Analisi e sviluppo di un sistema di guida autonoma per mezzi agricoli in vigneto basato su sensori a ultrasuoni

The thesis has been realized in collaboration with SAME Deutz-Fahr and consists in the analysis and development of a navigation system for a semi-autonomous agricultural tractor in a constrained environment. In a context like a vineyard, where tool-equipped tractors are used to carry out agricultural processes and treatments, high positioning accuracy is needed. Hence, the goal of this thesis is to control the steering of the vehicle in order to keep a desired distance from the cultivations, thus easing the operator's driving task so that he/she can focus on the ongoing agricultural procedures. It is possible, in this way, to increase productivity and the operations quality. The distance and orientation of the tractor with respect to the vines are estimated through the use of ultrasonic parking sensors. In particular, an algorithm based on an extended Kalman Filter processes their measurements and uses them, together with the information about the vehicle model, to provide as output an estimate of the state of the vehicle. The latter is exploited by an extended LQI controller, which has been implemented in order to control the steering and the lateral dynamics of the vehicle. The proposed algorithms have been designed using experimental data collected on the field. The complete closed-loop system has been tested on the real system, with the experimental setup, and in an environment coherent with the defined use case. The achieved performances are satisfactory: the system is able to meet the requirements imposed by the use case.

Il lavoro di questa tesi è stato svolto in collaborazione con l'azienda SAME Deutz-Fahr e consiste nell'analisi e nello sviluppo di un sistema di navigazione autonoma per mezzi agricoli in ambienti vincolati, come quelli rappresentati da vigneti e frutteti. In simili contesti, dove trattori di piccole dimensioni vengono dotati di strumenti e attrezzi e utilizzati per condurre lavorazioni agricole, è richiesta un'alta precisione nel posizionamento del veicolo. Lo scopo di questa tesi è dunque quello di controllare lo sterzo del veicolo per mantenerlo a una distanza desiderata dai filari. In questo modo, si alleggerisce il carico di lavoro dell'operatore, consentendogli di concentrarsi sulle procedure agricole e aumentando così la produttività e la qualità delle lavorazioni. La distanza e l'orientamento del trattore rispetto ai filari sono stimati attraverso l'uso di sensori a ultrasuoni di parcheggio. In particolare, un algoritmo basato su un filtro di Kalman esteso processa le loro misure e le usa, insieme alle informazioni sul modello del veicolo, per produrre una stima dello stato del veicolo. Quest'ultima viene sfruttata da un controllore LQI esteso, che è stato progettato con lo scopo di controllare lo sterzo e la dinamica laterale del veicolo. Gli algoritmi sono stati sviluppati sulla base di dati sperimentali raccolti in campo. Il sistema completo in anello chiuso è stato successivamente testato sul sistema reale in un contesto in linea con il caso d'uso definito. Le prestazioni raggiunte sono soddisfacenti: il sistema sviluppato è conforme ai requisiti definiti dal caso d'uso.