Experimental investigation for path tracking of the motion sequence of an agricultural machine in an odometry-based approach

Automation in agriculture industry is a crucial development field: Many of the required tasks are highly repetitive and labor intensive, mobile robots can be extremely useful to cut down costs of maintenance in orchards for berry production. This paper treats a master thesis work, focused on the development of a path tracking system, adopted on an agriculture machine, as part of an on-going contract project at the ATB institute in Potsdam, aimed at the development of an autonomous Load-Haul-Dump vehicle. A reliable odometry output, based on on-board telemetry (wheel speed and steering angle) is extremely helpful for the navigation of a mobile robot: it can guarantee short range tracking capabilities, in case of failure of other tracking sensors, and it can be implemented together with more precise tracking techniques (Lidar or high precision GPS), to boost the overall localization performance. The whole work is based on a kinematic approach. The kinematic model of an LHD vehicle is influenced by the slip angles of the wheels, which are as well influenced by the driving conditions. A high precision moving base RTK GNSS is adopted to record the motion of the vehicle and map the slip angles over many combinations of speed and steering angle. This approach allows to get a function which relates speed and steering angle with the slip angles, which can be used as parameters in the kinematic model. The corrected kinematic model is then implemented in the onboard computer, to get a real-time odometry output and tracking of the vehicle, only based on wheel speed and steering angle. The obtained results are promising, the tracking results are consistently reliable for tracking lengths under 10-15 meters, in line with the initial expectations. To improve the performance of the system, an even more precise base station RTK system could be implemented, such measurement system would guarantee a more precise estimate of the slip angles. Another possible use for this motion model could be its implementation in an MPC based controller.

L'automazione nel settore agricolo è un campo di sviluppo cruciale: molte delle attività sono altamente ripetitive e ad alta intensità di manodopera, l’automazione dei veicoli può essere estremamente utile per ridurre i costi di manutenzione nelle coltivazioni di alberi da frutta. Questo lavoro di tesi magistrale è incentrato sullo sviluppo di un sistema di tracciamento del percorso, adottato su una macchina agricola. Fa parte di un progetto in corso presso l'istituto ATB di Potsdam, volto allo sviluppo di un veicolo autonomo LHD (Load-Haul-Dump). Il calcolo dell’odometria del veicolo, basata sulla telemetria di bordo (velocità delle ruote e angolo di sterzata) è essenziale per la navigazione di un robot mobile: garantisce capacità di tracciamento a corto raggio, in caso di guasto di altri sensori di localizzazione, può inoltre essere implementato insieme a metodi di tracciamento evoluti (Lidar, GPS di alta precisione), per aumentarne prestazioni e precisione. L’intero lavoro è basato su un approccio cinematico. Il modello cinematico di un veicolo LHD è influenzato dagli angoli di slittamento delle ruote, a loro volta influenzati dalle condizioni di guida. Viene adottato un sistema moving base RTK GNSS ad alta precisione per registrare il moto del veicolo e mappare gli angoli di slittamento al variare della velocità e dell’angolo di sterzata. Questo approccio consente di ottenere una funzione che mette in relazione velocità e angolo di sterzata con gli angoli di slittamento, tali angoli possono essere utilizzati come parametri nel modello cinematico. Il modello corretto viene quindi implementato nel computer di bordo, al fine di ottenere l’output dell'odometria in tempo reale e il tracciamento del veicolo, basato solo sulla velocità delle ruote e sull'angolo di sterzo. I risultati ottenuti sono promettenti, il tracciamento presenta un comportamento costante e affidabili per percorsi inferiori a 10-15 metri, in linea con le aspettative iniziali. Per migliorare le prestazioni del sistema, potrebbe essere ripetuto l’esperimento implementando un sistema RTK con stazione di base fissa, tale sistema di misurazione garantirebbe una stima più precisa degli angoli di slittamento. Un altro possibile utilizzo di questo modello di movimento potrebbe essere la sua implementazione in un controller basato su MPC.