Precision agriculture in fruit orchards: development and evaluation of a smart sprayer for variable rate pesticide application in 3D crops

Abstract

(English) European agriculture is currently experiencing an intense debate about the production model, linked to a growing social awareness regarding the use of agrochemicals in general, and plant protection products in particular. In this sense, there is a notable increasing focus on precision agriculture, which aims to optimize the use of these inputs by considering the intra-field variability among trees or plants. One example is the OPTIMA project (Optimised PesT Integrated MAnagement), funded by the EU under the H2020 program (http://optima-h2020.eu/en), within which this doctoral thesis has been developed. For the UMA-UPC research group, the goal was to design and integrate a novel system for applying plant protection products in a conventional hydropneumatic sprayer with constant flow for treatments in fruit trees. This system was designed to be able to adjust the amount of liquid sprayed based on the width and density of the tree canopies, thus avoiding excess or insufficient presence of pesticides on the target vegetation of the treatment. To achieve this, it uses a set of ultrasonic sensors to determine the size and leaf density of the canopy, sending this information to a computer that regulates a set of motorized valves to modify the flow rate in real time through the nozzles. With these premises, the present thesis encompasses, in the first part, the characterization of the sprayer, the design and implementation of the intelligent spraying system and the validation of the prototype conducted through field trials on apple applications. In these experiments, the coating and deposition of product on leaves were evaluated, both in terms of quantity and distribution uniformity, as well as the direct losses of plant protection product to the soil. The results of the sprayer characterization showed that the asymmetry of air velocities from the fan was accentuated as the airflow increased. Additionally, it was observed that the homogeneity of the coating on the tree canopies increased when working with larger droplet sizes along with higher airflow configurations in the fan. These results helped establish the configuration of the prototype during subsequent field trials (fan and nozzle parameters). Regarding the results of the second part, the prototype's ability to continuously modify the flow rate of the nozzles according to crop characteristics was successfully demonstrated, in terms of speed and precision level. The efficiency and robustness of the prototype and its components were successfully evaluated, including an in-depth analysis of the ultrasonic sensor configurations. All of this allowed for the selection of the appropriate configuration of both sensors and actuators as well as the parameters introduced into the algorithm for the final part of the thesis. The results obtained in this thesis demonstrate the success of the VRA system in achieving its fundamental objectives: reducing the volume of plant protection products applied and minimizing environmental impact. The intelligent spraying system allowed for a significant reduction of 45% in liquid use compared to conventional sprayers, maintaining optimal levels of leaf deposition. This optimization not only improves the efficiency of plant protection treatments but also reduces the direct losses of product to the soil, decreasing the risk of environmental contamination. Thus, the implementation of this technology contributes to more sustainable agriculture, aligning with the principles of the EU's Sustainable Use of Pesticides Directive and other regulatory frameworks that promote reducing dependence on chemical products in crop protection.

(Català) En els últis anys s'han realitzat importants esforços de recerca a Europa centrats en el desenvolupament de tecnologia innovadora per a l'aplicació de PPP. Un exemple va ser el projecte OPTIMA de la UE en el marc del H2020 (Optimised Pest Integrated Management), que estableix el marc del treball de la present tesis doctoral. Més específicament, la part que defineix aquesta tesis, va ser l'adaptació d'un polvoritzador comercial perquè la seva aplicació de productes fitosanitaris s'ajustés a les característiques físiques del cultiu, fins i tot en les diferències presentades en una mateixa parcel·la. Aquest equip va ser dissenyat per tenir la capacitat d'ajustar la quantitat de líquid polvoritzat en funció de l'amplada i densitat de les copes de les pomeres objectiu, evitant així la sobre-dosificació de productes fitosanitaris en la vegetació objectiu. Per fer-ho, el sistema utilitza un conjunt de sensors d'ultrasons per a la detecció del cultiu i un conjunt de vàlvules motoritzades per regular el cabal que flueix a través dels broquets. Amb aquestes directrius, la present tesi engloba, en una primera part, la calibració d'un polvoritzador hidropneumàtic caracteritzant detalladament el seu comportament amb diferents configuracions de broquets i del ventilador. Després es detalla el disseny i la implementació de l'automatització del mateix polvoritzador. Aquest procés, inclou la descripció tant de la caracterització del conjunt de sensors i actuadors seleccionats, el muntatge dels mateixos en l'atomitzador, com la descripció del principi de funcionament de l'algoritme que dirigeix el comportament del prototip. Finalment, l'última part de la tesi realitza una validació amb uns assajos de camp del polvoritzador modificat, comparant-lo amb altres dos polvoritzadors convencionals. En aquests assajos s'avalua el recobriment, deposició i pèrdues dels tres polvoritzadors. Els resultats de la primera part de la tesi van concloure que, en augmentar el volum d'aire del polvoritzador, es marcava més l'asimetria del mateix. D'altra banda, es va veure que, utilitzant broquets de gota gran juntament amb les configuracions del ventilador de major cabal d'aire, la homogeneïtat del recobriment a la copa dels arbres augmenta. Aquests resultats van ajudar a definir la configuració establerta del prototip durant els assajos de validació, tant de l'equip d'aire com del tamany dels broquets utilitzats durant l'aplicació. Pel que fa als resultats de la segona part, es va poder comprovar la capacitat del prototip d'adaptar el cabal a les característiques del cultiu amb suficient rapidesa i bona precisió. Es va avaluar, amb èxit, l'eficiència i robustesa del prototip i els seus components. Cal destacar que es va fer una anàlisi en profunditat de les configuracions dels sensors d'ultrasons, donant unes diferències significatives a l'hora de caracteritzar la vegetació. Tot això va permetre seleccionar la configuració adequada tant dels sensors i actuadors com dels paràmetres introduïts a l'algoritme per poder realitzar l'última part de la tesi, la validació en camp. Els resultats obtinguts en aquesta tesi demostren l'èxit del sistema VRA en aconseguir els seus objectius fonamentals: reduir el volum de productes fitosanitaris i minimitzar l'impacte mediambiental. El sistema intel·ligent de polvorització va permetre una reducció significativa del 45% en l'ús de líquid en comparació amb els atomitzadors convencionals, mantenint nivells òptims de deposició foliar. Aquesta optimització no només millora l'eficiència dels tractaments fitosanitaris, sinó que també redueix les pèrdues directes de producte al sòl, disminuint el risc de contaminació ambiental. Així, la implementació d'aquesta tecnologia contribueix a una agricultura més sostenible, alineant-se amb els principis de la Directiva d'Ús Sostenible de Plaguicides de la Unió Europea i altres marcs normatius que promouen la reducció de la dependència de productes químics en la protecció de cultius.

