Modelagem matemática de um robô pneumático do tipo Gantry para aplicações agrícolas em estufas

Abstract

A modelagem matemática de sistemas dinâmicos é importante no projeto de máquinas, permite prever problemas e oportunidades de otimização de parâmetros construtivos por meio de simulações computacionais que, aliada às práticas experimentais de laboratório, permite validar o comportamento de suas variáveis em protótipos de máquinas e equipamentos agrícolas nas condições similares às encontradas em campo. Na literatura científica recente existe uma lacuna de pesquisas em atuadores pneumáticos, mesmo diante do grande potencial de aplicações devido ao baixo custo, à flexibilidade de instalação, à boa relação potência/tamanho e ao fato de ser uma tecnologia limpa. O objetivo principal foi desenvolver a modelagem matemática para robô Gantry com acionamento pneumático, incluindo um estudo de metodologia de controle automático para um protótipo de estufa robotizada. Neste trabalho, foi realizado um levantamento do estado da arte de pesquisas em tecnologias aplicadas à agricultura de precisão, desenvolvimento do modelo matemático para descrever o comportamento de um protótipo incluindo a identificação de suas características não lineares, implementação e simulação computacional do modelo assim como, a construção e a realização dos testes do protótipo com acionamento pneumático em uma estufa robotizada utilizada para validação experimental dos atuadores construídos, de forma artesanal. Como resultados, obteve-se um modelo matemático não linear de 15ª ordem (total) para os três graus de liberdade do robô com estrutura cinemática do tipo Gantry. Os parâmetros da zona morta e do atrito foram obtidos experimentalmente e o modelo proposto foi validado em malha aberta para as duas primeiras juntas. Foram implementadas estratégias de controle proporcional integral derivativo com compensação da não linearidade da zona morta em simulação computacional com malha fechada e planejamento da trajetória, cujos resultados ilustram as características do controlador utilizado e a importância da compensação da zona morta. Os resultados das simulações computacionais e dos testes experimentais validaram o modelo matemático proposto. Este trabalho contribui para a pesquisa e o desenvolvimento de tecnologias voltadas ao meio rural proporcionando o aumento da produção agrícola e humanização do trabalho com o mínimo de impacto ambiental possível, tornando o acesso à agricultura de precisão competitiva para as propriedades da agricultura familiar.