Unidad 2 - Sistema de Posicionamiento Global

8/15/2019 Unidad 2 - Sistema de Posicionamiento Global

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Ing. Agr. ALEJANDRO O´[email protected]

SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFI


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SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL

2.1 Funcionamiento del Sistema (GPS). Triangulación, medición de distancias,control de tiempo, posición y corrección de errores.

2.2 Sistema diferencial de posicionamiento, DGPS.

2.3 Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global.

2.4 Utilización del GPS como banderillero satelital. SIG Móvil.


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AGRICULTURA DE PRECISIÓN: Integrando conocimientos para una agricultura moderna y sustentable(Libro Procisur)

CAPÍTULO 2. SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO ............................................. 23

2.1. SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) ....................................................... 25INTRODUCCIÓN...............................................................................................................25¿CÓMO FUNCIONA EL SISTEMA GPS? ............................................................................251. Triangulación de los satélites ......................................................................................262. Medición de distancia a los satélites ..........................................................................27

3. Control del tiempo ......................................................................................................284. Determinación de la posición de los satélites ............................................................295. Corrección de errores .................................................................................................29CORRECCIÓN DIFERENCIAL DGPS ...................................................................................31SISTEMA DE POSICIONAMIENTO ALTERNATIVO .............................................................33Incorporación del viñedo al sistema de agricultura precisión ........................................33APLICACIONES DEL GPS ..................................................................................................33Equipos que dependen de un DGPS ...............................................................................34SOFTWARE DE APOYO .....................................................................................................37

2.2. SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL Y SU APLICACIÓN EN AGRICULTURA.......…..38 INTRODUCCIÓN................................................................................................................38UTILIZACIÓN DEL GPS COMO BANDERILLERO SATELITAL ................................................39Utilidad de los banderilleros satelitales ..........................................................................40DESARROLLOS LOCALES....................................................................................................41

CONCLUSIONES ................................................................................................................41


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• El Sistema de Posicionamiento Global, conocido por sus siglas en inglés GPS(Global Positioning System), es un sistema de radionavegación satelitaloperado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos deAmérica. Este sistema está diseñado para que un observador puedadeterminar cuál es su posición en la Tierra

• Diseñado esencialmente con fines militares, el uso civil se ha difundidodebido a su utilidad en las más variadas disciplinas y el bajo costo, ya queel uso del sistema es gratuito.

Introducción. Definiciones.


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Funcionamiento

• Se basa en la constelación de satélites NAVSTAR (Navegación porSatélite en Tiempo y Distancia).

• Entre 1978 y 1985 se desarrollaron y lanzaron once satélites prototipoexperimentales NAVSTAR, a los que siguieron otras generaciones desatélites, hasta completar la constelación actual, a la que se declarócon «capacidad operacional inicial» en diciembre de 1993 y con«capacidad operacional total» en abril de 1995.

• Son 24 satélites ubicados en seis planos orbitales, que tienen unainclinación de 55º con respecto al Ecuador. Los satélites se encuentrana una distancia aproximada de 20.000 km de la Tierra y describen unaórbita elíptica, casi circular, de doce horas de duración.

• Esta configuración garantiza que en cualquier lugar de la Tierra habrá almenos cuatro satélites sobre el horizonte en todo momento, númeromínimo requerido para obtener una posición mediante un receptor

GPS.


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Se compone de tres segmentos:

• Segmento Espacial: está compuesto por la constelación NAVSTAR , satélites con relojes atómicos que permitengarantizar una alta precisión en la generación y emisión de la información que es transmitida vía ondas de radio y que

permite a los receptores GPS determinar su posición.

• Segmento de Control: bases dedicadas al seguimiento continuo de todos los satélite, con la finalidad de asegurar elcorrecto funcionamiento y determinar su posición en el espacio. De esta manera es posible calcular los parámetrosnecesarios para predecir dónde se encontrará el satélite en un momento dado. Esta información es transmitida a lossatélites por el segmento de control y se conoce como efeméride.Las estaciones de control de la constelación son: Colorado Springs (USA). Central de cálculo y operaciones. - Ascensión(Atlántico Sur). - Hawai (Pacífico Oriental). Kwajalein (Pacífico Occidental). Diego García (Índico).

• Segmento de Usuarios: lo componen el instrumental y software utilizados por elusuario para determinar su posición. Componentes básicos del receptor GPS : antena,una sección de radiofrecuencia, microprocesador, unidad de control y monitoreo (CDU),unidad de almacenamiento de información y fuente de energía.

Usualmente todos los componentes están incorporados en una sola unidad. Sin

embargo, también podemos encontrar los componentes por separado, especialmente laantena.

