Navigation System for Modular Agricultural Machines using Optimal Control Methods and Industrial Standard Network

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-11-22
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
129 + app. 101
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 169/2013
Abstract
In agriculture, there is a growing demand to increase the efficiency of machinery. This has led to increasingly larger machines and an increasing usage of automation. The challenge is that there are numerous different combinations of tractors and implements and they all have to work together. The ISO 11783 standard is a widely accepted standard for realising an information exchange between the tractors and implements. The motivation for this thesis was to reduce the workload of the driver and also to improve the efficiency and accuracy of field work. This was achieved by removing the human being from behind steering wheel and letting the navigation system do the driving. Because of their size, implements are more commonly towed these days. The navigation system should also take into account the towed implement. In most commercial products, only the tractor is considered. Two specific goals were set: 1) to study a combined navigation system that is able to drive at a speed of at least 12 km/h with less than 10 cm lateral error under real field conditions; 2) to discuss and present the ways in which a decentralised and generic combined navigation system can be realised using the ISO 11783 network. The solution was to use Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) in path tracking. With NMPC, a controller can be realised that controls the motion of both the tractor and the trailer in an optimal manner. In NMPC, the reference trajectory is usually coupled with time. However, in path tracking for agricultural navigation, it is more suitable not to couple the positions of the tractor and the implement with time. Hence, the NMPC had to be modified. Also, other difficulties that arise from the usage of NMPC had to be overcome: the NMPC needs an accurate estimate of the state, so an optimal state estimator that merges the local and global position measurement was developed. Semi-automatic tuning methods were developed for tuning and configuring the numerous parameters needed for combined navigation. The reference path should be feasible, so a feasible path planning algorithm was developed. Additionally, a collision avoidance method was developed and incorporated within the NMPC. The results of the field tests show that the goals were met. The accuracy of the navigation system is within the given limits. The system is also able to complete the field work without human intervention, including making headland turnings and avoiding electricity poles. The required information on combined navigation has been illustrated based on the case studies. It is possible to build system based on the ISO 11783 standard and distribute sensors and actuators.

Maataloudessa on edelleen kasvava tarve tehostaa työkoneiden käyttöä. Kehitys on johtanut yhä suurempiin työkoneisiin ja enenevässä määrin automaation käyttöön. Haasteena on, että sekä traktorien että työkoneiden valmistajia on suuri määrä. Koneiden yhteensopivuutta ratkaisemaan on kehitetty ja yleisesti hyväksytty ISO 11783 standardi, joka määrittelee tiedonsiirron traktorin ja työkoneen välillä. Työn motivaationa oli vähentää kuljettajan työmäärää sekä tehostaa ja tarkentaa peltotyötä. Tämä saavutettiin korvaamalla ihmisen ohjaus automaattisella navigointijärjestelmällä. Koska työkoneiden koko kasvaa, ne ovat yhä useammin hinattavia. Nykyiset kaupalliset navigointijärjestelmät eivät ota hinattavia työkoneita huomioon. Vaatimusten saavuttamiseksi asetettiin kaksi tavoitetta: 1) tutkia ja kehittää navigointijärjestelmää, joka kykenee alle 10 cm työkoneen sivuttaisvirheeseen vähintään 12 km/h työnopeudella todellisissa pelto-olosuhteissa. 