Arquitectura de los Robots Agrícolas*

I. Introducción

Por arquitectura se entiende la organización de un sistema, definida por la estructuración de sus componentes y sus interacciones. Para un robot agrícola, un enfoque intuitivo consiste en asimilarlo a un ser humano, en particular al agricultor que realiza sus tareas manualmente con herramientas. Esta analogía ayuda a comprender las funciones que el robot debe reproducir de manera automatizada.

En este artículo, nos interesamos específicamente en la arquitectura de un robot agrícola. En primer lugar, destacaremos los diferentes bloques funcionales que componen dicho robot, acercándolos a los órganos y funciones de un agricultor. En segundo lugar, propondremos una arquitectura de software que pueda servir de base para el diseño de robots agrícolas.

II. Analogía con el ser humano

Una de las principales misiones de un robot agrícola es reproducir, e incluso mejorar, la tarea agrícola que un agricultor realizaría manualmente. Utilizar al ser humano como base de reflexión para el diseño de la arquitectura de un robot agrícola parece, por tanto, tanto lógico como pertinente.

Un agricultor, en el ejercicio de su tarea agrícola, por ejemplo, el deshierbe con una machete, puede ser percibido como un sistema constituido por varios bloques funcionales que interactúan entre sí para realizar la tarea con precisión. Estos bloques pueden describirse de la siguiente manera:

El cuerpo humano: constituye la base mecánica sobre la cual descansan los demás elementos del sistema, así como la herramienta agrícola utilizada (la machete aquí). Lo llamaremos el vector.
Los músculos: aseguran el movimiento de las diferentes partes del cuerpo, como los pies, las manos o los brazos. En un robot, este papel lo desempeñan los motores, cilindros y otros dispositivos de accionamiento. Hablaremos de actuadores.
Los órganos sensoriales: los ojos, el oído o incluso el tacto permiten al agricultor percibir su entorno. De manera análoga, los sensores de un robot proporcionan la información necesaria para comprender su entorno de trabajo. Se trata de los sensores.
El cerebro: Se trata de la unidad de control. Desempeña un papel central de coordinación. Antes de la operación, planifica la tarea a realizar; durante la ejecución, recopila la información de los sensores, define los movimientos apropiados, analiza el trabajo realizado y ajusta las acciones si es necesario. Este bloque generalmente se descompone en varios submódulos, formando lo que se llama la arquitectura de software.

En resumen, un robot agrícola puede ser modelado como un sistema compuesto por cuatro bloques principales:

un vector mecánico, que sirve de soporte a los demás componentes y a la herramienta agrícola;
un bloque de actuadores, que asegura el movimiento;
un bloque de sensores, que permite la percepción del entorno y del robot;
una unidad de control, que orquesta todo el proceso.

A continuación, nos centraremos más particularmente en la arquitectura de software, que detalla la organización interna de la unidad de control.

III. Arquitectura de software de un robot agrícola

La arquitectura de software permite representar la organización interna de la unidad de control de un robot agrícola. La Figura 1 a continuación ilustra la arquitectura de software propuesta, que se compone de los siguientes bloques:

Bloque de percepción: agrupa los algoritmos encargados de procesar los datos provenientes de los sensores para construir una representación del entorno en el que se mueve el robot, al tiempo que estima su posición en ese entorno. En la entrada, este bloque recibe la información proporcionada por diferentes sensores (imágenes, posición GPS, datos LIDAR, etc.). En la salida, proporciona una modelización del entorno (por ejemplo, la localización de las plantas de interés y de las malezas) así como la posición y orientación del robot.
Bloque de planificación: recibe la información del bloque de percepción (por ejemplo, la posición actual del robot) y la compara con el objetivo definido en la misión global (como seguir una trayectoria predefinida). En la salida, este bloque genera una consigna de acción expresada en forma de una desviación residual entre la situación actual del robot y el objetivo a alcanzar (desviación lateral y angular respecto a la trayectoria).
Bloque de control: traduce la consigna de acción en comandos elementales comprensibles por los actuadores (por ejemplo, velocidades de motores). Estos últimos ejecutan entonces las acciones necesarias para corregir la trayectoria y realizar la tarea.
Bloque de supervisión: orquesta la ejecución de los diferentes algoritmos de los otros bloques y controla el desarrollo global de la misión. Analiza métricas clave, como el error lateral de seguimiento o el respeto de los límites de la zona de trabajo (geofencing), y puede decidir interrumpir la misión en caso de problema. Este bloque también puede transmitir información a una interfaz de usuario (ordenador, tableta, etc.), permitiendo al operador seguir la evolución de la misión y, si es necesario, tomar decisiones correctivas.

Figura 1: Arquitectura de un robot agrícola

Arquitectura de un robot agrícola: el material retoma el de un tractor clásico, enriquecido con sensores y una unidad de control que permite la automatización. La parte de software gestiona la robotización orquestando los diferentes módulos y los intercambios de información. Finalmente, los terminales de supervisión permiten al usuario seguir, evaluar e intervenir en la misión.

El material retoma el de un tractor clásico, enriquecido con sensores y una unidad de control que permite la automatización. La parte de software gestiona la robotización orquestando los diferentes módulos y los intercambios de información. Finalmente, los terminales de supervisión permiten al usuario seguir, evaluar e intervenir en la misión.

IV. Conclusión

Para concluir, un robot agrícola es un tractor convencional al que se le añaden sensores para la percepción del entorno y la localización, así como una unidad de control que, gracias a sus diferentes bloques de software, permite calcular las órdenes a enviar a los actuadores para realizar las tareas agronómicas como lo haría un ser humano.

*: La información técnica presentada en este artículo se proporciona a título indicativo. No reemplaza los manuales oficiales de los fabricantes. Antes de cualquier instalación, manipulación o uso, consulte la documentación del producto y respete las instrucciones de seguridad. El sitio Torque.works no se hace responsable de un uso inadecuado o de una interpretación incorrecta de la información proporcionada.