Sensor de nível do solo sobre Cana de Açúcar usando técnicas microondas


R. e L. Page Woods G. S.
Escola de Engenharia da Universidade James Cook, Townsville, Queensland, 4811, Austrália
Rayner.Page@jcu.edu.au
Graham.Woods@jcu.edu.au


I. Resumo
Sistemas de controle automáticos têm a capacidade de melhorar muito a agricultura moderna, [1], aumentando a eficiência, permitindo maior precisão e diminuindo os custos associados. A colheita da cana de açúcar é uma atividade que tem a necessidade de tais sistemas. Em particular, o controle da colheitadeira "base-cortador", a altura pode melhorar significativamente a eficiência de colheita e reduzir a quantidade de matérias estranhas que chegam na moenda.
Este trabalho investiga a viabilidade de um sensor eletrônico, baseado na tecnologia de microondas, para precisão ao nível do solo e, portanto, no sentido de controlar a colhedora na base do cortador. A técnica do sensor de microondas estudado utiliza um sensor de estilo de transmissão que mede a amplitude de uma propagação de ondas eletromagnéticas de um lado da linha sobre a cana para o outro. Os resultados mostram que uma freqüência de operação entre 2 e 4 GHz, transmitidos através de uma antena de 9.5dB, é mais adequada para esta aplicação.

II. Introdução
Colheitadeiras mecanizadas são usadas extensivamente para a colheita das culturas de cana de açúcar e empregam um "corte de base" para cortar o talo, ou logo abaixo, ao nível do solo. Infelizmente, devido à posição da cabine da colheitadeira é impossível que o operador veja onde a base do cortador é realmente de corte durante a operação, o resultado é que o controle de altura ideal raramente é alcançado manualmente na prática. Além disso, o operador é capaz de fazer os inúmeros ajustes de altura de pequeno porte que são necessários para manter a altura desejada, enquanto a base do cortador da colhedora está atravessando desigualmente o terreno. O ajuste incorreto da altura da base do cortador durante a colheita, tem um número de efeitos adversos, efeitos na planta da cana, e na qualidade e na quantidade de cana coletada. A simplicações devido ao controle de altura imprecisa na base de corte são as seguintes:

• O corte da planta de cana de açúcar muito alto, acima do nível do solo reduz a produtividade, enquanto aumenta o risco de doenças que entram no estabelecimento, devido à possibilidade de cana quebrada nos talos.
• O corte da planta de cana de açúcar muito baixo pode introduzir terra extra nas etapas de refino da usina de açúcar causando custos adicionais de manutenção, além de aumentar o risco de dano permanente às raízes das plantas de cana.
O último cenário, o de corte da planta abaixo do nível do solo, é prática comum entre
operadores de colhedeiras. O pior efeito da colhedora de corte da planta abaixo do nível do solo é o aumento do custo de moagem, devido ao excesso de terra que entra na fábrica com a cana. Dado que o montante de terra presente em excesso pode variar de 3,5% do peso bruto de cana-de-açúcar colhida, esta representa um custo significativo para o setor de moagem.

Os problemas associados com regulagem de altura imprecisa na base do cortador de colheitadeiras de cana de açúcar sugere um sensor que pode detectar o nível do solo e, portanto, ser utilizado para automaticamente ajustar o nível de base do cortador, seria muito útil. vários sensores têm sido propostos para esta aplicação no passado. Estes sensores vão desde sensores mecânicos com rodas ou patins [2], e detectores de nível ultra-sônico [3]. Infelizmente, as técnicas anteriores de sensoriamento obtiveram limitado
sucesso para esta aplicação, principalmente devido ao ambiente severo e as condições operacionais envolvidas. Os sensores mecânicos são propensos a se sujar de terra e lama, enquanto sensores ultra-sônicos tornam-se "confusos" devido a obstruções, tais como folhas e poeira. Os problemas inerentes às técnicas de medição tradicionais levaram  a trabalhar em um sensor do tipo microondas para esta tarefa. Microondas podem facilmente penetrar a poeira, fumaça e moderada quantidade de vegetação sem atenuação do sinal significativo e, portanto, devem ser menos suscetíveis aos problemas encontrados por outros tipos de dispositivos. Os sensores de microondas utilizados para a aplicação na colheitadeira
seriam de não-contato e, portanto, não sofrem de bloqueio devido a lama e terra. Alguns trabalhos já foram relatados, de dupla frequência, de onda contínua e sistema sensor de radar [4] para esta aplicação. No entanto, os resultados apresentados neste estudo foram todos baseados em laboratório e não são conclusivos. Este artigo apresenta os resultados preliminares de um novo estudo para concepção de um sensor microondas capaz de detectar, ao nível do solo sobre as plantas de cana de açúcar.