2) Pohtia ja esittää menetelmiä, joilla hajautettu ja yleinen yhdistetty navigointijärjestelmä voidaan toteuttaa käyttäen standardin ISO 11783 määrittelemää tiedonsiirtoa. Ratkaisu oli käyttää epälineaarista malliprediktiivistä säädintä (NMPC) polun seurantaan. NMPC:tä käyttäen on mahdollista tehdä säädin, joka ohjaa sekä traktoria että työkonetta optimaalisella tavalla. NMPC:ssä referenssi on kuitenkin aikaperusteinen trajektori ja polunseurannassa referenssi ei ole sidottu aikaan. Muutoksia säätimeen oli tehtävä. Myös muita ongelmia, jotka aiheutuivat NMPC:n käytöstä, ratkaistiin: NMPC tarvitsee systeemistä tarkan tilaestimaatin, joten luotiin optimitilaestimaattori yhdistämään paikalliset ja globaalit paikanmittaukset. Järjestelmässä on suuri määrä asetettavia parametreja, joten puoliautomaattinen viritysjärjestelmä kehitettiin. Referenssipolun tulisi olla toteutettavissa oleva, joten rajoitukset huomioiva polunsuunnittelualgoritmi kehitettiin. Myös NMPC:hen yhdistetty esteiden väistö kehitettiin. Peltotestit osoittivat että kaikki tavoitteet saavutettiin. Navigointijärjestelmän tarkkuus oli sallituissa rajoissa ja järjestelmä kykeni toteuttamaan kokonaisen peltotyön ilman ihmisen puuttumista ohjaukseen, mukaan lukien sähkötolppien väistön. Esimerkkitapauksiin perustuen tarvittavan siirrettävän informaation määrä yhdistetyssä navigoinnissa havainnollistettiin. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että on mahdollista toteuttaa yhdistetty navigointijärjestelmä perustuen ISO 11783 standardiin ja hajauttaa mittaukset ja toimilaitteet väylälle.
Description
Supervising professor
Visala, Arto, Prof., Aalto University, Department of Automation and Systems Technology, Finland
Thesis advisor
Oksanen,Timo, D.Sc., Aalto University, Department of Automation and Systems Technology, Finland
Keywords
implement guidance, path tracking, nonlinear model predictive control, collision avoidance, software architecture, simulation, tuning, state estimation, työkoneen navigointi, polun seuranta, epälineaarinen malliprediktiivinen säädin, esteen väistö, ohjelmistoarkkitehtuuri, simulointi, virittäminen, tilan estimointi
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Backman J, Oksanen T, Visala A. (2012). Navigation System for Agricultural Machines: Nonlinear Model Predictive Path Tracking. Computers and Electronics in Agriculture. 82, 32-43.
  • [Publication 2]: Backman J, Oksanen T, Visala A. (2010). Nonlinear model predictive trajectory control in tractor-trailer system for parallel guidance in agricultural field operations. In Proc. Agricontrol 2010, IFAC International Conference. Kyoto, Japan, December 6-8.
  • [Publication 3]: Backman J, Oksanen T, Visala A. (2009). Parallel guidance system for tractor-trailer system with active joint. In Proc. Joint International Agricultural Conference (JIAC 2009). Wageningen, the Netherlands, July 6-7.
  • [Publication 4]: Backman J, Oksanen T, Visala A. (2013). Applicability of the ISO 11783 network in a distributed combined guidance system for agricultural machines. Biosystems Engineering. 114, 306- 317.
  • [Publication 5]: Backman J, Kaivosoja J, Oksanen T, Visala A. (2010). Simulation Environment for Testing Guidance Algorithms with Realistic GPS Noise Model. In Proc. Agricontrol 2010, IFAC International Conference. Kyoto, Japan, December 6-8.
  • [Publication 6]: Backman J, Oksanen T, Visala A. (2011). Semi-automatic Tuning of NMPC Based Trajectory Control System in Agricultural Machine. In Proc. 18th IFAC World Congress. Milano, Italy, August 28-September 2.
  • [Publication 7]: Backman J, Oksanen T, Visala A. (2012). Path Generation Method with Steering Rate Constraint. In Proc. 11th International Conference on Precision Agriculture. Indianapolis, Indiana USA, July 15-18.
  • [Publication 8]: Backman J, Oksanen T, Visala A. (2013). Collision Avoidance Method with Nonlinear Model Predictive Trajectory Control. In Proc. Agricontrol 2013, IFAC International Conference. Helsinki, Finland, August 28-29.
  • [Publication 9]: Backman J, Oksanen T, Visala A. (2013). Front Wheel Skidding Compensation System in Snow Ploughing. In Proc. Agricontrol 2013, IFAC International Conference. Helsinki, Finland, August 28-29.
Citation