Sviluppo di un software di guida autonoma per la navigazione in vigna di un cingolato agricolo

In the last years, different strategies of autonomous driving applied to the agricultural field are being developed, in order to increase productivity and reduce costs. The objective of this thesis, is to develop an autonomous driving system for the navigation of a drone in a vineyard. The software architecture that is presented, allows the vehicle to perform in complete autonomy the navigation within a vineyard, through the following of a reference path previously recorded. The modules that have been developed, and that will be presented in this thesis, have been validated through a series of experimental tests carried out in the field. The first module developed, is that of localization, this is done through an algorithm of sensor fusion. Using an extended Kalman filter, the information coming from a GNSS-RTK receiver, and that of an IMU, are merged to obtain a localization of the vehicle in a global reference system. In this module, we also present an innovative method for the correct initialization of the vehicle, which exploits the surrounding environment to estimate its orientation. The second module implemented, is the perception module, which allows through the information derived from a 3D LiDAR, to identify the rows of the vineyard. In particular, an algorithm has been developed able to identify the entry and exit points of the row, in a robust and precise way. The third module consists of the vehicle controller, based on a Dynamic Window Approach. Several modifications made to the original algorithm are presented, in order to adapt this type of controller to the case at hand. The combination of these three modules allowed to obtain a robust autonomous guidance system, successfully tested in two different types of vineyard. In addition to this system, a driving aid software is developed for recording the reference path. In this way, the task required of the operator during this preliminary phase is lightened.

Negli ultimi anni, si stanno sviluppando diverse strategie di guida autonoma applicata all’ambito agricolo, questo per aumentarne la produttività e ridurne i costi. L’obbiettivo che si prefigge questa tesi, consiste nel sviluppare un sistema di guida autonoma per la navigazione di un cingolato, all’interno di una vigna. L’architettura software che viene presentata, permette al veicolo di eseguire in completa autonomia la navigazione all’interno di un vigneto, tramite l’inseguimento di un percorso di riferimento registrato precedentemente. I moduli che sono stati sviluppati, e che saranno presentati in questa tesi, sono stati validati tramite una serie di test sperimentali svolti in campo. Il primo modulo sviluppato, è quello della localizzazione, questa viene fatta tramite un algoritmo di sensor fusion. Utilizzando un filtro di Kalman esteso, vengono unite le informazioni derivanti da un ricevitore GNSS-RTK, e quelle di una IMU per ottenere una localizzazione del veicolo in un sistema di riferimento globale. In questo modulo, si presenta inoltre un metodo innovativo per la corretta inizializzazione del veicolo, che sfrutta l’ambiente circostante per stimarne l’orientamento. Il secondo modulo implementato, è il modulo di perception, che permette tramite le informazione derivanti da un LiDAR 3D, di identificare i filari del vigneto. In particolare, è stato sviluppato un algoritmo in grado di individuare i punti di ingresso e uscita dal filare, in maniera robusta e precisa. Il terzo modulo è costituito dal controllore del veicolo, basato su un approccio Dynamic Window Approach. Vengono presentate diverse modifiche apportate all’algoritmo originale, per adattare questa tipologia di controllore al caso in esame. L’insieme di questi tre moduli ha permesso di ottenere un sistema di guida autonomo robusto, testato con successo in due diverse tipologie di vigneto. Oltre a questo sistema, viene sviluppato un software di aiuto alla guida, per la registrazione del percorso di riferimento. In questa maniera si alleggerisce il compito richiesto all’operatore durante questa fase preliminare.