Robot móvil autónomo basado en control óptimo para el seguimiento de barreras vegetales laterales

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

This research focuses on a comprehensive study on the development and implementation of an autonomous mobile robot designed for precision agriculture, specifically for navigating crop rows using optimal control techniques. The research addresses the global importance of agriculture, emphasizing its role in achieving Sustainable Development Goals (SDGs) such as zero hunger (SDG 2), industry innovation (SDG 9), and responsible consumption (SDG 12). This research outlines the design and implementation of a differential-drive mobile robot capable of navigating crop rows using optimal control methods, specifically Linear Quadratic Regulator (LQR)and Linear Quadratic Gaussian (LQG) controllers. The robot is equipped with sensors such as a LiDAR for distance measurement, an inertial measurement unit (IMU) for orientation, and encoders for motor control. The Robot Operating System (ROS) is used as the middleware to integrate sensors, actuators, and control algorithms [1, 2]. The study includes a detailed methodology for sensor and actuator characterization, ROS insta-llation and configuration, and the implementation of optimal control algorithms. Several experiments are conducted to validate the robot’s performance in different scenarios, including following a wall, navigating around obstacles, and tracking crop rows. The results demonstrate the effectiveness of the LQR and LQG controllers in maintaining the robot’s trajectory and correcting deviations caused by disturbances. This document concludes with a discussion of the results, comparing the performance of the LQR and LQG controllers in terms of root mean square error (RMSE) for distance and angle. The LQR controller achieved an RMSE of 0.1206 for distance and 0.1884 for angle in the final experiment with a simulated crop row, while the LQG controller with adjusted noise covariance (𝑅𝑛 = 1 ∗ 10−6) achieved an RMSE of 0.0862 for distance and 0.1324 for angle, showing superior performance in scenarios with varying light conditions and obstacles [3, 4]. The study underscores the potential of autonomous robots in precision agriculture, offering a scalable solution to improve productivity and reduce labor costs in the agricultural sector [5, 6].

Descripción

Esta investigación se centra en un estudio exhaustivo sobre el desarrollo y la implementación de un robot móvil autónomo diseñado para la agricultura de precisión, concretamente para navegar por las hileras de cultivos utilizando técnicas de control óptimo. La investigación aborda la importancia mundial de la agricultura, destacando su papel en la consecución de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), como el hambre cero (ODS 2), la innovación industrial (ODS 9) y el consumo responsable (ODS 12).Esta investigación esboza el diseño y la implementación de un robot móvil de tracción diferencial capaz de navegar por las hileras de cultivo utilizando métodos de control óptimo, concretamente regu- ladores lineales cuadráticos (LQR) y lineales cuadráticos gaussianos (LQG). El robot está equipado con sensores como un LiDAR para medir distancias, una unidad de medición inercial (IMU) para la orientación y codificadores para el control del motor. El Sistema Operativo del Robot (ROS) se utilizacomo middleware para integrar sensores, actuadores y algoritmos de control [1, 2]. El estudio incluye una metodología detallada para la caracterización de sensores y actuadores, la instalación y configuración de ROS y la implementación de algoritmos de control óptimo. Se llevan a cabo varios experimentos para validar el rendimiento del robot en diferentes escenarios, incluyendo el seguimiento de una pared, la navegación alrededor de obstáculos y el seguimiento de hileras de cultivos. Los resultados demuestran la eficacia de los controladores LQR y LQG para mantener la trayectoria del robot y corregir las desviaciones causadas por perturbaciones. Este documento concluye con una discusión de los resultados, comparando el rendimiento de los controladores LQR y LQG en términos de error cuadrático medio (RMSE) para distancia y ángulo. El controlador LQR alcanzó un RMSE de 0,1206 para la distancia y 0,1884 para el ángulo en elexperimento final con una hilera de cultivo simulada, mientras que el controlador LQG con covarianza de ruido ajustada (𝑅𝑛 = 1∗10−6) alcanzó un RMSE de 0,0862 para la distancia y 0,1324 para el ángulo, mostrando un rendimiento superior en escenarios con condiciones de luz y obstáculos variables [3, 4]. El estudio subraya el potencial de los robots autónomos en la agricultura de precisión, ofreciendo unasolución escalable para mejorar la productividad y reducir los costes laborales en el sector agrícola [5, 6].

Palabras clave

Agricultura, Controladores óptimos, Autonomía, Lidar, Giroscopio, Ruido

Materias

Ingeniería Electrónica -- Tesis y disertaciones académicas , Robots -- Diseño , Robótica , Agricultura de precisión

Citación