Funcionamiento


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Para determinar una posición espacial, es necesario que los tres segmentos se relacionenmediante los siguientes pasos:

1. Triangulación de los satélites.

2. Medición de distancia a los satélites.

3. Control del tiempo.

4. Determinar la posición de los satélites.5. Corrección de errores.

Funcionamiento


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Para determinar una posición sobre la superficie de la Tierra, se calcula la distancia desde el punto geográfico.

Si conocemos nuestra distancia a un satélite, podemos estimar dicha distancia como el radio de una esfera concentro en el satélite, por lo que nosotros estaríamos ubicados en algún punto de la superficie de esta esfera.

Al determinar el receptor GPS la distancia a un segundo satélite se puede generar otra esfera, conlo que la búsqueda de nuestra posición se reduce a la intersección de las dos esferas

Funcionamiento

Nuestra posición es un punto en la superficie de la esferagenerada con radio igual a la distancia del satélite alreceptor GPS.

Conocida la distancia a un segundo satélite reducimoslas posibles posiciones. La intersección de dos esferases un círculo.

1. Triangulación de los satélites.


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Al conocer la distancia a un tercer satélite la intersección de las tres esferas se reduce a dos puntos . Una de estasposiciones puede ser descartada como una respuesta no válida, por dar una posición muy lejana de la superficie dela Tierra o porque se mueve a una alta velocidad.

Es necesaria la información de un cuarto satélite para resolver adecuadamente las ecuaciones que determinan lascoordenadas X, Y, Z y el tiempo, para obtener una precisión aceptable

Funcionamiento 1. Triangulación de los satélites.

Con tres satélites ya podemos determinar una posición endos dimensiones. La intersección de dos esferas es un círculo

Con cuatro satélites podemos obtener una posiciónconfiable.La medición de la distancia a un cuarto satélite reduce lasposibilidades a un solo punto.


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Funcionamiento 1. Triangulación de los satélites.

En Resumen: Triangulación

Nuestra posición se calcula en base a la medición de las distancias a los satélites.

Matemáticamente se necesitan cuatro mediciones de distancia a los satélites para determinar la posición exacta.

En la práctica se resuelve nuestra posición con solo tres mediciones si podemos descartar respuestas ridículas o

utilizamos ciertos trucos.

Se requiere de todos modos una cuarta medición.


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Funcionamiento 2. Medición de distancia a los satélites.

Para resolver el problema de la triangulación, el receptor GPS primero debe determinar la distancia a los satélites, paralo cual se vale de las señales de radio emitidas por cada uno de ellos, midiendo cuánto tardan en llegar desde elsatélite al receptor.

En el caso del GPS estamos midiendo una señal de radio que viaja a la velocidad de la luz, aproximadamente 300.000km/seg.

Para determinar cuanto tiempo tarda la señal en llegar, tanto el satélite como el receptor generan una señal con uncódigo pseudo aleatorio en forma simultánea. El receptor GPS examina el código que está recibiendo desde el satélitey determina cuanto tiempo ha transcurrido desde que generó el mismo código.

Comparación de los códigos pseudo aleatorios del receptor y el satélite, para determinar la distancia que los separa.El código pseudo aleatorio• Corresponde a una sucesión de pulsos “ on” y “off”. • La complejidad del código permite asegurar que el receptor GPS no se sintonice accidentalmente con otra señal y

dificulta la interferencia intencional por parte de terceros.• Cada satélite tiene su propio y único código , permitiendo garantizar que el receptor no se confunda

accidentalmente de satélite.• Este código le da la posibilidad al Departamento de Defensa de Estados Unidos de controlar el acceso al sistema• GPS en caso necesario.


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En Resumen: Midiendo la distancia

• La distancia al satélite se determina midiendo el tiempo que tarda una señal de radio, emitida por el mismo, en

alcanzar nuestro receptor de GPS.• Para efectuar dicha medición asumimos que ambos, nuestro receptor GPS y el satélite, están generando el mismo

código Pseudo Aleatorio en exactamente el mismo momento.• Comparando cuanto retardo existe entre la llegada del Código Pseudo Aleatorio proveniente del satélite y la

generación del código de nuestro receptor de GPS, podemos determinar cuanto tiempo le llevó a dicha señal llegar

hasta nosotros.• Multiplicamos dicho tiempo de viaje por la velocidad de la luz y obtenemos la distancia al satélite.

Funcionamiento 2. Medición de distancia a los satélites.


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Funcionamiento 3. Control del Tiempo

La distancia se determina calculando el tiempo que tarda la señal de radio en llegar al receptor, un desvío de unamilésima de segundo, a la velocidad de la luz, significa un error de aproximadamente 300 km.

Para asegurar una adecuada medición del tiempo, se cuenta con relojes atómicos a bordo de cada satélite, los que

cuentan con una precisión de un nanosegundo.

