Mark II: Design and Control of an Autonomous Mobile Agricultural Robot

Mark II: Design og Regulering af en Autonom Mobil Landbrugsrobot

Amtoft, Kristoffer ; Jensen, Søren Bæk

4. term

Manufacturing Technology, Master

2011

2011-05-31

95

Denne afhandling udvikler en autonom robot, der kan navigere mellem majsrækker til Field Robot Event 2011. Robotten er skid-styret (drejer ved at variere hjulhastigheder). Målet er at køre gennem rækkerne uden at beskadige planter og at kunne vende for enden af en passage. Opgaven med at finde og markere ukrudt indgår ikke i dette projekt. Platformen blev valgt efter en udvælgelsesproces: et firehjulet chassis med PMDC-motorer (permanentmagnet-DC) og encodere (rotationssensorer). Derudover blev der valgt en PC/104-embedded computer, et Arduino-mikrokontrollerkort, fire H-broer (motordrivere), en laserafstandsscanner (LIDAR) og en lineær spændingsregulator. Modellering: Der blev opbygget og testet dynamiske modeller for skid-styret kørsel baseret på litteratur. To publicerede modeller blev implementeret; den første gav resultater som i kilden, mens den anden havde vedvarende problemer. Den første model blev derfor valgt til videre simulering. Eksperimenter: Laser scanneren blev brugt til at optage robotens bane, som blev sammenlignet med den valgte model for at verificere, at simuleringen afspejler den virkelige adfærd. En motormodel blev udviklet ud fra step-respons-forsøg, og dens transientadfærd matchede de målte data. Navigation og styring: Vector Field Histogram (VFH) blev valgt som metode til at finde sikre retninger ud fra laserdata. Der blev designet en hybrid controller, som kan skifte mellem styringsstrategier. En fuzzy logic-controller satte venstre/højre motorhastighedsreferencer for at holde robotten centreret i rækken: lige hastigheder giver lige kørsel, forskelle skaber drejning. Enkle open-loop controllere håndterede forhindringer og indstyring i næste passage. Fire PID-controllere, én pr. motor, brugte encoder-feedback til at følge hastighedsreferencerne; de blev designet med den kombinerede køretøjs- og motormodel. Status: Hybrid-controlleren skal installeres på PC/104-kortet, og PID-controllerne på Arduino-kortet. Efter installation bliver controllerne tunet i feltforsøg. Når de er implementeret og justeret, er robotten klar til Field Robot Event 2011.

This thesis develops an autonomous robot that can navigate between corn rows for the Field Robot Event 2011. The robot is skid-steered (it turns by varying wheel speeds). The goal is to drive through the rows without damaging plants and to turn at the end of each passage. Detecting and marking weeds was not part of this project. The platform was selected through a review of options: a four-wheel chassis with PMDC motors (permanent magnet DC) and encoders (rotation sensors). Additional components include a PC/104 embedded computer, an Arduino microcontroller board, four H-bridge motor drivers, a laser range scanner (LIDAR), and a linear voltage regulator. Modeling: Dynamic models of skid-steer motion were built and tested based on published work. Two literature models were implemented; the first reproduced the reference results, while the second had persistent issues. The first model was chosen for further simulation. Experiments: The laser scanner recorded the robot’s path, which was compared to the chosen model to verify that the simulation reflects real behavior. A motor dynamics model was developed from step-response experiments, and its transient behavior matched measured data. Navigation and control: The Vector Field Histogram (VFH) method was selected to find safe directions from laser data. A hybrid controller was designed to switch between control strategies. A fuzzy logic controller set left/right motor speed references to keep the robot centered in a row: equal speeds produce straight motion, and differences cause turning. Simple open-loop controllers handled obstacles and steering into the next passage. Four PID controllers, one per motor, used encoder feedback to track speed references; they were designed using the combined vehicle and motor models. Status: The hybrid controller is to be installed on the PC/104 board, and the PID controllers on the Arduino. After installation, the controllers will be tuned in field tests. Once implemented and adjusted, the robot will be ready for the Field Robot Event 2011.

[This abstract was generated with the help of AI]

Skid ; Steered ; Autonomous ; Robot ; FRE ; Field Robot Event ; VFH ; Vector Field Histogram ; Fuzzy ; Agriculture

Download
View record in AAU Student Projects