.1 Procedimiento de puesta en

marcha del sistema autónomo.

El protocola de puesta en marcha del tractor para su funcionamiento autónomo es:

1) Asegurarse que el interruptor de modo de funcionamiento está en MANUAL.

2) Asegurar que la batería está cargada completamente para un correcto

funcionamiento, 12-13V.

3) Arrancar el tractor.

4) Poner el tractor en un sitio seguro.

5) Accionar el freno de mano.

6) Colocar las palancas de selección de velocidad y de selección del sentido

(adelante-atrás) y modo de marcha (lentas-largas) en punto muerto.

a) Palanca derecha⇒Dibujo Tortuga

b) Palanca de Marcha⇒Posición central en la que se permite el

movimiento derecha-izquierda de la palanca.

7) Posicionar el interruptor de modo de funcionamiento en AUTOMÁTICO.

8) Ejecutar el programa de control remoto en el portátil exterior (pinchar en el

escritorio 2 veces sobre el icono denominado REMOTO).

9) Dar al botón STOP (1 clic basta).

10) Poner la marcha manualmente⇒1ª Liebre o 2ª Caracol



11) Dar al botón STARA y se pone en marcha.

12) Pinchar en el volante para hacerlo girar a derecha e izquierda. Otra alternativa

es poner valores numéricos fijos en las ventanas TURN y DISTANCE y una

vez seleccionados dar a SEND REFERENTES.

13) Minimizar o EXIT.



3.2.2 Manual del Sistema Hidráulico

3.2.2.1 Introducción. La finalidad de las siguientes instrucciones es la de servir de ayuda para un óptimo

funcionamiento de centrales y cilindros hidráulicos, minimizando así los problemas

que puedan surgir.

Para obtener un correcto funcionamiento y una seguridad de operación, es importante

leer y seguir cuidadosamente las siguientes instrucciones. Estas instrucciones deben

considerarse aplicables a sistemas hidráulicos utilizados en ambientes con

temperaturas entre 10ºC y 30ºC, aproximadamente. Bajo otras condiciones de

trabajo, tales como temperaturas ambiente extremas, atmósfera húmeda o polvorienta

u otras condiciones especiales, se recomienda consultar a un departamento técnico

especializado.

3.2.2.2 Normas de seguridad para el paro de

máquinas. En caso de paro de la máquina, seguir los siguientes pasos de seguridad:

1. Asegurar manualmente todos los actuadores.

2. Descomprimir todo el sistema.

3. Vaciar todo los acumuladores.

4. Aislar el sistema de control eléctrico.

5. Parar el motor del tractor.

3.2.2.3 Instalación



Las instalaciones deben efectuarse de acuerdo con el diagrama de tubería existente

en el esquema hidráulico.

Las tuberías no deben trasmitir esfuerzos mecánicos. Ni a los componentes ni a la

central hidráulica; deben estar firmemente sujetas para eliminar vibraciones o

movimientos y, además, presentar una apariencia atractiva. Por otro lado, recordar

que los racores son elementos de montaje y no sujeciones de tubo.

Los tubos flexibles deben instalarse de acuerdo con las especificaciones del

diagrama. Los tubos flexibles no admiten codos de pequeño radio ni esfuerzos

torsionales. Por tanto, el radio de curvatura debe ser elegido asegurándose de que el

tubo flexible puede moverse libremente. La tabla siguiente puede utilizarse para

calcular el mínimo de radio de curvatura:

Las tuberías de drenaje se llevaran hacia el depósito, por encima del nivel de aceite.

No deben tener ninguna comunicación con tuberías de presión o descarga, para evitar

variaciones en las presiones taradas o retardo en el cambio de posiciones de las

electroválvulas.

Antes de conectar la central hidráulica y el panel de válvulas con el resto del sistema

se debe realizar una inspección, asegurándose de que las tuberías entre la central

hidráulica y los actuadores están completamente limpias.

Para las válvulas direccionales la posición de montaje es, generalmente, indiferente.

