Desenvolvimento de um sistema de planejamento de trajetória para veículos autônomos agrícolas

Abstract

O objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema de navegação global para que veículos agrícolas autônomos possam executar missões em campos de cultivo através de um sistema de planejamento de trajetórias. Missões podem ser entendidas como sendo tarefas (p.ex.: de monitoramento, coleta de amostras, etc.) através de pequenas rotas que os veículos devem seguir ao longo de seus trabalhos diários, percorrendo a menor distância possível entre os pontos de origem e destino. O planejamento de trajetória foi dividido em etapas para facilitar o entendimento de cada uma delas. O mapeamento apresentado neste trabalho foi feito em regiões de cultivo de café nos estados de São Paulo e Minas Gerais. Os pontos do mapa foram amostrados utilizando um módulo receptor de sinal GPS (Global Positioning System) ao longo dos caminhos onde é possível a passagem do veículo dentro da plantação. Uma etapa importante para o sucesso deste sistema é a etapa de pré- processamento dos dados. Nesta etapa são inseridas as relações entre os pontos do mapeamento da área. As missões foram pré-definidas de modo a testar o cálculo do caminho de custo mínimo que é realizado através do algoritmo de Dijkstra. A cada ponto da rota é fornecido o ângulo de direção com o qual o veículo deve estar em relação ao Norte geográfico. De acordo com a mudança pretendida do ângulo de direção é proposta uma suavização nesta mudança através da alteração do percurso para um arco de circunferência. Neste caso, o raio de giro é informado. A última etapa consiste em fornecer a velocidade máxima de deslocamento do veículo em função da mudança de direção e velocidade angular máxima do centro de massa do veículo. O sistema proposto neste trabalho foi capaz de determinar o caminho com a menor distância entre dois pontos do mapeamento (coordenadas geográficas) e o calcular da distância entre os pontos. Embora a fórmula utilizada para calcular a distância entre duas coordenadas geográficas considerar o formato da Terra como sendo uma esfera, isto não gerou erro significativo para a aplicação proposta. A suavização proposta possibilitou, em alguns pontos, o aumento da velocidade de deslocamento por fazer a mudança do ângulo de direção de forma menos abrupta.

The objective of this work is to develop a global navigation system for autonomous agricultural vehicles can perform missions in crop fields through a system of path planning. Missions can be understood as tasks (eg monitoring, sampling, etc.). Through small routes that vehicles must follow throughout their daily jobs, traveling the shortest possible distance between the points of origin and destination. The path planning was divided into steps to make it easy to understand each one. The mapping presented in this work was done in coffee-growing regions in the state of São Paulo and Minas Gerais. The map points have been sampled using a GPS receiver module along the path where it is possible to move the vehicle within the plantation. An important step for the success of this system is the data pre-processing step. In this step are inserted the relations between the points of the mapping. The missions are predefined in order to test if the calculation of the minimum cost path made by Dijkstra algorithm is correct. At each point of the route is given the vehicle heading angle (vehicle position towards the geographic North). According to the intended change of the heading angle is proposed a smoothing method to smooth this change by changing the route to an arc. In this case, the turning radius is reported. The last step is to provide the maximum speed of the vehicle due to the change of direction and maximum angular speed of the center of mass. The system proposed in this paper was able to determine the path with the shortest distance between two points of the mapping (geographic coordinates) and calculate the distance between these points. Although the formula used to calculate the distance between two geographical coordinates consider the shape of the Earth as a sphere, this did not generate significant errors for the proposed application. The proposed smoothing allowed, in some cases, to increase the vehicle speed by making the change of heading angle less abrupt.