The development of an autonomous docking system for charging of the agricultural robot, Thorvald

Abstract

While the population growth continues at a steady pace, so does the need for increased food production. With an estimated population of nearly ten billion people within 2050, food production in agriculture has to remain of great focus. The development of mobile robots that can increase the yield and reduce the footprint of big machines is an important contribution to the prevention of possible future food shortages. The Thorvald concept considers an electric versatile robot platform that is lightweight and can perform various agricultural tasks. However, for the robot to operate on its own, it is desired to develop autonomous functionality that requires minimal human interaction. The main goal for this master thesis has been to develop a navigation system that allows the robot to autonomously recharge. From an arbitrary point in an operational environment, Thorvald needs to navigate to its charging station, enter it, and align with the charger. This report presents the planning, investigation, research, development, and validation of an autonomous navigation system for charging of Thorvald. The first part of the report provides the reader with background information and an introduction to the Thorvald concept. Then, the purpose of the thesis is presented before the development process is explained step by step. The initial phase of the development involved investigation and planning. A comprehensive plan was constructed to provide an overview and to ensure steady progression during the development. IPD, Integrated Product Development, was alongside several design methods with roots in this philosophy, used to develop the system. Among these methods were Pugh’s method for specification and selection, an extraction from the SCAMPER method, and a modified version of the Waterfall method. Existing solutions were investigated in search of inspiration for the docking system. Important aspects of autonomous navigation were revealed and used as guidelines to determine the system specifications. Also, to ensure rigorous evaluation of these specifications, a literature review was conducted. During this review, important knowledge about relevant theoretical principles and technology was obtained. Based on the system goals and specifications, concepts were generated for the various components of the system. The concepts were then evaluated based on the system criteria that were determined through the specification and assessed in a selection process. Pugh's weighted matrices were used to converge into an optimal solution to the problem. However, in a selection of concept for the detection of the charging station and the dock, two of the generated concepts were inseparable. Hence, small-scale experiments were conducted for each of the two concepts to determine which was better. Results from these experiments were used to create a survey that was sent to people with experience in navigation of mobile robots and sensor technology. Feedback from the survey led to a third small-scale experiment, which helped select a final concept. Multiple design iterations and re-evaluations led to adjustments and improvements of the system specifications before a final solution was proposed. The proposed solution included a concept for detection, an algorithm for the generation of waypoints, a pose regulator for motion control, and a module for state estimation as a complete system for autonomous docking of Thorvald. Virtual and real-world experiments of the developed system were conducted to validate the various system components. Results from these experiments and important moments of the development process were used as a basis for the discussion and conclusion in the final parts of the report. Not directly presented in the report is the software developed for the function. The software was developed according to a framework named ROS and was simulated and improved continuously throughout the development process through the utilization of several digital tools.

Samtidig som befolkningen stadig øker, øker også behovet for matproduksjon. Med en estimert befolkning på nærmere 50 milliarder mennesker i 2050, må det fokuset som er rettet mot matproduksjon i landbruket opprettholdes. Utviklingen av mobile roboter som kan øke utbytte og redusere avtrykkene fra store maskiner er en viktig bidragsyter i forhindringen av potensiell matmangel. Thorvald omhandler en allsidig, elektrisk robot plattform som både veier lite og som kan utføre en rekke oppgaver i jordbruket. Dog, for at roboten skal kunne operere på egenhånd så er det ønskelig å utvikle funksjonalitet som kan minimere behovet for menneskelig kontakt. Hovedmålet i denne masteroppgaven var å utvikle et navigasjonssystem som gjør det mulig for roboten å lade autonomt. Det vil si at Thorvald, fra et vilkårlig punkt, skal kunne navigere seg selv til sin ladestasjon, entre den og plassere seg ved siden av laderen. Denne rapporten beskriver utredningen og utviklingen av et autonomt navigasjonssystem for lading av Thorvald. Den første delen av rapporten gir leseren bakgrunnsinformasjon og introduserer konseptet rundt Thorvald. Deretter blir hensikten med prosjektet presentert før utviklingen av navigasjonssystemet blir beskrevet steg for steg. I første fase av utviklingen ble det gjort det gjort et dykk i eksisterende litteratur innen navigasjon for mobile roboter. Deretter ble en plan laget for prosjektet med hensikt å få oversikt over prosessen samt sørge for progresjon i arbeidet. Integrert produktutvikling, IPD, ble brukt sammen med flere ulike designmetoder for å utvikle systemet. Blant disse var Pughs metode for spesifisering og seleksjon, et utdrag fra SCAMPER, samt en modifisert versjon av Waterfall for programvareutvikling. Eksisterende løsninger ble brukt som inspirasjon for den autonome «docking-funksjonen» til Thorvald. Et dypere dykk i litteraturen avduket viktige momenter for autonom navigasjon som ble brukt i spesifiseringen av funksjonen. For å sørge for tilstrekkelig kvalitet på vurderingen av spesifikasjonene ble det også gjennomført en litteraturstudie der relevant teori og teknologi for prosjektet ble redegjort for. Basert på systemmål og spesifikasjoner ble det generert konsepter for de ulike delene av systemet. Konseptene ble deretter evaluert med hensyn til ulike kriterier som ble bestemt sammen med systemspesifikasjonene. Pughs seleksjonsmatrise ble her tatt i bruk for å selektere den mest passende løsningen. Dog endte en seleksjon for deteksjonskonsepter opp med to konsepter som tilsynelatende var veldig passende, og det ble derfor gjennomført små eksperimenter for å evaluere ytterligere. Resultatene fra disse eksperimentene ble så brukt til å lage en eksperttest som ble sendt ut til personer med erfaring innen sensorteknologi og med navigasjon av mobile roboter. Tilbakemeldinger fra testingen førte til et tredje eksperiment som videre la grunnlaget for den valgte løsningen. Et større antall designiterasjoner førte til justeringer og forbedringer av konseptene før én løsning ble bestemt. Den foreslåtte løsningen bestod av et konsept for deteksjon, en algoritme for generering av rute, en kontroller og et forslag til lokaliseringsmodul som del av et komplett system for autonom docking. Virtuelle og reelle eksperimenter ble gjennomført for den utviklede løsningen for å validere de ulike systemkomponentene. Resultatene ble, sammen med momenter fra utviklingsprosessen, brukt som grunnlag i en endelig diskusjon og konklusjon for prosjektet. Det som ikke direkte er gjort rede for i rapporten er programvaren, som ble utviklet i samsvar med rammeverket ROS, og som kontinuerlig ble testet og forbedret gjennom utviklingen ved bruk av digitale verktøy.