Las electroválvulas montadas verticalmente, con el solenoide colgando, acusan un

retardo en el tiempo de cambio de posición de servicio y, por ello, se procura elegir

la posición horizontal. Las electroválvulas con conexión de drenaje deberán montarse

siempre horizontalmente para conseguir un rápido cambio de posiciones.



Las válvulas de presión se montara verticalmente, con el mecanismos de taraje hacia

arriba u horizontal. Para los presostatos, la posición la posición de montaje es

indiferente.

3.2.2.4 Puesta en marcha Limpieza.

Se debe comprobar que no hay algún cuerpo extraño haya podido introducirse en el

sistema, y que las cubiertas, tapones protectores, filtros de aire, etc..., que hayan

podido ser desmontados durante la instalación, hayan sido colocados de nuevo

correctamente.

En los depósitos pintados por dentro, hay que comprobar, en toda la instalación, si

los dispositivos hidráulicos están equipados con juntas resistentes al fluido

empleado; este control debe extenderse también a manguitos roscados y bridas.

Alineación.

Debe ser comprobada la alineación mecánica de la bomba, motores, cilindros, etc. La

bomba y el motor eléctrico que fueron alineados cuidadosamente en fabrica pueden

haberse desalineados durante el transporte o bien al fijar el grupo sobre una

superficie desigual. La alineación debe ser comprobada tal y como sigue:

ACOPLAMIENTOS DE CADENA MAX: 0.5º MAX: 0.26mm

ACOPLAMIENTOS DENTADOS MAX: 2º MAX: 0.4mm

Una alineación cuidadosa da larga vida al acoplamiento bomba-motor. Por tanto,

recomendamos que se haga la alineación con una precisión por encima de los valores

indicados.

Equipo eléctrico.



Compruebe que el voltaje corresponde a los de todos los componentes electro-

hidráulico.

Acumuladores.

Los acumuladores siempre deben cargarse de nitrógeno y es conveniente anotar la

presión previa de gas en el acumulador (por ejemplo, mediante un adhesivo).

Cargar a la presión indicada en el diagrama y comprobar en intervalos regulares que

no haya caída de presión. Un acumulador no trabaja satisfactoriamente si la presión

de prellenado no es la correcta. Recuerde que los sistemas con acumulador pueden

trabajar aun cuando estén desconectados del suministro de corriente. Por lo tanto, en

las inspecciones y en las posiciones de paro, el acumulador debe ser vaciado de su

aceite para prevenir posibles accidentes.

Relleno de aceite.

Utilice solamente el tipo de aceite indicado en el orificio de llenado. Recomendamos

utilizar un equipo combinado de llenado y filtrado. La malla del orificio de llenado

no debe ser desmontada nunca. El llenado debe efectuarse solamente cuando los

pistones de todos los cilindros están retraídos.

Cuando el nivel del fluido descienda durante la puesta en marcha o debido a la purga

de aire del circuito, rellene a nivel normal. Los depósitos Standard contienen el

volumen nominal de aceite cuando este llega al nivel superior. El volumen máximo

que puede sacarse es el 35% del volumen nominal.

Mientras que para las bombas, la unidad de filtraje la indican los diferentes

fabricantes (según nuestra experiencia un filtraje de 25 micras es suficiente), para el

resto de los componentes instalados en los equipos bastara con una unidad de filtraje

de 100 micras. Estos valores no son validos naturalmente para los sistemas de

electroválvulas.

Dirección de rotación del eje de la bomba.



Compruebe que la dirección de rotación corresponde a la dirección de la flecha

marcada en la bomba. Las bombas normales giran a derechas (en el sentido de las

agujas del reloj) observando a la bomba desde el extremo del eje. El giro a izquierdas

se suele indicar con una “L” o “LH” en el código de identificación.

Puesta en marcha y purgado.

