Safety system for agricultural robot

Abstract

Development of autonomous robots requires strict demands to safety, as robots are able to do severe damage. In order for the NMBU-developed mobile agricultural robot, Thorvald, to work autonomously on the fields, a safety system must be in place. This system must, above all, make sure the robot does not kill, or injure humans. In this thesis, a safety system for Thorvald is designed. Various sensor technologies, applicable controllers and safety systems applied in other robotic platforms are studied. A set of system requirements is formulated. The suggested system is layer-based, specifically consisting of four layers, working independently. Layer 1 uses both 2D and 3D-LIDARs for navigation and obstacle avoidance, while layer 2 stops the robot, if a separate 2D-LIDAR senses an object within thirty centimeters of the front of the robot. In case of a collision while Thorvald is equipped with heavy or sharp tools, layer 3 stops the robot at impact, by the use of safety edges. Layer 4 gives humans the possibility to override the system with an emergency stop button. Furthermore, a case study is conducted, as a start of developing layer 2 of the safety system. The selected 2D-LIDAR is connected to an Arduino. A C++ program is written and run on the Arduino. As a substitute for motor control, the Arduino gives commands to a LED light that lights up when an object is too close. Both the scanner and program worked as intended.

Utvikling av autonome roboter stiller strenge krav til sikkerhet. For at NMBUs selvkjørende landbruksrobot, Thorvald, skal kunne arbeide selvstendig på jordet, må et sikkerhetssystem være implementert. Dette systemet må først og fremst sørge for at roboten ikke dreper eller skader mennesker. Hovedmålet med denne oppgaven er å designe et sikkerhetssystem for Thorvald. Ulike sensorteknologier, egnede kontrollere, og sikkerhetssystemer fra andre robottyper blir studert. I tillegg formuleres en rekke krav som sikkerhetssystemet må oppfylle. Sikkerhetssystemet som blir utarbeidet har en lagstruktur og består av fire uavhengige sikkerhetslag. Det første laget bruker både 2D- og 3D-laserskannere (LIDAR) for å navigere og unngå å kjøre på hindringer. Lag nummer to sørger for at roboten stanser hvis en hindring dukker opp mindre enn tretti centimeter fra robotens front: dette ved hjelp av en enkeltstående 2D-LIDAR. Dersom en kollisjon likevel skulle inntreffe mens Thorvald er utstyrt med tungt eller skarpt utstyr, vil sikkerhetslag 3 stoppe roboten ved hjelp av en støtfangersensor. Lag fire, i form av en nødstopp-knapp, åpner for menneskelig kontroll. Videre utføres en case study, som en start på utviklingen av sikkerhetslag to. Her blir en 2D-LIDAR, koblet til en Arduino. Videre skrives et C++-program som blir kjørt på Arduinoen. Som en erstatning for motorkontroll, sender Arduinoen signaler til et LED-lys, som lyser når et objekt kommer for nært. Både skanner og program fungerer som det skal.