Path planning algorithms for agricultural field machines
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (monograph)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2007-12-14
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
110
Series
Helsinki University of Technology, Automation Technology Laboratory. Series A, Research reports, 31
Abstract
In this thesis, a coverage path planning problem is discussed in the case of agricultural fields and agricultural machines. Methods and algorithms to solve this problem are developed. The necessary condition is to cover the whole field, while the goal is to find as efficient a route as possible. As yet, there is no universal algorithm or method capable of solving the problem in all cases. In this thesis, two new approaches to solve the coverage path planning problem in the case of agricultural fields and agricultural machines are presented. In the first algorithm, the field plot is split into subfields that are simple to drive. Each subfield is constructed from trapezoids, the sides of which are attached. Thus the opposite sides of each subfield are parallel. In the search method, the best driving direction for each subfield is found. In the second algorithm, the path is planned on the basis of the machine's current state. Inspired by model predictive control, all the possible routes are simulated over the horizon of one route around the field or one back-and-forth swath. The best of the simulated routes is selected and the first part of that route is applied, up to the next turning. In the next turning, the algorithm is repeated. There are advantages and drawbacks in both algorithms. Neither of them solves the universal problem optimally. Nevertheless, the developed algorithms are remarkable steps towards finding a way to solve the problem. As a side-result, the properties of Finnish field plots are discussed and the field plot shape analysis is made. The classification of field plots based on shape was investigated, but only 25% of field plots belong to one or other simple-shape classes, such as rectangles and triangles, while the rest are more or less undetermined shapes. The other side-result is a trajectory generation for a tractor-trailer vehicle in a headland. The problem is formulated as an optimal control problem and solved using available methods and tools. With this approach, the trajectory can be solved for any headland width and angle.Tässä väitöskirjassa käsitellään peltoliikenteen reitinsuunnitteluun liittyviä ongelmia ja kehitetään menetelmiä ja työkaluja ongelmien ratkaisemiseen. Reitinsuunnittelun ehdottomana vaatimuksena on kattaa koko pelto ja pyrkiä suunnittelemaan reitti mahdollisimman tehokkaaksi. Vielä ei tunneta mitään yleistä menetelmää jolla reitinsuunnittelu voitaisiin ratkaista optimaalisesti kaikissa tapauksissa. Tässä väitöskirjassa esitetään kaksi uutta lähestymistapaa ratkaisemaan peltoliikenteen reitinsuunnittelu. Ensimmäisessä menetelmässä pilkotaan hankalan muotoinen lohko useampaan osalohkoon, jotka erillisinä on helppo ajaa. Osalohkon muoto koostuu kyljistään yhteenliitetyistä puolisuunnikkaista, ja siten osalohkon vastakkaiset sivut ovat myös samansuuntaiset. Hakumenetelmässä etsitään kullekin osalohkolle paras ajosuunta. Toisessa menetelmässä suunnitellaan reittiä koneen sen hetkisestä tilanteesta lähtien simuloimalla kaikki mahdolliset reitit eteenpäin yhden ajokierroksen tai yhden käännöksen ajan. Tässä malliprediktiivisen säädön innostamassa lähestymistavassa simuloiduista reiteistä valitaan paras reitti ja siitä suoritetaan ensimmäinen yhtenäinen ajolinja, seuraavaan käännökseen saakka ja siinä kohtaa suoritetaan taas sama uudelleen. Kummassakin kehitetyssä lähestymistavassa on hyviä ja huonoja puolia ja kumpikaan ei optimaalisesti ratkaise yleistä ongelmaa. Kuitenkin esitetyt menetelmät ovat selkeä edistysaskel ongelman ratkaisun löytämiseksi. Sivutuloksena väitöskirjassa käsitellään suomalaisten peltolohkojen ominaisuuksia ja analysoidaan erityisesti peltolohkojen muotoja. Peltolohkot pyrittiin luokittelemaan muodon perusteella, mutta tuloksena vain 25 % peltolohkoista kuului johonkin yksinkertaiseen muotoluokkaan ja loput ovat enemmän tai vähemmän epämääräisiä muotoja. Toisena sivutuloksena, reitinsuunnittelualgoritmia varten, on ratkaistu optimaalinen traktori-työkoneyhdistelmän kääntämisreitti yhdessä päisteessä: ongelma on kirjoitettu optimisäätöongelman muotoon ja optimisäätöongelma on ratkaistu olemassa olevien työkalujen avulla ja tuloksena on saatu käännösreitti eri päistekulmien ja -leveyksien tapauksessa.Description
Keywords
coverage path planning, agricultural machines, agricultural fields, shape analysis, optimal control, algorithms, reitinsuunnittelu, maatalouskoneet, peltoviljely, pellot, muotoanalyysi, optimisäätö, algoritmit