Un procedimiento de puesta en marcha incorrecto puede ocasionar la destrucción de

la bomba en pocos segundos. Por tanto, deben seguirse cuidadosamente las

instrucciones siguientes:

Las bombas de engranajes están diseñadas para arrancar en carga, y por tanto, deben

arrancar con una presión moderada. Es importante cuando la bomba es nueva que

arranque sin contrapresión, a fin de que pueda expulsar el aire del sistema. De otra

forma, la bomba podría no aspirar aceite y se destruiría por falta de lubricación. Por

tanto, compruebe que las válvulas direccionales están en posición de descarga al

tanque. Si la bomba debe arrancar contra una válvula de centro cerrado, un

acumulador cargado o una válvula antirretorno cargada, en la línea de presión debe

colocarse una válvula de purga automática tipo ABT. Si tal válvula no existiera en el

circuito, debe aflojarse un racor y no debe apretarse hasta que no fluya un chorro de

aceite constante y transparente. Arranque el motor sin dejarle alcanzar las

revoluciones de régimen y si la bomba no aspira aceite inmediatamente pare el motor

en seguida. Esto se repite en intervalos hasta que la bomba esté cebada. Si la bomba

no se ceba se la puede llenar con aceite limpio.

Opere todos los cilindros uno por uno y purgue cuando sea necesario. Vigile el nivel

de aceite en el depósito. Antes de utilizar un sistema hidráulico todo el aire debe ser

expulsado del sistema. Si no se hace esto el ajuste debe resultar difícil o imposible.

En el caso de sistemas pequeños, el purgado normalmente puede efectuarse operando

los cilindros una o dos veces en toda su carrera, con una pausa de 2-3 segundos,

aplicando máxima presión en los extremos de sus carreras.



Filtros y mallas filtrantes.

Los filtros y mallas filtrantes deben limpiarse frecuentemente durante el periodo de

rodaje y después a intervalos dictados por la experiencia, según las condiciones del

sistema. En caso de que disponga de un equipo llenado filtraje, es recomendable el

usarlo durante algunos días como filtro continuo de circulación.

Temperatura.

Cuando el sistema haya funcionado de 6 a 8 horas en condiciones normales de

trabajo, compruebe que no se hayan producido recalentamientos de cojinetes,

retenes, aceite, motores eléctricos, solenoides, etc.

Debido a que casi todas las perdidas de rendimiento de un sistema hidráulico se

trasforman en calor, es natural que el aceite se caliente. Sin embargo, la temperatura

del aceite en el tanque no debe sobrepasar los 65ºC (150º F). Excepcionalmente

algunos sistemas hidráulicos pueden diseñarse para temperaturas de funcionamiento

más altas.

Ajuste de presión.

La presión se ajusta mediante la válvula de seguridad del sistema u otro dispositivo

limitador de presión.

Para evitar accidentes involuntarios durante la puesta en marcha, las válvulas

limitadoras de presión deben tararse a un valor bajo (10 Bar).

Naturalmente, las válvulas limitadoras de presión para acumuladores, que a causa de

su taraje de valor fijo previamente determinado no permiten modificación alguna,

quedan exceptuadas. Estando funcionando el sistema a esa baja presión, debe

purgarse de aire continuamente, observando si el nivel de aceite en el depósito baja

del mínimo fijado y rellenarlo a tiempo si fuera preciso.



Cuando la presión de trabajo ha sido alcanzada y la comprobación del

funcionamiento del sistema ha sido satisfactoria se ajustan los presostatos,

interruptores flotantes, termostatos,..etc. Todas las regulaciones llevadas a cabo

deben expresarse en un protocolo de aceptación.

La presión no debe nunca sobrepasar la máxima indicada en el diagrama del circuito.

Cuando se ajuste la presión por medio de una válvula de seguridad pilotada debe

tenerse cuidado en ajustar la presión un poco más alta que la presión necesaria del

sistema. Por ejemplo, si 90 kg/cm2 son necesarios para efectuar un trabajo

determinado, la válvula de seguridad debería ajustarse en torno a 105 y 110 kg/cm2.

Si la válvula se ajusta a una presión más alta, el sistema queda expuesto a una

presión mayor que la necesaria, con el riesgo de una vida más corta.

Por otra parte, la válvula de seguridad nunca debe ajustarse al mismo valor que la

presión de trabajo, ya que esto acarrearía pérdidas de aceite, con el consiguiente

calentamiento del mismo.

