Analisi e sviluppo di un sistema di navigazione a basso costo per mezzi agricoli in vigneto

This thesis was done in collaboration with SAME Deutz-Fahr and consisted in the analysis and development of a navigation system for semi-autonomous agricultural tractors in constrained environments, as vineyards and orchard. In this kind of context the agricultural treatments, carried out by using tractors with high manoeuvrability, require substantial positioning accuracy. The goal of this thesis is to control the steering of the vehicle by keeping it at a given distance from the crop row and allowing the user to focus on the ongoing agricultural operations. In this way, it is possible to maximize the productivity and the quality of the performed work. The distance and the orientation of the vehicle with respect to the rows, are estimated by using an algorithm based on an extended Kalman filter which exploits the measures provided by ultrasonic sensors. The perception algorithm is able to adjust itself in real time to the vegetative conditions of the plants, in order to ensure satisfactory performances for every season. The vehicle state estimation is exploited by an extended LQI controller, which has been designed to control the lateral dynamics of the tractor. The proposed algorithms have been developed by using experimental data aquired in the field. Closed loop tests of the entire control system have been performed on the vehicle, in a context which is coherent with those ones described by the use case. The obtained performances have proved to be satisfactory for the defined use case.

Il lavoro di questa tesi, realizzata in collaborazione con l’azienda SAME Deutz-Fahr, consiste nell’analisi e nello sviluppo di un sistema di navigazione autonoma per mezzi agricoli in ambienti vincolati, come vigneti e frutteti. In questo tipo di contesti, le lavorazioni agricole, effettuate per mezzo di trattori ad alta maneggevolezza, richiedono un’elevata precisione di posizionamento del veicolo con cui vengono eseguite. Il lavoro di questa tesi è consistito nel controllare lo sterzo del mezzo, mantenendolo ad una distanza desiderata dai filari e consentendo all’operatore di focalizzarsi sulle operazioni agricole. In questo modo, è possibile massimizzare la produttività e la qualità del lavoro svolto. La distanza e l’orientamento del veicolo rispetto ai filari, sono stimati attraverso l’uso di un algoritmo basato su un filtro di Kalman esteso che sfrutta le misure provenienti da sensori ad ultrasuoni. L’algoritmo di perception è in grado di adattarsi in tempo reale alle condizioni vegetative del filare, in modo da garantire prestazioni soddisfacenti per tutte le stagioni. La stima dello stato del veicolo è sfruttata da un controllore LQI esteso, che è stato progettato per controllare la dinamica laterale del trattore. Gli algoritmi sono stati sviluppati utilizzando dati sperimentali acquisiti in campo. Sono state effettuate prove in anello chiuso dell’intero sistema di controllo sul veicolo, in un contesto che rientra tra quelli descritti dal caso d’uso. Le prestazioni garantite sono risultate soddisfacenti per il caso d’uso definito.