Design and implementation of a model for ploughing operations in a virtual simulated environment

The transition to Agriculture 4.0 emphasizes the integration of advanced technologies to enhance productivity, efficiency, and sustainability in farming practices. The ploughing operation has largely remained traditional and underexplored in terms of technological innovation. The plough is the most widespread tillage implement and is the one demanding more power to the tractor, on-field tests are irreversible, time consuming and expensive. It is often hard to perform quantitative analysis on ploughing due to the complex dependencies involved: soil texture, plough shape and size, speed and depth of operation, vehicle and tires used and finally the dynamic interaction between the plough and the pulling tractor. A precise tool to manage all these variables is needed. This work addresses this gap by developing a comprehensive virtual model for ploughing operations within a Real-Time (RT) simulation environment. To achieve this, an analytical model of state-dependent soil forces embedded into a geometrical parametric representation of the plough which was implemented in a RT simulator. Two software were essential for this scope: IPG CarMaker (CM), providing a powerful simulated environment, and AgriSI© working in co-simulation with CM, exploiting both its desk and static simulators in Hardware and Human-In-The-Loop simulation. A series of plausible scenarios have been built and tested during this work solving common farming problems from an analytical point of view. The resulting virtual model offers a robust and efficient platform for testing and optimizing ploughing operations significantly reducing the need for costly and time consuming field tests. Different stakeholders may take advantage of this work, including farmers, manufacturers, educators, and researchers.

La transizione verso l'Agricoltura 4.0 pone l'accento sull'integrazione di tecnologie avanzate per migliorare la produttività, l'efficienza e la sostenibilità delle pratiche agricole. Tuttavia, l'operazione di aratura è rimasta in gran parte tradizionale e poco esplorata dal punto di vista dell'innovazione tecnologica. L'aratro è l'attrezzo per la lavorazione del terreno più diffuso e quello che richiede più potenza al trattore; i test sul campo sono irreversibili, dispendiosi in termini di tempo e costosi. Spesso è difficile eseguire un'analisi quantitativa sull'aratura a causa delle complesse dipendenze coinvolte: texture del suolo, forma e dimensione dell'aratro, velocità e profondità dell'operazione, veicolo e pneumatici utilizzati e, infine, l'interazione dinamica tra l'aratro e il trattore trainante. È necessario uno strumento preciso per gestire tutte queste variabili. Questo lavoro affronta questa lacuna sviluppando un modello virtuale completo per le operazioni di aratura all'interno di un ambiente di simulazione in tempo reale (RT). Per raggiungere questo obiettivo, è stato implementato un modello analitico delle forze del suolo stato-dipendenti in una rappresentazione parametrica geometrica dell'aratro, successivamente incorporato in un simulatore RT. Due software sono stati essenziali per questo scopo: IPG CarMaker (CM), che fornisce un potente ambiente simulato, e AgriSI© che lavora in co-simulazione con CM, sfruttando sia i suoi simulatori desk che static in simulazione Hardware and Human-In-The-Loop. Una serie di scenari plausibili sono stati costruiti e testati durante questo lavoro, risolvendo problemi agricoli comuni da un punto di vista analitico. Il modello virtuale risultante offre una piattaforma robusta ed efficiente per testare e ottimizzare le operazioni di aratura, riducendo significativamente la necessità di test sul campo costosi e dispendiosi in termini di tempo. Diversi stakeholder potrebbero trarre vantaggio da questo lavoro, inclusi agricoltori, produttori, educatori e ricercatori.