Navegação autónoma em terreno vinhateiro
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Data
2017-05-23
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Resumo
O planeamento de trajetórias, como parte integrante de um sistema de
navegação autónoma, visa otimizar a escolha do trajeto a seguir pelo dispositivo móvel. Os dispositivos terrestres móveis autónomos são atualmente utilizados na agricultura, e em particular na viticultura, quando as características morfológicas do terreno e a distribuição do cultivo permitem a sua movimentação estruturada.
A presença de morfologia muito complexa ou a distribuição variável das culturas podem inviabilizar a sua utilização.
Esta tese apresenta o trabalho realizado no desenvolvimento de um sistema de planeamento de trajetórias e será parte integrante de um sistema de navegação autónomo a aplicar num trator agrícola para executar as tarefas de cultivo ou manutenção da vinha. Irá ser utilizado num ambiente particularmente difícil, onde as vinhas são plantadas em socalcos escavados nas encostas sinuosas que ladeiam as margens do rio Douro, a nordeste de Portugal.
Numa primeira fase o trabalho contemplou a escolha da parcela de vinha e a determinação do modelo digital do terreno (MDT) da parcela. O critério adotado
para a escolha da vinha foi o da inclusão do maior número de especificidades de entre aquelas que caracterizam as vinhas da Região Demarcada do Douro (RDD).
Foi necessário efetuar o levantamento estático da parcela uma vez que o MDT existente, adquirido ao Instituto Geográfico do Exército (IgeoE) à data do início dos trabalhos, era anterior à data de plantação da vinha. O levantamento dinâmico da trajetória efetuada por um perito na condução com um trator convencional numa operação vitícola permitiu validar a metodologia adotada e o equipamento escolhido no processo de obtenção do MDT.
Na segunda fase do trabalho procurou-se determinar os possíveis percursos de condução, por aplicação de algoritmos de esqueletização a todas as vias de circulação da vinha. Foram aplicados diferentes algoritmos de esqueletização para encontrar de forma quase completamente automática os possíveis percursos de condução na vinha. Este estudo teve como resultado a escolha do algoritmo de esqueletização que melhor se adapta a este tipo de ambiente.
Por último, foi desenvolvido o sistema de planeamento de trajetórias para apoio à navegação autónoma. A implementação de um algoritmo combinado para a determinação do trajeto ótimo de aproximação e cobertura de ilhas dispersas na parcela de vinha culminou o trabalho de tese. As ilhas como resultado da aplicação de técnicas de viticultura de precisão (VP) identificam as zonas de cobertura nas quais as operações vitícolas devem ser realizadas. A função de otimização proposta utiliza uma combinação linear de funções de custo específicas, a qual contribui tanto para o aumento do rendimento da produção como para a diminuição do impacto ambiental da atividade. Como exemplo, a distância percorrida pelo veículo e o tempo gasto em manobras contribuem diretamente para o aumento da quantidade de combustível utilizada e o nível de emissões de C02.
Durante as referidas fases do trabalho, foi desenvolvida uma aplicação de apoio à navegação (denominada Vineyard Viewer and Path Planning Application - VVPP), onde o teste e a validação das opções foram realizados de uma forma simples e amigável. Esta possibilitou a seleção e a execução dos algoritmos desenvolvidos bem como a possibilidade de simulação da condução nas rotas de navegação determinadas.
Os resultados obtidos validam a utilização da VVPP como parte integrante de um sistema de navegação autónomo a operar em terreno vinhateiro. Vinhas com diferentes configurações podem nela ser estudadas. Pode ainda servir como ferramenta didática de teste a algoritmos de esqueletização e de planeamento de trajetórias.
Este trabalho é um ponto de partida para trabalhos futuros, pois identifica as particularidades e os constrangimentos de navegação autónoma numa vinha com características próprias, inserida numa zona classificada pela UNESCO como património mundial da humanidade.