Con relojes perfectos la intersección de las distancias a todos los satélites sería un punto único que indicaría nuestraposición. Pero con relojes imperfectos, una cuarta medición, realizada como control cruzado, no intersectará en elpunto calculado con los tres satélites iniciales. Cuando esto ocurre la computadora del GPS atribuirá la diferencia a unadesincronización con la hora universal utilizada por el sistema, por lo que el reloj interno será automáticamenteadelantado o atrasado hasta que permita que las mediciones de las distancias coincidan en un solo punto


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En Resumen: Obtener un Timing Perfecto

• Un timing muy preciso es clave para medir la distancia a los satélites• Los satélites son exactos porque llevan un reloj atómico a bordo.• Los relojes de los receptores GPS no necesitan ser tan exactos porque la medición de un rango a un satélite

adicional (4° satélite) permite corregir los errores de medición.

Funcionamiento 3. Control del Tiempo


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Funcionamiento 4. Determinación de la posición de los satélites

Para utilizar los satélites como puntos de referencia necesitamos saber, exactamente, dónde están en el momento enque se realiza la medición.

Cada satélite de la constelación NAVSTAR está a una distancia aproximada de 20.000 km de la Tierra, en una órbitasumamente estable por lo que también predecible mediante ecuaciones matemáticas.

Los receptores GPS tienen en su memoria un almanaque que les permite saber dónde está cada satélite en unmomento determinado.

Este almanaque es actualizado con las efemérides que corresponden a los datos que el Segmento de Control transmitea cada satélite, con información sobre las correcciones en los cálculos de las órbitas.

Continuos monitoreos realizados por este Segmento, mediante radares muy precisos , permiten determinar la exactaaltura, posición y velocidad de cada satélite.


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En Resumen: Posicionamiento de los Satélites

• Para utilizar los satélites como puntos de referencia debemos conocer exactamente donde están en cada

momento.• Los satélites de GPS se ubican a tal altura que sus órbitas son muy predecibles.• El Departamento de Defensa controla y mide variaciones menores en sus órbitas.• La información sobre errores es enviada a los satélites para que estos a su vez retransmitan su posición corregida

junto con sus señales de timing.

Funcionamiento 4. Determinación de la posición de los satélites


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Funcionamiento 5. Corrección de errores.

Se ha calculado la distancia a los satélites utilizando la velocidad de la luz para el desplazamiento de las señales deradio, esto ocurre sólo en condiciones de vacío, por lo que en la realidad la velocidad de viaje de las señales emitidaspor los satélites se ve disminuida al pasar por la ionosfera y la troposfera.

Para minimizar este tipo de error algunos receptores realizan ciertas correcciones en base a modelos que permitenpredecir el error tipo en un día promedio, pero en la práctica es difícil que las condiciones atmosféricas se ajusten a un

promedio previsto.Otro método consiste en comparar la velocidad relativa de dos señales diferentes, para lo que se debe recurrir areceptores de doble frecuencia

Errores en los relojes atómicos y en las órbitas de los satélites son factibles y afectan las mediciones realizadas, pero engeneral son menores y permanentemente monitoreadas y corregidas por el Segmento de Control.


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Otro problema, corresponde a que hemos supuesto que la señal que recibe el receptor ha viajado directamente desdeel satélite, sin embargo, esta señal puede llegar luego de rebotar en superficies como laderas de montañas, edificios ybosques, siguiendo rutas más largas que las esperadas. Este tipo de error se minimiza mediante el uso de antenasespecialmente diseñadas y utilizando avanzados procesamientos de las señales.

Dilución Geométrica de la Precisión - GDOP:La geometría de la distribución de los satélites en el momento de la medición es otro factor que afectala precisión delas mediciones. Idealmente la intersección de las distancias a los satélites será un punto, pero debido a que el sistematiene cierto rango de imprecisión, en realidad la intersección es un área.

Los buenos receptores soncapaces de determinar quésatélites de los visibles en unmomento son los óptimospara disminuir el error.


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Funcionamiento

Disponibilidad Selectiva:

La limitación de su exactitud se llevó a cabo incorporando errores aleatorios a la señal, es decir, que los receptoresciviles (no los militares) estarían sujetos a una degradación de la precisión.

Esta degradación de la señal se realizó de dos formas:• Haciendo oscilar el reloj del satélite.• Truncando los datos enviados por las efemérides (senda y órbita de un satélite)

5. Corrección de errores.


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Medición de una posición durante 12 horas, datos cada 30 segundos.


Disponibilidad Selectiva:


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En Resumen: Corrección de Errores

• La ionosfera y la troposfera causan demoras en la señal de GPS que se traducen en errores de posicionamiento.• Algunos errores se pueden corregir mediante modelación y correcciones matemáticas.• La configuración de los satélites en el cielo puede magnificar otros errores• El GPS Diferencial puede eliminar casi todos los errores


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Sistema diferencial de posicionamiento, DGPS.

