Sviluppi nei Robot Autonomi per Vigneti

I Robot agricoli stanno cambiando il modo di fare agricoltura prendendo in carico compiti ripetitivi, il che può aiutare ad aumentare la produzione di raccolti e ridurre i costi. Per far funzionare bene questi robot, devono essere in grado di muoversi autonomamente nei campi o nei vigneti senza bisogno di una persona che li guidi. È stato sviluppato un nuovo sistema di Navigazione che utilizza la tecnologia LiDAR (Light Detection and Ranging) e sensori per aiutare questi robot a muoversi con precisione tra le file di Piante, rendendo possibile lavorare nei vigneti in modo efficace.

#La Necessità di Navigazione Autonoma

La crescente richiesta di cibo in un mondo che sta cambiando a causa dei problemi climatici presenta sfide per l'agricoltura. Gli agricoltori devono produrre più raccolti mentre gestiscono le risorse in modo saggio e mantenendo bassi i costi. I robot agricoli sono progettati per aiutare in questo, eseguendo compiti che sono difficili o richiedono molto tempo. Tuttavia, affinché questi robot siano utili, devono trovare la loro strada da soli senza aiuto umano. Ci sono due modi principali per i robot di navigare: usando mappe o senza usarle. La navigazione basata su mappe può funzionare bene in ambienti che non sono organizzati ma può essere più complessa e costosa. D'altra parte, molti luoghi agricoli, come i vigneti, hanno un'organizzazione semplice con piante in file ordinate. Questo consente di navigare senza dover fare affidamento sulle mappe.

#Usare il LiDAR per la Navigazione

Spesso, i robot in agricoltura usano informazioni del Global Navigation Satellite System (GNSS) per seguire percorsi pianificati o per aiutarsi a localizzarsi. C'è anche una tecnologia chiamata Differential GNSS che aiuta con il tracciamento della posizione molto preciso. Tuttavia, i segnali GNSS possono essere deboli o assenti in luoghi con piante alte e vegetazione densa. LiDAR, insieme ai sensori a fotocamera, può aiutare. LiDAR usa la luce laser per creare un’immagine dettagliata dell’ambiente circostante. Può funzionare bene in diverse condizioni di illuminazione, il che è importante in agricoltura, dove il sole può creare ombre.

#Il Sistema di Navigazione

Il sistema di navigazione sviluppato per i robot dei vigneti combina un metodo semplice di rilevamento delle linee con il GNSS per muoversi. Il sistema riconosce due linee che rappresentano le file di vigneti usando un laser 2D. Il robot può regolare il suo percorso in base a dove rileva le piante, permettendogli di muoversi senza problemi senza urtare nulla.

Un metodo precedente usava i dati laser e punti specifici noti per aiutare il robot a capire l’ambiente circostante identificando oggetti come i tronchi delle piante. Sebbene fosse utile, questo metodo poteva essere influenzato da cose come l'erba o il vento, rendendo la navigazione meno affidabile. Alcune ricerche si sono concentrate sulla creazione di metodi di navigazione semplici usando solo dati LiDAR. Ad esempio, un algoritmo efficace calcola la distanza media da entrambi i lati di una fila di piante e corregge di conseguenza il percorso del robot.

#Metodi per Migliorare la Navigazione

Per migliorare la precisione del sistema di navigazione, sono state combinate diverse tecniche. Ad esempio, un metodo utilizza una fotocamera 3D insieme a un metodo di riserva che impiega una rete neurale per aggiustare la direzione del robot se si allontana dal percorso. La competizione nella robotica agricola ha fornito ispirazione per sviluppare sistemi di navigazione migliori. L'approccio di un gruppo si è concentrato sull'uso di meno sensori, risparmiando sia sui costi che sulla complessità.

Il sistema di navigazione costruito per questo studio utilizza solo un sensore LiDAR e codificatori delle ruote. Ha anche introdotto un metodo per navigare agli estremi delle file di piante, che spesso viene trascurato in altri studi.

