Ανάπτυξη και αυτόνομη πλοήγηση ρομποτικής πλατφόρμας αγρού σε καλλιέργεια σειρών.

Abstract

Η διείσδυση των επιστημών της μηχατρονικής και της πληροφορικής στην γεωργική παραγωγή και γενικότερα η ενσωμάτωση ολοένα και περισσοτέρων τεχνολογιών αιχμής αποσκοπεί στην καλύτερη διαχείριση του αγροκτήματος, στην μείωση του κόστους παραγωγής, την προστασία του φυσικού περιβάλλοντος και στην αυτοματοποίηση των γεωργικών διεργασιών. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια αυξανόμενη τάση στην μελέτη και την κατασκευή ευέλικτων, ελαφριών και μικρών σε διαστάσεις αυτόνομων ρομποτικών οχημάτων. Η «ευφυΐα» που προσδίδεται σε αυτές τις ηλεκτρομηχανολογικές διατάξεις ώστε να χαρακτηριστούν ως ρομπότ έγκειται στην χρήση κατάλληλων αισθητήριων συνδυασμένων με ανάλογους αλγόριθμους επεξεργασίας και στην αξιοποίηση της παρεχόμενης πληροφορίας. Η παρούσα εργασία παρουσιάζει και περιγράφει την εξ αρχής ανάπτυξη και κατασκευή ενός τετράτροχου ρομποτικού οχήματος χαμηλού κόστους και εν συνεχεία πραγματεύεται τον έλεγχο κίνησης του κατά την αυτόνομη οδήγηση του σε καλλιέργεια σειρών (row crop). Το όχημα διαθέτει σύστημα παθητικής ανάρτησης αρθρωτού τύπου (passive articulated suspension) ώστε το σασί του να προσαρμόζεται στη μορφολογία του εδάφους και οι τέσσερις κινητήριοι τροχοί του να μην χάνουν την πρόσφυση τους κατά την υπέρβαση εμποδίων. Για λόγους απλότητας επιλέχθηκε η λύση της διαφορικής οδήγησης (differential drive) συνεπώς σε κάθε αλλαγή κατεύθυνσης το όχημα πλαγιολισθάινει. Η ρύθμιση της ταχύτητας περιστροφής των τροχών υλοποιείται μέσω κλειστού βρόγχου με PID αντιστάθμιση. Η τηλεκατεύθυνση του οχήματος και η λήψη δεδομένων τηλεμετρίας επιτυγχάνεται μέσω Bluetooth πρωτοκόλλου. Η πλατφόρμα είναι εξοπλισμένη με πληθώρα αισθητηρίων εσωτερικής κατάστασης και αντιλαμβάνεται το εξωτερικό περιβάλλον της χρησιμοποιώντας μόνο μια web κάμερα η οποία είναι εγκατεστημένη σε έναν μηχανισμό περιστροφής και κλίσης. Η αυτόνομη πλοήγηση της ρομποτικής πλατφόρμας κατά την διάσχιση διαδρομής εκατέρωθεν της οποίας υπάρχουν συστοιχίες φυτών επιτυγχάνεται με έναν ελεγκτή κίνησης ασαφούς λογικής κάνοντας χρήση αποκλειστικά οπτικής πληροφορίας (visual servoing).

The penetration of the mechatronics science and informatics on the agricultural production and generally the embedding of more cutting edge technologies aims to the better management of the farm, to the reduction of the production cost, to the protection of the natural environment and to automation of the agricultural procedures. During recent years an increasing tendency is observed to the search and construction of flexible, light and small in dimensions autonomous robotics vehicles. The intelligence that is given to these electromechanical devices in order to be characterized as robots has to do with the usage of appropriate sensors which are combined to relative processing algorithms and to the utilization of the information that is resulted. This present project presents and describes the development and construction of the very beginning of a low cost four wheel robotic vehicle and continuously deals with its motion control during its autonomous navigation trough the row crop. The vehicle has a passive articulated suspension system so its chassis to be adjusted to the soil's morphology and its four drive wheel to remain in contact all the time with it during its effort to climb over obstacles. For reasons of simplicity the solution of the differential drive has been chosen. Skid-steering is achieved by imposing different wheel velocities on opposite sides of the rover. The adjusting of the velocity of the wheels' rotation is implemented via a closed loop system with PID compensation. The teleoperation of the vehicle and the receiving of the telemetry's data is succeed by Bluetooth protocol. The platform is equipped by various internal state sensors and perceives its external environment by using only one web camera which is installed on pan/tilt mechanism. The autonomous navigation of the robotic platform during crossing the route which is a row crop is succeed through a fuzzy logic motion controller which uses exclusively visual information.