CONTROL Y MONITORIZACION DE CULTIVOS USANDO VEHICULOS AEREOS NO TRIPULADOS

CONTROL Y MONITORIZACION DE CULTIVOS USANDO VEHICULOS AEREOS NO TRIPULADOS

R.Huillcaya, estudiante de la Universidad San Luis Gonzaga de Ica-Perú

Asesor Mario Chauca Prof. UNICA-Perú

Abstract— The technology based on an UAV described below is extremely versatile allowing farmers to maximize yields through better management of nitrogen and water also involves a selective use of nutrients and pesticides each plant requires, thereby reducing the cost and environmental impact. One of the most potential applications de los drone, in addition to public safety is precision agriculture and field monitoring.

Precision agriculture refers to the use of remote to scan and detect if plants are healthy sensors, degree of hydration and the rate of growth. With this technology we would be helping farmers to minimize costs and maximize production through effective care products.

Keywords: UAV, Sensors, Environmental Impact, Monitoring, Precision Agriculture, Drone.

I. INTRODUCCIÓN

La agricultura de precisión se basa en el análisis de la variabilidad intraparcelaria de factores abióticos (suelo, drenajes, estrés hídrico) y bióticos (malas hierbas, plagas, hongos, cosecha) existentes en los campos de cultivo. Para dicho análisis es necesario localizar la variable objeto de interés mediante la utilización de GPS, sensores diversos y el apoyo de ordenadores. El objetivo es diferenciar sub parcelas o zonas de manejo que se incorporan a los equipos para la aplicación localizada variable (diferentes dosis o diferentes productos).

Ello permite aumentar los beneficios agroeconómicos y mejorar la sostenibilidad mediante la aplicación de agroquímicos dirigida y ajustada a los requerimientos reales del cultivo.

Dentro de la agricultura de precisión se enmarca el control localizado de malas hierbas en estado fenológico temprano, ya que es el momento en el que se suelen aplicar los tratamientos herbicidas de post-emergencia. Para realizar este control es necesario previamente desarrollar métodos para detectar y mapear las malas hierbas. Una de las principales fuentes de información utilizadas en la agricultura de precisión es el análisis de imágenes tomadas desde plataformas aéreas. Los vehículos aéreos no tripulados (UAV, por las siglas en inglés de ‘Unmanned Aerial Vehicle’) se han desarrollado en los últimos años como una plataforma aérea para la adquisición de imágenes con multitud de aplicaciones, algunas de ellas relacionadas con la agricultura de precisión y el control localizado de malas hierbas (Zhang & Kovacs, 2012). [1] Las principales ventajas del empleo de los UAV para alcanzar objetivos agronómicos frente a otras plataformas aéreas utilizadas hasta ahora (satélites, aviones tripulados) son la facilidad para realizar vuelos justo en el momento deseado, su menor coste y el menor riesgo que suponen en comparación con los aviones tripulados. En el contexto del control localizado de malas hierbas en fase temprana, uno de los beneficios más relevantes es la posibilidad de volar a bajas alturas, lo que permite la captura de imágenes de muy alta resolución espacial en las que se pueden detectar y clasificar objetos de pocos centímetros. Esto posibilita el uso de imágenes procedentes de UAV para la discriminación y cartografía de malas hierbas en fase temprana con el fin de diseñar mapas de tratamiento localizado en post-emergencia temprana. La mayor dificultad de este objetivo radica en que en ese estado fenológico las plantas de cultivo y las malas hierbas son similares en apariencia y espectralmente y por ello se requieren imágenes con píxeles menores de 2-5 cm. Actualmente no es posible obtener una resolución espacial tan elevada con los sensores utilizados en satélites y aviones tripulados. [2], [3] y [4]

II. TRABAJOS PREVIOS

De manera general, existen dos tipos de plataforma de UAV de ala fija y de ala rotatoria. En función del objetivo buscado, será necesario el empleo de una plataforma u otra.

Los condicionantes para seleccionar la plataforma serán la superficie a estudiar, la resolución espacial requerida y las condiciones para el despegue y el aterrizaje en la zona.

Figura 2. UAV de ala fija Figura 3. UAV de ala rotatoria

La principal característica de los UAV es que están dotados de autopiloto y sensores de navegación como son el GPS y la unidad de medición inercial (IMU), lo cual permite realizar planes de vuelo que la plataforma ejecuta de manera autónoma con gran precisión, así como obtener los datos necesarios para la corrección geométrica de las imágenes capturadas.

