Agricultural robotics and automation: robot collaboration for precision agriculture

Abstract

The need for an increasing agricultural production and a simultaneous decrease inpesticide and other resource usage has led to demand for new methods in agriculture.At the same time, the latest advances in robotics have popularized small autonomoussystems, such as Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and robotic rovers. These twoseemingly parallel events have contributed in the creation of a new scientific field:precision agriculture.The combination of knowledge from the fields of agriculture, geology, optics, radiocommunications and robotics has led to new approaches in cultivation, inspectionand gathering in farmlands. The most prominent aspect of precision agriculture isthe use of automated systems to gather large amounts of data, process them andproceed to localized action.In this work, the problem of resources overuse, in the form of water and pesticides,is tackled. Image processing methods are used to evaluate the health status of vegetationin great resolution, by means of multi-spectral aerial imaging, captured bya UAV. Health information is combined with positional data from the UAV to producespecific points in the field which need intervention. Path planning and obstacleavoidance methodologies are constructed, which allow a robotic rover, suitable forrough surfaces, to access these points automatically and apply the demanded resourcein a localized and economical fashion.The resulting procedure is tested in the form of a combined system, consisting of aUAV carrying a multi-spectral camera, a robotic rover and a ground control station.Experimental results are presented and discussed upon.

Η ανάγκη αύξησης της γεωργικής παραγωγής και ταυτόχρονης μείωσης της χρήσης φυτοφαρμάκων και άλλων πόρων οδήγησε στη αναζήτηση νέων μεθόδων στη γεωργία.Ταυτόχρονα, οι τελευταίες εξελίξεις στη ρομποτική επέτρεψαν την αυτονομία τέτοιων συστημάτων σε μεγάλο βαθμό. Αυτά τα δύο φαινομενικά παράλληλα γεγονότα συνέβαλαν στη δημιουργία ενός νέου επιστημονικού πεδίου: την γεωργία ακριβείας.Ο συνδυασμός γνώσεων από τους τομείς της γεωργίας, της γεωλογίας, της οπτικής, των επικοινωνιών και της ρομποτικής έχουν οδηγήσει σε νέες προσεγγίσεις στην καλλιέργεια, και τον έλεγχο των καλλιεργημένων εκτάσεων. Η πιο σημαντική πτυχή της γεωργίας ακριβείας είναι η χρήση αυτοματοποιημένων συστημάτων για τη συγκέντρωση μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων και την επεξεργασία τους ώστε να εφαρμόζεται η κατά περίπτωση θεραπεία στην καλλιέργεια.Στην εργασία αυτή, το πρόβλημα της κατάχρησης πόρων, με τη μορφή νερού και φυτοφαρμάκων, προσεγγίζεται. Οι μέθοδοι επεξεργασίας εικόνας χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της κατάστασης της υγείας της βλάστησης, μέσω της χρήσης του Κανονικοποιημένου Δείκτη Βλάστησης ο οποίος εξάγεται από φωτογραφικές λήψεις από μικρό UAV και με χρήση πολυφασματικής κάμερας. Οι πληροφορίες για την υγεία της καλλιέργειας σε συνδυασμό με δεδομένα θέσης από το UAV βοηθάνε στην εξαγωγή συγκεκριμένων σημείων μέσα στην καλλιέργεια τα οποία χρειάζονται παρέμβαση. Χρησιμοποιούνται μεθοδολογίες αποφυγής εμποδίων, οι οποίες επιτρέπουν σε ένα ρομποτικό όχημα, για αυτόνομη πλοήγηση και αποφυγή εμποδίων ώστε να μεταβεί στα σημεία που χρήζουν επέμβασης.Τα πειραματικά αποτελέσματα παρουσιάζονται και συζητούνται.