Cuando el ajuste de presión haya sido realizado, recomendamos precintar los

tornillos de ajuste para prevenir en el que personas no autorizadas alteren el ajuste

del sistema.

3.2.2.5 Mantenimiento. Los problemas de mantenimiento y, en particular, los de la conservación preventiva

deben ya considerarse en la fase de proyecto. Colocando llaves de cierre delante de la

bomba, o de las placas colectoras, se puede evitar que, en reparaciones, haya de

vaciar todo el depósito de aceite o surjan pérdidas de aceite innecesarias, con las

consecuencias ligadas a ello.



Libro de manutención.

Se recomienda preparar, ya en la puesta en marcha, un libro de manutención que

pasara luego a cargo del personal de mantenimiento. La información archivada debe

contener:

� Descripción de los síntomas detectados y fecha.

� Descripción de la investigación preliminar y sus resultados.

� Explicación de la acción tomada, piezas de repuesto requeridas, fechas en que

las reparaciones fueron efectuadas y tiempo que se invirtió.

� Información sobre las fechas de cambio de fluido, cartucho de recambios para

el filtro y limpieza de filtros de aspiración.

� Estos informes, si se analizan frecuentemente, indicaran los lugares que

requieran atención especial, así como problemas repetitivos que podrán ser

anticipados y corregidos antes de que se produzca una avería.

Nivel de aceite.

En los períodos iniciales, el nivel de fluido en el tanque debe ser comprobado

frecuentemente hasta que la experiencia nos muestre que este control puede

espaciarse a intervalos superiores.

Filtros.

Durante la puesta en marcha, los filtros deben comprobarse y limpiarse, si fuera

preciso en intervalos de 2 a 3 horas. Después deben limpiarse diariamente y al cabo

de una semana, según haga falta los filtros de aspiración deben atenderse con

especial cuidado. Después de transcurrido el período de rodaje, deben limpiarse o

comprobarse una vez a la semana, por lo menos. Es necesario que el aceite se

mantenga a un máximo de limpieza.

Cambio de aceite.



El primer cambio de aceite dependerá de las condiciones de trabajo y del

envejecimiento del aceite. En las instalaciones pequeñas, en las que la relación del

caudal de la bomba con el depósito es de, aprox. 1:3, el primer cambio deberá

hacerse después de 50 a 100 horas de servicio desde la puesta en marcha. En

instalaciones grandes, después de 2000 ó 2500 horas de servicio y los posteriores

cambios de aceite pueden hacerse entre 3000 ó 5000 horas de servicio e incluso más

tiempo si el aceite se va limpiando y supervisando continuamente.

Es recomendable, no obstante, que se cambie el aceite después de 10000 horas en

instalaciones grandes y después de unas 5000 horas de trabajo en instalaciones

pequeñas.

Por último, recordar que el aceite muy envejecido o sucio no mejora añadiéndole

aceite nuevo. Es más económico vaciar la instalación en estado caliente y llenarla

con aceite nuevo.

En circuitos de gran capacidad o instalaciones que ocupan un lugar estratégico dentro

de la producción de la empresa, se recomienda llevar un control de análisis del

lubricante, que posibilite establecer correctamente los períodos de cambio de las

cargas de aceite, a la vez que sirva de herramienta útil para el mantenimiento

preventivo, al analizar datos tales como metales de desgaste, contagio de partículas

de contaminación, etc.

Elección del fluido.

Descripción:

El aceite a emplear en los equipos Hidraflex deberá estar formulado con base

parafínica de alta calidad, químicamente estable, que, combinado con aditivos

especiales, le confieren las propiedades especificas requeridas a un fluido hidráulico

antidesgaste de alta calidad.

Propiedades:



Gran poder de emulsividad, elevada resistencia a la formación de espuma, alto poder

antidesgaste, resistencia a la formación de depósitos, protección contra la herrumbre

y corrosión, alta resistencia a la oxidación y excelente comportamiento frente a las

juntas y elastómeros.

Especificaciones:

El aceite a utilizar deberá cumplir con las siguientes especificaciones:

• ISO 3448 HM/HDF/HV

• DIN 51.524 Part. 2 Clase HLP.