Plath planning, as part of an autonomous navigation system aims to optimize the choice of the path followed by a mobile vehicle. The autonomous ground vehicles are currently used in agriculture, and particulary in viticulture, when the terrain morphology and the crop field distribution allow its structured movement. The presence of very complex orography or variable distribution of crops may hinder their use. This thesis presents the work done in developing a path planning system, as part of an autonomous navigation system, to be used on a agricultural tractor to perform the crop or the maintenance tasks of the vineyard. It will be used in a particularly difficult environment, where the vines are planted in terraces excavated in the winding slopes that line the banks of the Douro River, located in the northeast of Portugal. Initially, the work included the choice of a vineyard plot and finding its digital terrain model (DTM). The criterion for choosing the vineyard was the inclusion of more specific features that characterize the vineyards of the Douro Region (RDD). A static survey was needed because the existing MDT, acquired from the Army Geographic Institute (IgeoE) at the beginning of this work, was built prior to the vines planting. The dynamic survey of the trajectory, performed by an expert driving a conventional tractor during a vineyard operation, allowed to validate the adoped methodology and the equipment selected in the DTM surveying stage. Secondly, it were examined the possible paths by applying skeletonization algorithms to all the circulation routes of the vineyard. Different skeletization algorithms were applied to find, almost fully automatically, the possible driving routes of the vineyard. This study resulted in the choice of the skeletonization algorithm that best fits this type of environment. Finally, to support the autonomous navigation system, it was developed a path planning system. The work culminated with the development of a combined algorithm to find the optimal path to approach and coverage scatered plots of the vineyard. The plots, as a result of application of precision viticulture techniques (VP), identify the coverage areas in which the wine-growing operations must be performed. The proposed optimization function uses a specific linear combination of cost functions, which contributes both to the increase of the production yield and to the redution of the activity environmental impact. As an example, the minimization of the distance traveled and the time spent on maneuvers leads directly to a fuel comsuption decrease and, consequently, to the CO2emissions redution. During these work stages, a software application had been developed to support the navigation system, named Vineyard Viewer and Path Planning (VVPP). Its options, performed in a simple and friendly way, enabled the selection and implementation of the developed algorithms, as well as the possibility to simulate driving on the navigation routes previously determined. The results validate the use of the VVPP application for use in Vineyard Mountain Fields. Through its use, vineyards with differents configurations can be studied. It can also be used as a teaching tool to test skeletonization and path planning algorithms. This work is a starting point for future work, since it identifies the particularities and the autonomous navigation constraints of a tipical vineyard, set in a classified area by UNESCO as a world heritage site.
Plath planning, as part of an autonomous navigation system aims to optimize the choice of the path followed by a mobile vehicle. The autonomous ground vehicles are currently used in agriculture, and particulary in viticulture, when the terrain morphology and the crop field distribution allow its structured movement. The presence of very complex orography or variable distribution of crops may hinder their use. This thesis presents the work done in developing a path planning system, as part of an autonomous navigation system, to be used on a agricultural tractor to perform the crop or the maintenance tasks of the vineyard. It will be used in a particularly difficult environment, where the vines are planted in terraces excavated in the winding slopes that line the banks of the Douro River, located in the northeast of Portugal. Initially, the work included the choice of a vineyard plot and finding its digital terrain model (DTM). The criterion for choosing the vineyard was the inclusion of more specific features that characterize the vineyards of the Douro Region (RDD). A static survey was needed because the existing MDT, acquired from the Army Geographic Institute (IgeoE) at the beginning of this work, was built prior to the vines planting. The dynamic survey of the trajectory, performed by an expert driving a conventional tractor during a vineyard operation, allowed to validate the adoped methodology and the equipment selected in the DTM surveying stage. Secondly, it were examined the possible paths by applying skeletonization algorithms to all the circulation routes of the vineyard. Different skeletization algorithms were applied to find, almost fully automatically, the possible driving routes of the vineyard. This study resulted in the choice of the skeletonization algorithm that best fits this type of environment. Finally, to support the autonomous navigation system, it was developed a path planning system. The work culminated with the development of a combined algorithm to find the optimal path to approach and coverage scatered plots of the vineyard. The plots, as a result of application of precision viticulture techniques (VP), identify the coverage areas in which the wine-growing operations must be performed. The proposed optimization function uses a specific linear combination of cost functions, which contributes both to the increase of the production yield and to the redution of the activity environmental impact. As an example, the minimization of the distance traveled and the time spent on maneuvers leads directly to a fuel comsuption decrease and, consequently, to the CO2emissions redution. During these work stages, a software application had been developed to support the navigation system, named Vineyard Viewer and Path Planning (VVPP). Its options, performed in a simple and friendly way, enabled the selection and implementation of the developed algorithms, as well as the possibility to simulate driving on the navigation routes previously determined. The results validate the use of the VVPP application for use in Vineyard Mountain Fields. Through its use, vineyards with differents configurations can be studied. It can also be used as a teaching tool to test skeletonization and path planning algorithms. This work is a starting point for future work, since it identifies the particularities and the autonomous navigation constraints of a tipical vineyard, set in a classified area by UNESCO as a world heritage site.
Descrição
Tese de Doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Palavras-chave
Vinha , Mapeamento , Esqueletização , Planeamento de trajetórias , Viticultura de precisão , Aplicação de apoio à navegação