III. Sensor de configuração de teste

Figura 1
A configuração do sensor foi investigado como mostrado na figura. 1. Na colhedora foi necessária aplicação das antenas que são anexadas ao lado estacionário "divisores de linha" da colhedora.
Quando a altura do corte é ajustada com os movimentos de base de corte e os divisores de linha. A proposta da técnica de medição foi baseada na suposição de que, como a altura do nível do solo para as antenas varia, a amplitude do sinal recebido deve variar previsivelmente proporcional ao meio local na altura do solo.

IV. Simulação de resultados teóricos
Para entender melhor o funcionamento do sensor do nível do solo proposto, decidiu-se desenvolver um modelo teórico de propagação para o sistema de medição. O propósito deste modelo não foi determinar os valores de atenuação real que devem ser medidos em um sensor de campo, mas sim determinar se a atenuação deverá variar em função da presença de terra e que parâmetros são propensos ao efeito desta resposta. Inicialmente, um modelo muito simples, foi empregado baseado no pressuposto de que a cana não tem efeito sobre o sinal de propagação e que o monte de terra na base na cana pode ser considerado como um "condutor de faca". Os níveis de sinais acima e abaixo do topo do monte do solo foram calculados usando a teoria da difração de faca[4] com base em (1).

1

Onde

1é o comprimento de onda no espaço livre e h é a distância entre o topo do obstáculo da faca e o caminho direto entre o transmissor e o receptor.
Este parâmetro é negativo se o raio direto passa sobre o obstáculo. dr é a distância entre o
transmissor e o obstáculo e dt é a distância entre o obstáculo e o receptor.
Usando o modelo simples descrito por (1), a variação do nível previsto de sinal ao longo da altura no intervalo de cinco centímetros abaixo do monte de terra de cana e a 10 centímetros acima foi calculado. Para as duas antenas foi considerado 50 centímetros de cada lado da linha de cana. A fim de permitir comparações teóricas de medições foram empregados durante a simulação, as frequências centrais de três bandas investigadas em ensaios de laboratório. Os resultados obtidos são mostrados na fig. 2. Estes resultados indicam que o sinal recebido deve variar com relação à altura necessária para esta aplicação.
Além disso, os resultados da simulação sugerem que o sinal de baixa freqüência deve fornecer a gama mais ampla em medida possível. Ou seja, o gráfico para a faixa de freqüência de banda S mostra uma mudança na atenuação de até 7 cm acima do solo, enquanto os outros gráficos achataram-se em altura proporcionalmente menor. Para verificar estes resultados as medidas de laboratório descritas em seguida foram conduzidas.

2

Figura 2: Resultados de simulações assumindo que a terra funciona como um condutor de faca.


Embora fosse evidente que este modelo não produziria alta precisão, decidiu-se empregar
nesta simulação bruta a fim de obter uma apreciação dos processos dominantes envolvidos. O modelo mais complexo, tendo em conta o real tamanho e a orientação das antenas, o solo e até a cana pode ser desenvolvido, mas não foi considerado devido ao valor extra
de esforço requerido. Nesta situação, é duvidoso que os resultados obtidos com qualquer modelo teórico que seja adequadamente para simular o ambiente quase aleatório de um canavial real. Argumenta-se portanto, que o teste final de qualquer configuração do sensor devem ser realizadas no próprio meio de um canavial.


V. Resultados do Teste
Para testar a adequação do sistema de medição descrito na Seção III, uma linha contínua de
cana foi simulada em laboratório. A linha simulada de cana composta por 60 centímetros de uma real linha de cana de açúcar, que tinha sido removida de um lote típico. As antenas foram montadas 50 centímetros em ambos os lados da linha de cana para o teste. A distância foi checada para garantir que a cana estava bem dentro da largura de feixe das antenas. O ganho em volta da cana foi a 10dB para a antena de baixa frequência e 22dB para as outras duas antenas. A linha de teste de cana foi posicionada com um carrinho de plástico que poderia ser aumentado ou reduzido em torno das antenas fixas. Esta montagem permitiu a resposta do sensor a ser medido pela altura do solo e freqüências diferentes.
A atenuação do sinal foi gravado durante três variedades de cana-de-açúcar e de três diferentes bandas de freqüência. Os gráficos abaixo mostram uma visão tridimensional da amplitude do sinal recebido versus a freqüência da antena na altura acima do solo, para algumas medições típicas. As parcelas foram mostrados para toda "cana verde" exemplos como este são  a forma  mais comum de cana colhida na atualidade (mais de 95% da cana é colhida agora "verde"). Comparando estes resultados com as curvas teóricas descritas no inciso III, é óbvio que tanto a teoria e as medições mostram tendências similares. Ou seja, acima da linha superior do obstáculo, a atenuação é pequena, enquanto que abaixo dessa linha, o sinal fica mais distante quando a altura diminui. Esta observação sugere que a difração pelo solo é um mecanismo pelo qual o sinal dominante transmitido é atenuado. Além disso, conforme exigido para essa aplicação, estes gráficos indicam que existe uma forte correlação entre a amplitude do sinal recebido e da antena na altura acima do solo. Os níveis de sinais foram encontrados para variar até 35dB em uma faixa de 20 centímetros
acima do nível do solo.
Como previsto pela simulação, exibe menor sinal de frequência utilizável com alterações no nível de sinal sobre a maior gama acima do solo. No entanto, o resultado medido não previsto pela modelo teórico é que a faixa de freqüência média, Fig. 4 e 7, tem uma pequena faixa de medição e mostram apenas pequenas mudanças na amplitude. A explicação sugerida para essa aparente anomalia foi que a antena de banda C tem um ganho muito maior do que a antena de banda S (22dB comparado com 10dB), embora as freqüências são relativamente próximas (frequência central de 3GHz comparado com
4.5GHz). Praticamente esta observação indica que o padrão de radiação mais direcional da
antena de alto ganho interage com o solo, em menor grau. O modelo de propagação bruto utilizado para a simulação não leva em conta o ganho da antena e, portanto, não leva em conta essa tendência.

