Design, development, and deployment of a mobile manipulator for vineyard monitoring and protection

This thesis work is placed in the context of the GRAPE project, an agricultural robotics project launched by ECHORD++ that aims to the creation of an autonomous mobile manipulator for automatic deployment of synthetic pheromones dispensers in the vineyards. These devices are used in vineyards for pest management techniques, as mating disruption. The team that carried out the project development included people from both Politecnico and Eurecat, a Catalan research center. The first part of the work focused on the design of the overall software architecture, together with the identification of subtasks and the interfaces between the software modules that implement them. The thesis work proceeded with the development of odometry system, autonomous navigation, and part of the manipulation components for the target platform. The challenges induced by the unstructured nature of the vineyard environment led, after several refining steps, to the creation of a sensor fusion system that exploits IMU, GPS, and wheels velocities to estimate the robot pose in a mapless autonomous navigation system. On the other hand, the development of the manipulation part was complicated by the control flaws of the robotic arm we had at disposal, that we solved using techniques based on inversion of differential kinematics. The system underwent two one-week validation sessions on the field, carried out in vineyards in Casciana Terme (IT) and Garriguella (ES); during these sessions, we were able to both make the system more robust with respect to unexpected issues, and measure the performance of the system in its actual environment.

Questo lavoro di tesi è da collocare nel contesto del progetto GRAPE,un progetto di robotica agricola finanziato da ECHORD++ che mira alla creazione di un manipolatore mobile autonomo per la distribuzione automatica di erogatori di ferormoni sintetici all’interno dei vigneti.Erogatori di questo tipo vengono impiegati in alcune tecniche di disinfestazione, dette di confusione sessuale. Il team di sviluppo del progetto GRAPE era composto sia da membri del Politecnico di Milano, sia da membri di Eurecat, un centro tecnologico catalano. Inizialmente il lavoro di tesi si è focalizzato sulla progettazione dell’architettura software complessiva del sistema, attraverso l’identificazione di sottoproblemi e la definizione delle interfacce tra i diversi moduli software corrispondenti. Il passo successivo è stato la realizzazione del sistema odometrico, del sistema di navigazione autonoma, e di parte della logica del manipolatore per la piattaforma in oggetto. La struttura geometricamente indefinita del terreno e degli ostacoli nell’ambiente del vigneto ha portato, dopo svariati perfezionamenti, a un sistema di fusione sensoriale basato sull’utilizzo di IMU, GPS, e velocità delle ruote per la stima di posizione e orientamento del robot nel tempo, e un sistema di navigazione autonoma svincolato dall’uso di mappe. Lo sviluppo della logica del manipolatore, invece, è stato fortemente influenzato dagli oggettivi limiti di funzionalità del braccio robotico in dotazione, per aggirare i quali sono state sviluppate diverse tecniche basate sull’inversione della cinematica differenziale. Il sistemaè stato anche sottoposto a due sessioni di validazione sul campo, da una settimana l’una: la prima a Casciana Terme (IT), la seconda a Garriguella (ES), in cui il sistema è stato reso più robusto rispetto a condizioni di lavoro non previste in laboratorio, e le performance della piattaforma sono state testate nell’effettivo ambiente di utilizzo.