Características Físico-Químicas:

Acumuladores.

La presión de nitrógeno en los acumuladores, debe comprobarse periódicamente y,

para ello, el acumulador debe vaciarse de aceite previamente y quedar sin presión.

Temperatura.

La temperatura no sólo debe controlarse en el depósito de aceite, sino también en

otros puntos del sistema, y como en los rodamientos de las bombas, etc. Un aumento

de temperatura significa que hay desgaste (fricción) y que existe una transformación

de la energía hidráulica en calor.

Las temperaturas hasta 60ºC son normales, pero no es conveniente que alcance 70ºC

y mucho menos pasar de este valor si se quiere alargar la vida del aceite.



Presión principal y de mando.

Deben comprobarse como máximo cada semana. Los diferentes ajustes de presión se

deben anotar en el libro de manutención. Una corrección frecuente de presión debe

significar, por ejemplo, un desgaste en la válvula limitadora de presión y la necesidad

de sustituirla.

Funcionamiento.

Para obtener un funcionamiento satisfactorio de la valvulería es imprescindible que

al efectuar una reparación se tengan en cuenta las prescripciones de servicio que

acompañan al dispositivo o las indicaciones de la correspondiente hoja de catálogo.

Al montar y desmontar las piezas interiores, éstas deben mantenerse siempre limpias.

El fluido empleado y su grado de limpieza deben ser equivalentes al recomendado en

las hojas de datos. Las necesidades de manutención y servicio dependerán,

fundamentalmente, de las condiciones ambientales bajo las que deban trabajar los

sistemas hidráulicos, si bien es interesante que las válvulas sean controladas a

intervalos regulares de tiempo en cuanto a su funcionamiento y estanqueidad tras la

puesta en marcha.

3.2.2.6 Mantenimiento preventivo y repuesto Como se ha dicho antes, la vida de los sistemas hidráulicos viene dada por una

duración de los elementos mecánicos.

En las bombas son los rodamientos, cuya duración esta limitada entre 5000 y 10000

horas de trabajo, quienes pueden orientarnos normalmente.

En las válvulas de duración depende la cantidad de conexiones. Hasta 10 millones de

conexiones no son raras. La vida de las válvulas de presión varia según la duración

de la solicitud, es decir, el tiempo durante el que se deriva el aceite de presión. Como

este tiempo es, por lo general, es muy difícil de terminar, puede tomarse sólo como

base el tiempo de funcionamiento de la instalación. En algunos casos se recomienda



cambiar previsoramente las válvulas de presión después de unas 2000 a 3000 horas

de trabajo de instalación.

Los repuestos deben almacenarse en un lugar seco, sin humedad ambiental. El lugar

de almacenaje debe estar libre de productos corrosivos o vapores oxidantes. El

correcto almacenamiento de las válvulas debe ser controlado periódicamente.

Para el almacenaje durante un tiempo superior a tres meses, las válvulas deberán

llenarse con aceite de conservación y cerrarse.

3.2.2.7 Localización de averías Reglas generales.

Una bomba suministra el caudal, pero debe haber una resistencia a la salida para dar

origen a una presión. Comprobar hacia donde se dirige el fluido.

Si un receptor no se desplaza o se desplaza con poca velocidad es que el fluido

circula por una derivación por alguna otra parte del circuito. Seguir este caudal,

desacoplar las tuberías si es necesario.

Ruido excesivo

a) Cavitación:

� Filtro de aspiración obturado total o parcialmente.

� Cuerpos extraños en la tubería de aspiración.

� Viscosidad del aceite muy elevada a la temperatura de funcionamiento.

� Temperatura de funcionamiento demasiada baja (ocasionando exceso de

viscosidad) o demasiada alta (ocasionando vaporización).

� Velocidad de rotación excesiva.

� Nivel de aceite demasiado bajo.

� Tubería de aspiración demasiado estrecha, demasiado larga o con

irregularidades en su recorrido (codos, cambios bruscos de sección, válvulas

de asiento, etc.)

� Válvulas medio cerradas en la tubería de aspiración.