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3-8

Os resultados das medições reais mostram maior variabilidade do que previsto teoricamente. Esta observação é compreensível quando é lembrado que o modelo teórico não leva em conta o efeito dos colmos de cana. Também irá notar que a medida real na atenuação no nível do solo é maior que o previsto. Este resultado é provavelmente devido ao real montículo de terra da cana ser  "arredondado" em vez de um "fio da navalha", como se presume. Os obstáculo arredondados geralmente produzem menor difração e, portanto, causam menor perda de sinal nos níveis de altura do solo. Esta ideia é corroborada pelos resultados, que mostram uma relação mais estreita entre a medida e a predita atenuação na freqüência mais baixa (2,6 3.95GHz) , a banda onde o comprimento de onda é maior e o monte do solo será mais precisamente representado como um "fio da navalha". Mais importante ainda, estes resultados indicam que um tipo de sensor de transmissão
com base no intervalo de 2,6 3.95GHz iria fornecer o melhor desempenho neste caso. Este
faixa de freqüência parece ter a melhor sensibilidade para a altura do solo e foi também a mais "suave" das três parcelas, indicando uma baixa sensibilidade para a cana em sí.


VI Conclusões
Os resultados preliminares de um estudo para desenvolver um sensor de microondas capaz de detectar o nível do solo na  presença de cana-de-açúcar foram fornecidos. Verificou-se que uma banda S na configuração do sensor de transmissão é melhor, desde que o modelo apresenta maior sensibilidade ao nível do solo.
Embora seja o menos suscetível a interferências produzidas devido aos talos de cana. Os testes usando uma linha simulada de cana para mostrar que a amplitude do sinal diminui com as antenas quando  se aproxima ao nível do solo. Um modelo teórico muito simples para esta aplicação com base na difração em faca também foi investigado. Embora os resultados teóricos e medidos são um pouco diferentes, as mesmas tendências gerais foram observadas. Os resultados teóricos da previsão não são quantitativamente muito precisos e de acordo com os resultados medidos não é surpreendente, dada a natureza bruta do modelo de propagação escolhido. Essas diferenças são de pouco interesse prático embora sejam as causas explicáveis e o modelo elaborado é pouco preciso, dada a complexidade de uma plantação de cana típica. Um trabalho mais elaborado é considerado essencial para se poder justificar o uso desse mecanismo de detecção para práticas comerciais. É altamente recomendável que o sensor seja testado em reais condições em um canavial, que são muito aleatórios e extremamente difíceis de reproduzir sob condições de laboratório. Em conclusão, os resultados deste trabalho mostram alguma promessa de que sensores montados na posição correta em uma colhedora de cana-de-açúcar poderão produzir dados suficientes para fornecer o controle eletrônico do cortador de base.

Reconhecimento
Os autores desejam agradecer à Corporação de Desenvolvimento e Pesquisa em Açúcar (SRDC) por seu apoio financeiro a este projeto. Os autores também agradecem a suas famílias e faculdades.

Faculdade de Engenharia da Universidade James Cook.

Referências Bibliográficas:
[1]  Romans, W, Poore, B. and Mutziger, J. “Advanced Instrumentation for Agricultural
Equipment” IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 2000, pp. 26-29.
[2]  Wright, M.E. and Simoneaux, J.J. “Automatic Height Control of a Sugarcane
Harvester Basecutter” Journal of Society of Automotive Engineers, 1998, pp. 7-14.
[3]  Searcy, S.W. and Coble, C.G. “Stalk Height Estimation with Ultrasonics” Journal of
American Society of Sugar Cane Technology, 1985.
[4]  Shin, B, Dodd, R.B. and Han, Y.J.: “Ground Surface Detection using Dual-Frequency
Continuous-Wave Radar” American Society of Agricultural Engineers (ASAE),
Paper No. 91-3540, Chicago, Illinois, Dec. 17-20, 1991.

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