#Componenti del Sistema

Il sistema di navigazione è progettato per funzionare su un robot mobile e coinvolge diverse parti. Il software per la navigazione è costruito su una libreria chiamata Robot Operating System (ROS). Il robot parte all'inizio di una fila, e il modulo di navigazione In-row lo guida a seguire la linea delle piante fino a raggiungere la fine. Dopo questo, il robot si gira e cerca la prossima fila in cui muoversi.

#Navigazione In-row

Nella navigazione In-row, il robot ha bisogno solo di alcune informazioni per guidarsi, come i dati di movimento e scansioni laser 2D. Mentre il robot si muove, cerca di mantenere una distanza equidistante dalle due linee di piante. Un metodo chiamato "find cone" viene utilizzato per identificare percorsi chiari davanti al robot, il che aiuta ad evitare ostacoli. In questo modo, il robot può correggere il suo angolo e direzione mentre si muove.

#Navigazione End-row

Quando il robot si avvicina alla fine di una fila, il sistema di navigazione controlla se ha raggiunto la sua destinazione. Se sì, il robot esce dalla fila e gira per prendere la prossima fila. Il robot si affida agli estremi delle file-come i pali di legno utilizzati per il supporto nei vigneti-per guidarlo verso il prossimo percorso. Identificando questi punti dai suoi dati laser 2D, il robot può assicurarsi di rimanere in carreggiata.

#Test del Sistema di Navigazione

Sono stati utilizzati ambienti simulati e ambienti reali nei vigneti per testare questo sistema di navigazione. Nei test di simulazione, il robot è stato posizionato in diversi tipi di layout di vigneti per vedere quanto bene potesse seguire le file. Il robot è riuscito a navigare direttamente attraverso le file con una deviazione media di solo pochi centimetri dalla linea centrale, mostrando una buona precisione.

Nei test nel mondo reale, il robot ha affrontato varie sfide, come piante che affollavano le file, il che potrebbe aver reso più difficile mantenere la retta. Anche in queste condizioni, il robot è stato in grado di navigare efficacemente. Ha mostrato una deviazione media dal centro di solo pochi centimetri in più, dimostrando il potenziale per l'applicazione nel mondo reale.

#Risultati e Osservazioni

I risultati hanno indicato che il sistema di navigazione poteva mantenere un percorso con precisione, anche in un ambiente dinamico. Il robot ha evitato di colpire rami o piante mentre navigava, il che è fondamentale per ridurre i danni ai raccolti. Il sistema si è dimostrato affidabile con basse esigenze computazionali, permettendogli di funzionare in modo efficiente senza configurazioni complesse.

#Analizzando il Rilevamento degli Estremi delle File

Il successo del sistema dipendeva anche da quanto bene potesse rilevare gli estremi delle file. Misurando la distanza tra la vera posizione degli estremi delle file e dove il robot li identificava, è stato possibile valutare la precisione. I risultati hanno mostrato che il sistema poteva localizzare efficacemente gli estremi delle file con margini di errore affidabilmente bassi.

#Conclusione

Il sistema di navigazione LiDAR senza mappe sviluppato per i vigneti mostra promesse nel migliorare l'efficienza e l'efficacia dei robot agricoli. Facendo affidamento sulla chiara struttura geometrica dei vigneti e utilizzando la tecnologia LiDAR, il sistema guida con successo i robot attraverso le file di raccolti senza necessità di metodi di navigazione complessi e costosi. Questo approccio semplice può aiutare gli agricoltori ad aumentare la produttività riducendo al contempo i costi operativi. Gli sforzi futuri potrebbero esplorare l'uso di diversi tipi di sensori e metodi per migliorare ulteriormente il sistema e esaminare la sua applicabilità in altri tipi di raccolti disposti in file. Il potenziale di integrare migliori tecnologie di rilevamento degli ostacoli potrebbe anche portare a sistemi di navigazione più sicuri negli ambienti agricoli.