Figura 4: UAV tomando altura sobre un cultivo de maíz.

A bordo del UAV se han instalado dos cámaras diferentes por separado. Una cámara convencional Olympus PEN E-PM1 con una resolución de 12 MP, y una cámara multi espectral Tetracam Mini-MCA de 1,3 MP de resolución y que es capaz de capturar información en el infrarrojo, una zona del espectro empleada usualmente en la caracterización del vigor de la vegetación.

1. Equipo de trabajo

El UAV utilizado en nuestros trabajos es un multirrotor MD4-1000 (Figura 4) con capacidad para llevar acoplado un sensor de hasta 1,25 kg y una autonomía de vuelo de 45 minutos (Microdrones, 2012). Este modelo, con capacidad de despegue y aterrizaje vertical, está dotado de un GPS que le permite volar de manera automática siguiendo una ruta previamente programada. El sistema de manejo del UAV incluye una emisora de radiocontrol, una estación base para recepción de datos de telemetría y un software para diseño de rutas, configuración del vehículo e interpretación de la telemetría. La captura de las imágenes es accionada automáticamente por el UAV según la configuración de vuelo preestablecida.

A bordo del UAV se han instalado dos cámaras diferentes por separado. Una cámara convencional Olympus PEN E-PM1 con una resolución de 12 MP, y una cámara multi espectral Tetracam Mini-MCA de 1,3 MP de resolución y que es capaz de capturar información en el infrarrojo, una zona del espectro empleada usualmente en la caracterización del vigor de la vegetación.

2. Flujo de trabajo

A continuación se describe la metodología desarrollada para la generación de los mapas de infestación de malas hierbas.

Diseño del vuelo.- Esta fase, en la que se decide la altura de vuelo y la cámara usada, es de vital importancia para conseguir imágenes con la resolución adecuada. Es necesario tener en cuenta el objetivo que se persigue y el cultivo en que se trabaja, ya que esto influye sobre la altura a la que se volará y a su vez ésta determina la resolución espacial de las imágenes, el número de imágenes necesarias para cubrir el cultivo y la duración del vuelo, aspecto muy importante para evitar problemas con la autonomía del vehículo.

Si se busca la detección de plantas individuales en cultivos de hilera estrecha como el trigo, es necesario trabajar con resoluciones espaciales de en torno a 1 cm, lo que obliga a volar a una altura de unos 30 m con la cámara Olympus. En cambio, si se quieren mapear rodales de malas hierbas en cultivos en hilera ancha como maíz o girasol, se puede trabajar con resoluciones de unos 5 cm que se consiguen volando a unos 100 m con la cámara multi espectral y a 130 m con la convencional.

Una vez seleccionada la altura de vuelo adecuada para el desarrollo de nuestros objetivos, se diseña el plan de vuelo con el software propio del UAV y finalmente se implementa en el vehículo.

Ejecución del vuelo.- Ya en el campo de cultivo, se instala la cámara a bordo del UAV y, tras el despegue manual, se activa la ruta de vuelo programada para que el vehículo comience automáticamente a recorrer el campo de cultivo tomando numerosas imágenes hasta que lo ha sobrevolado por completo. En ese momento se pasa a control manual para proceder al aterrizaje. Durante todo el tiempo de vuelo el UAV envía a la estación base (Figura 5) información sobre diferentes aspectos como: posición, estado de las baterías o potencia de los motores.

Figura 5: Estación base del UAV.

Pre-procesado de las imágenes.- Las imágenes tomadas durante el vuelo son trasladadas desde la cámara a un ordenador. Los archivos generados por la cámara convencional pueden ser usados tal cual, sin embargo los de la cámara multiespectral necesitan cierto tratamiento previo para poder ser procesadas. Antes del análisis de las imágenes que generará el mapa de infestación, es necesario un proceso de mosaicado.

Dicho proceso consiste en combinar y dar coordenadas a todas las imágenes tomadas en vuelo de forma que al final se obtenga una única imagen (denominada ortoimagen) que muestre el campo de cultivo en su totalidad.

Generación del mapa de infestación.- El proceso de generación del mapa de infestación de malas hierbas se lleva a cabo automáticamente mediante un algoritmo de análisis de imagen orientado a objetos desarrollado en nuestro grupo de investigación. Cada objeto es un conjunto de píxeles homogéneos adyacentes y permite un análisis más preciso que los basados sólo en píxeles. Ello se debe a que tiene la ventaja de incorporar en los algoritmos de clasificación, además de la información espectral como es usual en los análisis de imagen basado en píxeles,

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