Design, development, and validation of a skid-steering robot for agricultural terrains

Adoption of robotics and automation technologies in the agricultural sector has been a growing trend in recent years caused by labour shortages, population growth and efficient resource utilization. There exist lots of problems in agricultural robotics, based on the existence of several tasks such as weeding, seeding, spraying and others. To solve those problems different robotic applications have been used during the years. Usually for a specific problem a specific solution is used. Nevertheless, advance in different sectors allows to have robotic platforms that can solve different tasks efficiently using only one robot. This thesis focuses on the design and development of an outdoor robot specifically build for the agricultural environment of a maize field. By analyzing the plant shape, obstacles, and terrain characteristics of this specific setting, we determined the essential design features of the robot. To ensure the reliability and effectiveness of our design choices, we created a simulation environment where algorithms could be safely tested and the performance of sensors could be verified. Furthermore, we implemented the control system on an actual skid steering robot that is aligned with our design specifications, allowing us to evaluate its ability to navigate and overcome obstacles in a real-world setting. Finally, through a validation process of sensor readings, steering capabilities, and terrain adaptability, we present a viable solution for an agricultural robot that has the potential to fulfill various tasks and be a reliable platform for agricultural purposes.

A causa di diversi fattori come la crescita demografica, la scarsità di manodopera e l'efficentamento delle risose l'utilizzo di robot e automazione nel settore agricolo è una tendenza in crescita negli ultimi anni. Esistono numerosi problemi nella robotica agricola, basati sull'esistenza di diverse operazioni che vengono svolte nei campi come la semina, l'applicazione di fertilizzanti, la rimozione di erbe infestanti e altre. Per risolvere tali problemi, nel corso degli anni sono state utilizzate diverse applicazioni robotiche. Solitamente per un problema specifico viene utilizzata una soluzione specifica. Tuttavia, i progressi in diversi settori consentono di avere piattaforme robotiche in grado di risolvere diverse attività utilizzando un solo robot. Questa tesi si concentra sulla progettazione e lo sviluppo di un robot appositamente progettato per l'ambiente agricolo di un campo di mais. Analizzando le caratteristiche del terreno, la dimensione dei filari e le peculiarità di questa ambientazione specifica, abbiamo determinato le specifiche essenziali di progettazione del robot. Per garantire l'affidabilità e l'efficacia delle nostre scelte di progettazione, abbiamo creato un ambiente di simulazione in cui gli algoritmi possono essere testati in sicurezza e le prestazioni dei sensori verificate. Inoltre, abbiamo implementato il sistema di controllo su un vero robot skid steering che rispetta le specifiche di progettazione, consentendoci di valutarne la capacità di navigare e superare gli ostacoli in un contesto reale. Infine, attraverso un processo di convalida, presentiamo una soluzione valida per un robot agricolo che ha il potenziale per svolgere varie operazioni e di essere una piattaforma affidabile per scopi agricoli.