� Depósito con filtro de aire demasiado pequeño o bloqueado.



b) La bomba aspira aire:

� El nivel de aceite demasiado bajo, no cubriendo suficientemente la boca de

aspiración.

� Conexionado no estanco en tubería de aspiración.

� Retén de salida del eje estropeado.

� Emulsión del aceite (formación de espuma) por desbocar las líneas de retorno

por encima del nivel del líquido.

� Tubería de aspiración estropeada.

� Retenes no estancos en los vástagos de los cilindros.

c) Otros casos.

� Paletas desgastadas.

� Anillo u otra pieza sometida a rozamiento, desgastado o dañado.

� Mal alineamiento del eje.

� Rodamiento desgastado o defectuoso.

� Acoplamiento falto de engrase o averiado.

d) Ruido excesivo o vibraciones en la válvula de seguridad

� Válvula demasiada pequeña para el caudal que elimina.

� Obturador de la tapa –o su asiento- desgastado o defectuoso.

� Presión excesiva en la línea de retorno.

� Tubería de venting demasiado larga o demasiado ancha (la adicción de un

estrangulamiento puede ser útil)

� Taraje de la válvula demasiado próximo al de otra válvula del circuito

(conviene que la diferencia no sea inferior a 10 kg/cm2).

Débil presión –presión insuficiente o irregular:

a) Mal funcionamiento de la válvula de seguridad o de otra válvula – reductora

o secuencial- que gobierne la presión del circuito (compruébese si la



corredera principal y obturador de la tapa pueden desplazarse correctamente y

si el obturador y su asiento no están marcados o desgastados.

b) Impurezas en el fluido que tienden a mantener la válvula de seguridad

parcialmente abierta (posible obstrucción del orificio practicando en el cuerpo

de la corredera principal).

c) Valor de taraje demasiado bajo en la válvula de seguridad.

d) Conexión a “venting” parcialmente abierta en la válvula de seguridad.

e) Línea de drenaje no conectada abiertamente al depósito, en una válvula

reductora.

Ninguna presión:

a) Mal funcionamiento de la bomba.

b) Distribuidor no mandado: fallo eléctrico del contacto de fin de carrera o relé;

presión de pilotaje insuficiente; dispositivo de seguridad no mandado.

c) Distribuidor averiado (fallo del solenoide, corredera encallada, varillas de

mando en mal estado).

d) Bloque de los mecanismos accionados por el receptor.

e) Presión de servicio demasiada baja.

f) Cilindro o motor desgastado o dañado.

g) El receptor se desplaza anormalmente y poca velocidad:

h) Presencia de aire en el fluido

i) Nivel aceite demasiado bajo.

j) Viscosidad del fluido demasiado elevada.

k) Fugas internas en el receptor o en las válvulas.

l) Bomba desgastada.

m) Velocidad de rotación insuficiente.

n) Distribuidor averiado.

o) Tuberías defectuosas u obstruidas.

p) Regulador de caudal desgastado o atascado.

El cilindro no se mantiene en su posición de paro:

a) La corredera de un distribuidor no alcanza correctamente su posición centro.



b) Desgastes en la corredera o en el cuerpo del distribuidor.

c) Fugas interiores en el cilindro.

d) Corredera inadecuada al circuito por sus conexiones en posición central.

e) La válvula de equilibrado no soporta la carga debido a:

-Estar tarada a una presión demasiado baja.

-Suciedad en el antirretorno incorporado a la válvula.

-Desgaste del cuerpo de válvula o de la corredera principal.

Funcionamiento prematuro de una 2ª operación mandada por una válvula de

secuencia:

a) Taraje de la válvula demasiado bajo.

b) Esfuerzos demasiado elevados en el circuito primario.

c) Fuerzas de inercia importantes en los órganos mandados por el circuito

primario.

Funcionamiento lento o nulo de una 2ª operación mandada por una válvula de

secuencia:

a) Taraje de la válvula demasiado alto.

b) Taraje de la válvula demasiado próximo al de la válvula de seguridad

(conviene que la diferencia no sea inferior a 10 kg/cm2).

c) Corredera encallada.