(Español) En los últimos años se han realizado importantes esfuerzos de investigación en Europa, centrados en la puesta en marcha de nuevas tecnologías y métodos de aplicación de fitosanitarios más sostenibles. Un ejemplo fue el proyecto OPTIMA (Optimised PesT Integrated MAnagement) financiado por la UE en el marco del programa H2020 (http://optima-h2020.eu/es ), marco en el que se ha desarrollado esta tesis doctoral. En el caso del grupo de investigación UMA-UPC, la meta fue diseñar e integrar un sistema novedoso de aplicación de productos fitosanitarios en un atomizador hidroneumático convencional de caudal constante para tratamientos en frutales. Este sistema fue concebido para tener la capacidad de ajustar la cantidad de líquido pulverizado en función de la anchura y densidad de las copas de los árboles, evitando así el exceso o la insuficiencia de presencia de pesticidas sobre la vegetación objetivo del tratamiento. Con estas premisas, la presente tesis engloba, en una primera parte, la caracterización del atomizador, el diseño y la implementación del sistema inteligente de pulverización y una validación del prototipo mediante ensayos de campo en aplicaciones con manzanos, comparándolo con otros dos pulverizadores convencionales. En estos experimentos se evaluó el recubrimiento y la deposición de producto en hoja, tanto en términos de cantidad como de uniformidad de distribución, y las pérdidas directas de producto fitosanitario al suelo. Los resultados de caracterización del atomizador mostraron que la asimetría de velocidades de aire del ventilador se acentuaba al aumentar el caudal de aire de este. Adicionalmente, se observó que la homogeneidad del recubrimiento sobre la copa de los árboles aumentaba al trabajar con tamaños de gota grande junto con las configuraciones de mayor caudal de aire en el ventilador, Estos resultados sirvieron para fijar la configuración establecida del prototipo durante los posteriores ensayos de campo (parámetros del ventilador y boquillas). En cuanto a los resultados de la segunda parte, se comprobó la capacidad del prototipo de modificar en continuo el caudal de las boquillas de acuerdo con las características del cultivo, en términos de rapidez y nivel de precisión. Se evaluó exitosamente la eficiencia y robustez del prototipo y sus componentes, incluyendo un análisis en profundidad de las configuraciones de los sensores de ultrasonidos. Todo esto permitió seleccionar la configuración adecuada tanto de los sensores y actuadores como de los parámetros introducidos al algoritmo para poder realizar la última parte de la tesis. Los resultados obtenidos en esta tesis demuestran el éxito del sistema VRA en la consecución de sus objetivos fundamentales: la reducción del volumen de fitosanitarios aplicados y la minimización del impacto ambiental. El sistema inteligente de pulverización permitió una disminución significativa del 45% en el uso de líquido respecto a pulverizadores convencionales, manteniendo niveles óptimos de deposición foliar. Esta optimización no solo mejora la eficiencia de los tratamientos fitosanitarios, sino que también reduce las pérdidas directas de producto al suelo, disminuyendo el riesgo de contaminación ambiental. De este modo, la implementación de esta tecnología contribuye a una agricultura más sostenible, alineándose con los principios de la Directiva de Uso Sostenible de Plaguicidas de la Unión Europea y otros marcos regulatorios que promueven la reducción de la dependencia de productos químicos en la protección de cultivos.