Precision robotics in agriculture : pheromones dispenser distribution with arm manipulator and visual servo control

GRAPE project aims at developing a mobile robot equipped with a manipulator arm for the automatic distribution of pheromone dispensers in vineyards. In particular, the thesis shows the development of the control system that guides the arm during the manipulation tasks, and of the vision system that analyses images provided by a RGBD camera. To manage the most complex tasks, as grasping and deploying of the dispenser, two different approaches of visual servo control have been designed and implemented in order to compensate for the low accuracy and repeatability of the manipulator. During the grasping phase, an image-based visual servoing control scheme guides the arm in the desired position in a dispenser feeder placed on the mobile platform. The deployment point on the plant can be reached using a position control or with a partitioned visual servo control. Moreover, if the deploying on the branch of the plant cannot be performed, an alternative solution has been developed which allows to release the dispenser on hooks placed on the pole of the vineyard. Data provided by the vision system are also used to establish if grasping and deploying have been correctly performed. The control algorithms have been previously tested and validated in lab using a model of a real vine, then the manipulator has been mounted on the mobile robot in order to perform experiments in a vineyard.

Il progetto GRAPE tratta lo sviluppo di un robot mobile dotato di un braccio manipolatore per la distribuzione automatica di dispenser di feromoni nei vigneti. In particolare, questa tesi mostra lo sviluppo del sistema di controllo che guida il braccio durante le operazioni di manipolazione, e del sistema di visione che analizza le immagini fornite da una camera RGBD. Per le fasi più complesse, ovvero raccolta e rilascio dei dispenser, sono stati adattati ed implementati due diversi approcci di controllo visuale al fine di combattere la poca accuratezza e ripetibilità del manipolatore. Durante la fase di raccolta del dispenser, un classico schema di controllo visuale con estrazione di punti significativi direttamente dall’immagine, guida il braccio nella posizione desiderata all’interno di un distributore di dispenser posizionato sulla base mobile. Il punto di rilascio sulla pianta invece può essere raggiunto utilizzando un semplice controllo in posizione oppure attraverso un controllo visuale partizionato. Inoltre, nel caso in cui il deposito sul ramo della pianta non sia possibile, è stata sviluppata una soluzione alternativa che permette di rilasciare il dispenser su chiodi appositamente posizionati sui pali che sostengono le viti. Sono state sviluppate anche altre funzionalità che permettono di stabilire se le operazioni di raccolta e rilascio del dispenser siano state effettuate correttamente utilizzando i dati forniti dal sistema di visione. Gli algoritmi di controllo implementati sono stati prima testati e validati in laboratorio utilizzando il modello di una vite, successivamente il manipolatore è stato montato sulla piattaforma mobile per condurre degli esperimenti in vigneto.