Analisi e sviluppo di un sistema di guida autonoma per trattori agricoli in vigneto basato su sensori ad ultrasuoni e videocamere

The combination between autonomous navigation system and precision agriculture represents a disruptive innovation for the improvement of the productivity and for the labour cost reduction. The introduction of smart sensors, both in the field than on machinery, let to know in real time the health condition of the plants. In this way, it is possible to perform disease-driven operation increasingly specific. The purpose of this thesis is to analyse and develop an autonomous guiding system based on ultrasonic sensors for tractors in vineyard. It is also discussed the development of a vision-based system for the estimation of the lateral distance among the vehicle and the crop row. The navigation control aims to maintain the tractor at the reference distance independently of the speed decided by the operator. The first part of the dissertation is devoted to ultrasonic sensors. A state observer will be developed based on an extended Kalman filter. Then, considering the actuator’s dynamics, a LQ control will be implemented. The second half of the thesis deals with the analysis and development of a vision based approach that exploits a convolutional neural network. The developed algorithms for the state evaluation will be configured on experimental data while the control will be validated in simulation.

La combinazione tra navigazione autonoma e agricoltura di precisione rappresenta un punto di svolta per l’incremento dalla produttività e per la riduzione dei costi di lavoro. L’introduzione di sensori sempre più sofisticati, sia in campo che sui macchinari, permette di conoscere in tempo reale le condizioni di salute delle piante. É così possibile svolgere lavorazioni mirate e sempre più precise. Lo scopo della tesi è analizzare e sviluppare un sistema di guida autonoma basato su ultrasuoni per trattori in vigneto. Viene anche indagato l’utilizzo di videocamere per lo sviluppo di un sistema di visione per la stima della distanza laterale del veicolo rispetto al filare. Il controllo di navigazione ha l’obiettivo di mantenere il trattore ad una distanza di riferimento indipendentemente dalla velocità decisa dall’operatore. La prima parte dell’elaborato sarà dedicata ai sensori ad ultrasuoni. Verrà sviluppato un osservatore dello stato basato sul filtro di Kalman esteso. Successivamente, verrà implementato un controllo LQ considerando la dinamica dell’attuatore. La seconda metà della tesi verterà l’impiego delle reti neurali in un sistema di visione per la stima della distanza laterale. Gli algoritmi sviluppati per la stima dello stato verranno configurati su dati sperimentali mentre il controllo verrà validato in simulazione.