Debido a la limitación que implicaba la presencia de la Disponibilidad Selectiva, se diseñó una metodología quepermitiera eliminar esta fuente de error y a la vez ayudar a corregir los errores atmosféricos.

Se utiliza un GPS de alta precisión en un punto de ubicación conocida - GPS Base - el cual nos entrega esa posición.Si esto sucede, podemos determinar la magnitud del error ocurrido comparando el resultado obtenido con elresultado esperado.

Esta diferencia, expresada para cada eje de coordenadas, puede ser utilizada por otro GPS ubicado en una posiciónno conocida - GPS móvil - para corregir los resultados que está obteniendo.

La información del GPS móvil puede ser almacenada para, posteriormente, realizar la corrección diferencial alcomparar los datos con los de un archivo de la estación base. Esta metodología es conocida como CorrecciónDiferencial Post Proceso.

Cuando se requiere una información inmediata de alta precisión se puede utilizar el método de CorrecciónDiferencial en Tiempo Real . En este caso, la información generada por la Base es transmitida al GPS móvil para queen la posición que determine ya incorpore la corrección. Sistemas de transmisión VHF, para distancias medias seutilizan transmisores de baja sistema WAS. Ppara cubrir extensas áreas, se recurre al uso de satélitesgeoestacionarios , OmniSTAR.


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Corrección Beacon:


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Corrección Post - Proceso:

Corrección Tiempo Real RTK (Real Time Kinematic):


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Sistemas OmnistarCorrección Tiempo Real


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Sistemas Omnistar:


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Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global.

Equipos que dependen de un DGPS:

•

Monitores de Parámetros Productivos.1. Monitor de Rendimiento

2. Monitor de Calidad de Grano

3. Monitor de Calidad de Frutos

4. Monitor de Estado Nutricional – N-Sensor• Equipos de Aplicación Variable

1. Monitor y controlador de siembra y fertilización

2. Aplicación variable de agroquímicos

• Banderillero Satelital

• Piloto Automático


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Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. - Monitor de Rendimiento.

l d l d l b l


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Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. - Monitor de Rendimiento.

A li i d l Si d P i i i Gl b l d í


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Sensor de proteína en tiempo real ZeltexExperimental, desarrollo mixto : Zeltex Argentina, Cereal Tools, INTA

Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. - Sensor de Proteína.

A li i d l Si d P i i i Gl b l S d E d N i i l


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Muestreo deEnsayos

Fuente: Ing. Agr. Ricardo Melchiori – INTA Paraná

Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. - Sensor de Estado Nutricional

A li i d l Si t d P i i i t Gl b l E i d A li ió V i bl VRT


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Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. - Equipos de Aplicación Variable - VRT

A li i d l Si t d P i i i t Gl b l A li ió V i bl d A í i


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bajo

medio

Lenguajeconsensuad

o

ProcesoSimplificado

Exportación dePrescripciones

para VRT

Importaciónde Mapas deRendimiento

El dibujo permitegestionar

espacialmente toda lainformación

Tecnología de Aplicación

Tecnología de Gestión de Información Mapa de Prescripción

Mapa de Aplicación

Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. - Aplicación Variable de Agroquímicos

A li i d l Si t d P i i i t Gl b l


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Swath Control Pro™ for planters


Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global


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Seguimiento de Posición de Flota de Maquinaria.Historia de Posición de la Maquinaria.Alarmas de Uso no autorizado de Vehículos . (Cercas Virtuales / Robo)Tablero de Comando o Control: visualización del panel de instrumentosInformes de Productividad de la Flota de EquiposIntercambio de Datos entre Vehículos y entre vehículos y la oficinaMapeo y MonitoreoAsistencia Remota http://www.connectedfarm.com/features.html#6

Telemetría – Transmisión de Datos en Tiempo Real


Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global

http://www.connectedfarm.com/features.htmlhttp://www.connectedfarm.com/features.html


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Equipos de Riego Variable


Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global M d S l


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Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. - Muestreo de Suelos

Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global Alti t i


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Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. - Altimetria

Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global d l l d


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Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. - Curvas de Nivel - Nivelado

Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global - Piloto Automático


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Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. - Piloto Automático.

Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global - Piloto Automático


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Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. - Piloto Automático.

Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global Banderillero Satelital


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Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. Banderillero Satelital

Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global Banderillero Satelital


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Aplicaciones de los Sistemas de Posicionamiento Global. Banderillero Satelital



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http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5

Como funciona un tractor autónomo:


http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5http://harvestpublicmedia.org/article/840/robot-tractors-take-farmers-out-driver%E2%80%99s-seat/5


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MUCHAS GRACIASIng. Agr. Alejandro O’Donnell [email protected]

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