Publicação

Advanced perception and control for smart tools in Agricultural Robots

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Com o aumento constante da população global, a procura por recursos naturais e alimentos continua a crescer. Este trabalho é motivado pela necessidade crítica de tornar a agricultura mais eficiente e sustentável, destacando o papel fundamental da robótica. Os robôs, capazes de adquirir informações em tempo real e executar operações autonomamente, surgem como substitutos eficazes para a crescentemente escassa mão-de-obra humana, enfrentando desafios específicos da agricultura, como extensos ambientes, terrenos irregulares e inclinações íngremes em áreas de cultivo de montanha. As culturas permanentes desempenham um papel importante na agricultura, produzindo diversos frutos na cadeia de abastecimento alimentar e na economia. No entanto, a gestão destes ambientes agrícolas especializados apresenta desafios únicos. Em particular, surgem preocupações relativamente à aplicação eficiente e precisa de fatores de produção, como produtos para a proteção de culturas. Além disso, considera-se também uma prioridade a manutenção da vegetação nestes campos. Nas últimas décadas, as inovações tecnológicas transformaram a forma como abordamos a agricultura, e a agricultura de precisão surgiu como uma mudança de paradigma fundamental. Neste contexto, as aplicações de pulverização de precisão e controlo mecânico da vegetação no solo têm recebido uma atenção significativa devido ao seu potencial para melhorar a proteção das culturas, reduzir o desperdício de recursos e minimizar a pegada ecológica das práticas agrícolas. A integração de sistemas avançados de perceção e controlo é fundamental para o sucesso destas aplicações, permitindo a aplicação precisa e direccionada de produtos químicos e a gestão do crescimento vegetativo. Este trabalho propõe ferramentas inteligentes desenhadas para serem aplicadas em operações de pulverização e corte de vegetação no solo acopladas a robôs agrícolas: PRySM, que consiste na integração de um pulverizador de precisão numa plataforma rob´otica capaz de navegar autonomamente nas mais diversas condições; MowIT, estudado e desenvolvido para realizar a gestão do crescimento vegetativo em culturas permanentes, sendo integrado num robô modular. De modo a se extrair o máximo benefício destas ferramentas inteligentes foram estudados e desenvolvidos sistemas avançados de perceção e controlo que melhoram a eficiência destas ferramentas durante a sua operação. Na área da perceção foi estudo e desenvolvido um sistema de visão computacional para classificar a densidade foliar em vinhas, um sistema baseado em um sensor LiDAR 2D para sensorização de copas capaz de processar diferentes parâmetros de ´arvores e um algoritmo baseado em som para detetar anomalias no funcionamento de uma ferramenta de corte. Para o controlo foram estudados e desenvolvidos controladores baseados em máquinas de estados e mapas de prescrição que gerem a operação das ferramentas de acordo com as necessidades da cultura envolvente. Foi também estudado um modelo para um controlador de um pulverizador rebocável. Na análise dos resultados deste trabalho é possível concluir que os sistemas de perceção permitem recolher muita informação que pode ser utilizada para deixar o agricultor mais consciente do estado da sua cultura e também para deixar as operações mais eficientes e sustentáveis. O algoritmo para calcular a densidade foliar nas vinhas consegue desempenhar esta função com uma exatidão de 84%. O sistema baseado no sensor LiDAR 2D deteta os limites da copa das árvores, permitindo a pulverização apenas na presença de vegetação, prevendo uma poupança de 28%, quando comparado com a metodologia Tree Row Volume (TRV). Esta poupança é superior quando se considera o volume da canópia calculado para definir a quantidade de produto a aplicar atingindo, neste caso, os 78%. Por fim o algoritmo baseado em som para a análise da operação da ferramenta de corte apresentou um F1-Score entre 97% e 99%, para a monitorização, e entre 94% e 99%, para a deteção de anomalias. Os sistemas de controlo por outro lado permitem ao agricultor gerir as operações com a garantia de que estas serão realizadas com a maior precisão possível.
Autores principais:	Baltazar, André Rodrigues
Assunto:	Perceção Controlo Automação Ferramentas Inteligentes Robôs Agrícolas Proteção das Culturas Sustentabilidade
Ano:	2024
País:	Portugal
Tipo de documento:	tese de doutoramento
Tipo de acesso:	acesso embargado
Instituição associada:	Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Idioma:	português
Origem:	Repositório da UTAD

