Design and development of low-cost variable rate solutions for precision agriculture

Precision agriculture offers significant potential for improving resource efficiency and environmental sustainability; however, its adoption is often hindered by high investment costs and limited compatibility with existing agricultural machinery. In particular, actuation systems for variable-rate applications and high-resolution sensing solutions for perennial crops represent two major economic bottlenecks. This thesis addresses these limitations by developing and validating two low-cost, application oriented engineering solutions, unified by the objective of broadening access to precision agriculture technologies. The first contribution focuses on open-field applications and presents a retrofit variable- rate fertilization system designed for conventional centrifugal spreaders. The proposed solution integrates low-cost hardware components with a dedicated software architecture for prescription map management, calibration handling, and closed-loop actuator control. System performance is evaluated through simulation-based validation and experimental analysis, highlighting the trade-off between control accuracy and actuator dynamics under realistic operating conditions. The second contribution targets precision viticulture and introduces an on-the-go vineyard vigor sensor based on computer vision techniques. Vine vigor is indirectly estimated through the real-world surface area of canes, obtained by projecting semantically segmented images onto a geometrically constrained plane using stereo vision and inertial measurements. Experimental validation demonstrates a strong correlation between the estimated cane area and pruning weight (R² = 0.88), confirming the robustness of the proposed approach even under a tilted camera configuration compatible with field oper- ation. Overall, the results demonstrate that low-cost, open, and retrofit-oriented solutions can achieve performance levels suitable for real-world variable-rate management. The proposed systems provide a solid foundation for future developments and potential industrial or entrepreneurial exploitation in the field of precision agriculture.

L’agricoltura di precisione rappresenta uno strumento fondamentale per migliorare l’efficienza nell’uso degli input agricoli e ridurre l’impatto ambientale delle pratiche colturali. Tuttavia, l’adozione di tali tecnologie risulta ancora limitata, soprattutto a causa degli elevati costi iniziali e delle difficoltà di integrazione con le macchine agricole esistenti. In particolare, i sistemi di attuazione per le applicazioni a rateo variabile e le soluzioni di acquisizione di informazioni ad alta risoluzione per le colture perenni costituiscono i principali colli di bottiglia economici. Questa tesi affronta tali criticità attraverso lo sviluppo e la validazione di due soluzioni ingegneristiche a basso costo, accomunate dall’obiettivo di rendere più accessibili le tecnologie di agricoltura di precisione. Il primo contributo riguarda le applicazioni di pieno campo e propone un sistema di fertilizzazione a rateo variabile di tipo retrofit, installabile su spandiconcime centrifughi convenzionali. La soluzione integra componenti hardware economici con un’architettura software dedicata alla gestione delle mappe di prescrizione, alle procedure di calibrazione e al controllo in anello chiuso dell’attuatore. Le prestazioni del sistema vengono analizzate mediante simulazioni e test sperimentali, mettendo in evidenza i limiti dinamici dell’attuazione e la loro influenza sull’accuratezza della distribuzione. Il secondo contributo è dedicato alla viticoltura di precisione e introduce un sensore di vigore “on-the-go” basato su tecniche di computer vision. Il vigore della vite viene stimato indirettamente attraverso la superficie reale dei tralci, ottenuta proiettando maschere semantiche su un piano geometrico vincolato mediante visione stereo e dati inerziali. La fase di validazione sperimentale evidenzia una forte correlazione tra l’area stimata e il peso di potatura (R² = 0.88), confermando la robustezza dell’approccio anche in configurazioni compatibili con l’uso in campo. Nel complesso, il lavoro dimostra come soluzioni low-cost, open e di tipo retrofit possano raggiungere prestazioni adeguate per applicazioni reali di gestione a rateo variabile, costituendo una solida base per sviluppi futuri e possibili applicazioni industriali o imprenditoriali.