Feasible real-time turn path generation for agricultural field machines with spatial constraints

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2019-03-11
Department
Major/Subject
Control, Robotics and Autonomous Systems
Mcode
ELEC3025
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
44+4
Series
Abstract
As Earth’s population keeps growing the demand for food and other agricultural products increases. To meet this demand, the agricultural efficiency must increase, and automation is one method to accomplish that. Automation can provide fully autonomous agricultural field machines that are capable of independently performing field operations, such as ploughing and seeding. Such machines must move on the field and commonly have spatial constraints, such as being nonholonomic. To determine these movements while taking the spatial constraints into account, feasible path planning algorithms are needed. The main goal of this thesis was to find and implement a turn focused path planning algorithm for nonholonomic vehicles operating on agricultural fields. The algorithm had to be able to generate feasible paths in real-time and to consider obstacles. Firstly, existing methods and algorithms were researched to find ones suitable for achieving the goal. Secondly, two algorithms were implemented: the A-algorithm meeting core requirements of feasible path planning and the B-algorithm that aimed to fulfill them all. The A-algorithm was based on Reeds-Shepp paths, while the B-algorithm utilized modified hybrid A* with a numerical smoothing method. The implemented algorithms were tested successfully on an agricultural field as a part of two fully autonomous real-time tractor systems.

Maapallon väkiluvun kasvaessa tarve ruoalle ja muille maataloustuotteille kasvaa. Tämän kasvavan tarpeen täyttämiseksi viljelyn täytyy tulla yhä tehokkaammaksi ja automaatio on yksi mahdollisista keinoista saavuttaa tämä. Automaatio pystyy tarjoamaan täysin autonomisia maataloustyökoneita, jotka pystyvät itsenäisesti työstämään peltoa esimerkiksi kyntämällä ja kylvämällä. Peltoa työstääkseen näiden tyypillisesti epäholonomisten työkoneiden täytyy kyetä liikkumaan. Näiden liikkeiden ja toteuttamiskelpoisten reittien määrittämiseen tarvitaan reitinsuunnittelualgoritmeja. Tämän opinnäytetyön tavoitteena on löytää ja toteuttaa käännöspainotteinen reitinsuunnittelu algoritmi pelloilla työskenteleville epäholonomisille ajoneuvoille. Algoritmin tulee kyetä generoimaan toteuttamiskelpoisia reittejä reaaliaikaisesti esteet huomioiden. Ensin tutkittiin olemassa olevia tavoitteiden saavuttamiseen soveltuvia algoritmeja. Tutkimisen jälkeen kaksi lupaavaa algoritmia toteutettiin; A-algoritmi, joka täytti tärkeimmät vaatimukset ja B-algorithmi, jonka tavoitteena oli täyttää kaikki vaatimukset. A-algoritmi perustui Reeds-Shepp reitteihin siinä missä B-algoritmi hyödynsi muokattua hybrid A* toteutusta yhdistettynä numeeriseen reitin pehmennykseen. Molempia algoritmeja testattiin onnistuneesti pellolla osana kahta täysin autonomista ja reaaliaikaista traktorijärjestelmää.
Description
Supervisor
Oksanen, Timo
Thesis advisor
Oksanen, Timo
Keywords
path finding, Dubins curve, nonholonomic, agriculture, tractor, A*
Other note
Citation