El circuito se calienta:

a) El agua está cortada en la llegada del intercambiador de calor o bien este

último está obstruido.

b) Funcionamiento permanente de la válvula de seguridad por esfuerzo excesivo

en el receptor por fallo de alguna válvula de descarga o de

c) algún distribuidor (compruébese si los resortes de centrado actúan

correctamente) por insuficiente presión de pilotaje en una válvula de descarga

o a causa de una viscosidad de aceite demasiado elevada.



d) Fugas internas y externas demasiado importantes. Verificar los valores de las

fugas a la salida de los motores y los cilindros, puede ocasionarlo una

viscosidad del fluido demasiado baja.

e) Temperatura ambiente muy elevada.

f) Poca ventilación.

g) Válvulas de regulación de caudal mal ajustadas

h) Refrigerador demasiado pequeño.

i) Antirretorno del refrigerador tarado demasiado bajo.

Presupuesto

Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI - PRESUPUESTO-

Documento Nº 4, Presupuesto:

Índice General

pág.

4.1 Recursos y medidas .............................................................................................1

4.2 Presupuesto general.............................................................................................8

Recursos y Medidas 1


4.1 RECURSOS Y MEDIDAS



4.1 Recursos y medidas:

Índice General

Pág.

4.1.1 Vehículo comercial.............................................................................................3

4.1.2 Horas de Ingeniería ...........................................................................................3

4.1.3 Componentes hidráulicos..................................................................................5

4.1.4 Componentes eléctricos .....................................................................................5

4.1.5 Piezas de instalación ..........................................................................................6

4.1.6 Sensorización y sistema de control y posicionamiento ...................................7



Los recursos empleados en este proyecto se clasifican en horas de ingeniería,

componentes hidráulicos, componentes eléctricos y piezas de implementación.

Como este proyecto se enmarca dentro de un sistema de navegación autónoma

también se considerarán todos los gastos incurridos durante la fase de sensorización

y la fase de creación del programa de control y posicionamiento.

No se ha de olvidar que todos los sistemas van montados e instalados sobre el tractor

comercial Agria-Hispania 9940, que supone el recurso material utilizado de mayor

valor.

4.1.1 Vehículo comercial

Como se ha mencionado a lo largo de todo el proyecto, los diferentes sistemas de

actuación, sensorización y control han sido implementados sobre un tractor

comercial articulado de pequeño tamaño.

El coste de este vehículo incluyendo el precio y los diferentes impuestos y gastos

para su utilización en terreno público asciende a 25000€.

4.1.2 Horas de Ingeniería

Las horas de ingeniería se desglosan en dos conceptos. Horas dedicadas directamente

en este proyecto al diseño y montaje o fabricación del sistema hidráulico, sistema

eléctrico y piezas de implementación. A estas horas de ingeniería se añaden las

horas de supervisión dedicadas por los responsables de los distintos departamentos.

Se estiman que se han utilizado como horas de supervisión un 5% de las horas

directas empleadas.

En la Tabla 1 se recogen las horas de ingeniería empleadas.



Horas de Ingeniería

Personal Nº Horas

Proyectista [Blázquez] 450

Responsables Departamentos 75

TOTAL 525€

Tabla 1- Horas de Ingeniería Para poder calcular el coste que significan estas horas se ha calculado que el número

de día efectivos anuales es de 210días, que es el resultado de la diferencia del

número de días anuales menos días festivos, periodo vacacional, media de días

perdidos por enfermedad,…

Considerando la jornada laboral de 8 horas diarias se obtiene que el número de horas

efectivas al año es 1680horas.

A su vez, los costes medios de ingeniería anuales son de 55000€, incluyendo sueldo

bruto más pagos a la seguridad social.

El coste horario de ingeniería es:

55000€ de coste anual / 1680 horas por año≈ 33€

El coste total de horas de ingeniería es €17325525€33 =⋅ horas

Es muy importante recordar que este precio corresponde a la adjudicación de todos

los costes de ingeniería a un único tractor (el prototipo), pero que si este sistema sale

adelante sería amortizado en los diferentes vehículos fabricados. Por esto se

considerará que la previsión de ventas mínimas es de 10vehículos, lo que hace que

corresponda un total de aproximadamente 1700€ por tractor.