Descrição
Resumo:	Com o aumento constante da população global, a procura por recursos naturais e alimentos continua a crescer. Este trabalho é motivado pela necessidade crítica de tornar a agricultura mais eficiente e sustentável, destacando o papel fundamental da robótica. Os robôs, capazes de adquirir informações em tempo real e executar operações autonomamente, surgem como substitutos eficazes para a crescentemente escassa mão-de-obra humana, enfrentando desafios específicos da agricultura, como extensos ambientes, terrenos irregulares e inclinações íngremes em áreas de cultivo de montanha. As culturas permanentes desempenham um papel importante na agricultura, produzindo diversos frutos na cadeia de abastecimento alimentar e na economia. No entanto, a gestão destes ambientes agrícolas especializados apresenta desafios únicos. Em particular, surgem preocupações relativamente à aplicação eficiente e precisa de fatores de produção, como produtos para a proteção de culturas. Além disso, considera-se também uma prioridade a manutenção da vegetação nestes campos. Nas últimas décadas, as inovações tecnológicas transformaram a forma como abordamos a agricultura, e a agricultura de precisão surgiu como uma mudança de paradigma fundamental. Neste contexto, as aplicações de pulverização de precisão e controlo mecânico da vegetação no solo têm recebido uma atenção significativa devido ao seu potencial para melhorar a proteção das culturas, reduzir o desperdício de recursos e minimizar a pegada ecológica das práticas agrícolas. A integração de sistemas avançados de perceção e controlo é fundamental para o sucesso destas aplicações, permitindo a aplicação precisa e direccionada de produtos químicos e a gestão do crescimento vegetativo. Este trabalho propõe ferramentas inteligentes desenhadas para serem aplicadas em operações de pulverização e corte de vegetação no solo acopladas a robôs agrícolas: PRySM, que consiste na integração de um pulverizador de precisão numa plataforma rob´otica capaz de navegar autonomamente nas mais diversas condições; MowIT, estudado e desenvolvido para realizar a gestão do crescimento vegetativo em culturas permanentes, sendo integrado num robô modular. De modo a se extrair o máximo benefício destas ferramentas inteligentes foram estudados e desenvolvidos sistemas avançados de perceção e controlo que melhoram a eficiência destas ferramentas durante a sua operação. Na área da perceção foi estudo e desenvolvido um sistema de visão computacional para classificar a densidade foliar em vinhas, um sistema baseado em um sensor LiDAR 2D para sensorização de copas capaz de processar diferentes parâmetros de ´arvores e um algoritmo baseado em som para detetar anomalias no funcionamento de uma ferramenta de corte. Para o controlo foram estudados e desenvolvidos controladores baseados em máquinas de estados e mapas de prescrição que gerem a operação das ferramentas de acordo com as necessidades da cultura envolvente. Foi também estudado um modelo para um controlador de um pulverizador rebocável. Na análise dos resultados deste trabalho é possível concluir que os sistemas de perceção permitem recolher muita informação que pode ser utilizada para deixar o agricultor mais consciente do estado da sua cultura e também para deixar as operações mais eficientes e sustentáveis. O algoritmo para calcular a densidade foliar nas vinhas consegue desempenhar esta função com uma exatidão de 84%. O sistema baseado no sensor LiDAR 2D deteta os limites da copa das árvores, permitindo a pulverização apenas na presença de vegetação, prevendo uma poupança de 28%, quando comparado com a metodologia Tree Row Volume (TRV). Esta poupança é superior quando se considera o volume da canópia calculado para definir a quantidade de produto a aplicar atingindo, neste caso, os 78%. Por fim o algoritmo baseado em som para a análise da operação da ferramenta de corte apresentou um F1-Score entre 97% e 99%, para a monitorização, e entre 94% e 99%, para a deteção de anomalias. Os sistemas de controlo por outro lado permitem ao agricultor gerir as operações com a garantia de que estas serão realizadas com a maior precisão possível.