PANDORA : robô com controle ativo de estabilidade para aplicações agrícolas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fernandes, Hugo Rafacho, 1984-
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/5175
Resumo: Orientador: Angel Pontin Garcia
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spelling PANDORA : robô com controle ativo de estabilidade para aplicações agrícolasPANDORA : robot with active stability control for agricultural applicationsRobôsRobos - Sistemas de controleAgricultura de precisãoEngenharia agricola - AutomaçãoRobotsRobots - Control systemsPrecision agricultureAgricultural engineering - AutomationOrientador: Angel Pontin GarciaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia AgrícolaResumo: Máquinas agrícolas terrestres transitam em terrenos não estruturados, ou seja, terrenos cujas condições não se pode prever com exatidão ao longo de seu deslocamento. Tal característica restringe a aplicação de robôs em campo, uma vez que a estabilidade pode ser comprometida por sua interação com o terreno. Por não contar com um operador observando, prevendo e controlando a interação do veículo com o terreno, um robô deve ser dotado da habilidade de lidar com as imprevisibilidades provocadas pela interação com o terreno, tarefa esta que era antes executada pelo operador. Dada a relevância do tema, o presente trabalho faz uma análise da estabilidade de veículos autônomos no âmbito agrícola e propõe uma plataforma com controle de estabilidade para tráfego em terrenos não estruturados. Inicialmente, faz-se uma revisão da literatura sob o ponto de vista da estabilidade e apresentam-se critérios para o projeto e seleção de robôs agrícolas no que diz respeito à estabilidade. Em geral, observa-se que a literatura não priorizou o tema até o presente momento, focando nas demais atividades necessárias para a viabilidade de robôs em campo, como navegação, controle de ervas daninhas e tratos culturais. Porém, a não observância do tema limita a aplicabilidade de robôs agrícolas a terrenos mais regulares, coesos e com declividades mais baixas, uma vez que esses robôs não apresentam um sistema de suspensão capaz de lidar com a variabilidade imposta por terrenos que fogem a estas condições e que são comumente encontrados no campo. Em seguida, propõe-se um projeto de veículo que possibilite o controle de estabilidade e altura de trabalho da plataforma. A estabilidade estática da estrutura proposta é avaliada a partir da inclinação máxima do plano de contato das rodas rotacionado em torno dos eixos principais da estrutura para dois cenários distintos: sem a variação dos ângulos das pernas e mediante a variação destes visando o incremento da estabilidade. Observou-se um ganho de estabilidade em todos os cenários em que houve alteração dos ângulos entre as pernas e o chassi, sendo o ganho obtido para o caso de rolagem o mais representativo (87,5% em relação ao caso similar com ângulos fixos), indicando que o controle adequado pode trazer um ganho significativo na estabilidade do veículo ao trafegar em terrenos não estruturados. Por fim, é apresentada uma proposta de controlador para garantir a estabilidade da plataforma, na qual é utilizado o modelo cinemático da estrutura, o critério de estabilidade estática e um estimador do plano de contato das rodas com o solo. Tal controlador foi submetido à testes em três cenários distintos: perfil do solo senoidal com deslocamento perpendicular, perfil do solo senoidal com deslocamento diagonal e perfil do solo em aclive, cuja angulação foi de 26,56°, com deslocamento lateral. Na maioria dos casos a raiz do erro médio quadrado (RMSE) foi menor em comparação ao cenário similar sem o controle de estabilidade, em especial para os casos de rolagem da plataforma nos quais a diferença foi de 65,45% para o segundo cenário e 99,21% para o terceiro cenário. Tais resultados sugerem que a estabilidade é um fator relevante a ser controlado na utilização de veículos autônomos na agricultura e a abordagem apresentada é eficaz no controle da estabilidade para o veículos propostoAbstract: Agricultural ground machines move on unstructured terrains, that is, terrains whose conditions cannot be accurately predicted throughout their route. Such characteristic restricts the use of robots in the field since stability can be compromised by their interaction with the terrain. Due to the lack of a person observing, predicting, and controlling the interaction of the vehicle with the terrain, a robot must have the ability to deal with the unpredictability caused by its interaction with the terrain, a task that was previously performed by the operator. Given the relevance of the topic, the present work analyzes the stability of autonomous vehicles in the agricultural field and proposes a platform with stability control for traffic on unstructured terrains. Initially, a review of the literature is carried out from the point of view of stability and criteria for the design and selection of agricultural robots regarding stability are presented. In general, it is observed that the literature has not prioritized the topic so far, but has focused on other activities necessary for the viability of robots in the field, such as navigation, weed control, and agricultural tasks. However, this limits the applicability of agricultural robots to more regular, firm terrains and with lower slopes, since these robots do not have a suspension system capable of dealing with the variability imposed by terrains that escape these conditions, which are commonly found in the field. Then, a vehicle project that allows the control of the stability and working height of the platform is proposed. The static stability of the proposed structure is evaluated from the maximum inclination of the contact plane of the wheels rotated around the main axes of the structure for two different scenarios: without the variation of the angles of the legs and with their variation in order to increase stability. A stability gain is observed in all scenarios in which there is a change in the angles between the legs and the chassis, with the gain obtained for the roll case being the most relevant one (87.5% in relation to the case with fixed angles), indicating that adequate control can bring a significant gain in vehicle stability when traveling on unstructured terrains. Finally, a controller proposal is presented to guarantee the platform's stability, in which the kinematic model of the structure, the static stability criterion, and a terrain estimator are employed. Such controller is tested in three different scenarios: sinusoidal profile with perpendicular displacement, sinusoidal profile with diagonal displacement, and slope profile, whose angulation is 26.56°, with lateral displacement. In most cases, the root mean square error (RMSE) is smaller compared to the scenario without stability control, especially for the platform roll cases where the difference is 65.45% for the second scenario and 99.21% for the third scenario. Such results suggest that stability is a relevant factor to be controlled in the use of autonomous vehicles in agriculture and the presented approach is effective in controlling stability for the proposed vehiclesDoutoradoMáquinas AgrícolasDoutor em Engenharia AgrícolaCAPES88882.434674/2019-01[s.n.]Garcia, Angel Pontin, 1978-Torres, Clayton JoseAlbiero, DanielPaiva, Ely Carneiro deMolin, José PauloUniversidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia AgrícolaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia AgrícolaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFernandes, Hugo Rafacho, 1984-20222022-05-13T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (77 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/5175FERNANDES, Hugo Rafacho. PANDORA: robô com controle ativo de estabilidade para aplicações agrícolas. 2022. 1 recurso online (77 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/5175. 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