4.1.3 Componentes Hidráulicos Este recurso corresponde a las distintas piezas o elementos que se han instalado en el

sistema hidráulico, quedando desglosados en la Tabla 2 de la siguiente manera:

Componentes Hidráulicos

Concepto Cantidad Coste

Bloque Electroválvulas 1 3000€

Cilindro Freno 1 330€

Cilindro Embrague 1 330€

Limitador de Presión 1 88€

Antirretorno pilotado en

línea 1 292€

Acumulador 1 40€

Bloque Aperos 1 300€

Tubos y Latiguillos - 300€

Racores y Accesorios - 50€

TOTAL - 4730€

Tabla 2-Coste Componentes Hidráulicos

4.1.4 Componentes Eléctricos Este recurso corresponde a las distintas piezas o elementos que se han instalado en el

sistema eléctrico, quedando desglosados en la Tabla 3 de la siguiente manera:

Componentes Eléctricos


Actuador lineal Acelerador 1 452€

Solenoide Parada 1 52€

Seta Emergencia 1 70€

Interruptor de Modo 1 14€



Botonera Pulsadores Aperos 1 36€

Bloque fusibles/Fusibles 1 15€

Diodos 6 3€

Cables 10m 20€

Accesorios - 20€

TOTAL - 634€

Tabla 3- Coste Componentes Eléctricos.

4.1.5 Piezas de Instalación

Este recurso corresponde a las distintas piezas o partes de mecanismos que han sido

necesarias diseñar y fabricar especialmente para poder acoplar los distintos

actuadores al tractor Agria 9940, quedando desglosados en la Tabla 4 de la siguiente

manera:

Piezas de Implementación


Soporte Bastidor freno 1 30€

Horquilla Freno 1 32€

Modificación Pedal Freno 1 25€

Modificación Accionador Embrague 1 28€

Horquilla Embrague 1 32€

Soporte Cilindro Embrague 1 45€

Soporte Bloque de Válvulas 1 15€

Camisa-Cable Acero

(Acelerador/Parada) 2 10€

Piezas Extras(Tornillos, pasadores,

tuercas,…) - 20€

TOTAL - 237€

Tabla 4- Coste Piezas de Implementación.



4.1.6 Sistemas de sensorización, Control y

Posicionamiento

Los costes de los sistemas de sensorización, control y posicionamiento, al igual que

los desarrollados anteriormente, están también compuestos por recursos materiales y

por gasto en horas de desarrollo e ingeniería. Debido a la gran complejidad de los

elementos instalados, el tiempo invertido en el desarrollo, y dado que no se encuentra

dentro de los límites de este proyecto no se ha procedido al estudio pormenorizado

de los diferentes costes incurridos. Sin embargo, estos costes han sido

proporcionados por el departamento competente del Instituto de Automática

Industrial del CSIC, ascendiendo a una cantidad por vehículo de 6000€.

Presupuesto General 8


4.2 Presupuesto General:

Tras el análisis de costes calculados anteriormente, el presupuesto general es el

indicado en la Tabla 5.

Presupuesto General

Concepto Coste %Coste Total

Tractor Agria 9940 25000€ 65.3%

Horas Ingeniería 1700€ 4.4%

Componentes Hidráulicos 4730€ 12.3%

Componentes Eléctricos 634€ 1.6%

Piezas de Implementación 237€ 0.6%

Sistemas de Sensorización,

Control y Posicionamiento 6000€ 15.7%

TOTAL 38300 € 100%

Tabla 5-Presupuesto General

Un porcentaje muy elevado del coste del tractor autónomo es el propio vehículo

agrícola que corresponde con un 65.3%, representando por tanto el sistema de

navegación autónoma un porcentaje del 34.7%, equivalente a13300€.

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DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA ELÉCTRICO E ... · proyecto fin de carrera diseÑo y optimizaciÓn de un sistema elÉctrico e hidrÁulico para navegaciÓn autÓnoma de un vehÍculo