dissertação
Navegação odométrica assistida por sistema de posicionamento global para agricultura de precisão
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Universidade Federal de Lavras
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Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas e Automação
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Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA)
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Resumo
Atualmente, a navegação de veículos agrícolas é quase que exclusivamente dominada pelos sistemas de navegação global por satélites (GNSS), em especial, o sistema de posicionamento global (GPS). No entanto, quando da existência de requisitos de posição submétrica, típicos da chamada "agricultura de precisão", esta tecnologia não se mostra financeiramente acessível aos pequenos e médios agricultores, os quais correspondem a mais de 80% dos agricultores do Brasil (agricultura familiar). A principal causa dessa inacessibilidade reside no alto custo dos aparelhos GNSS utilizados, os quais se baseiam em técnicas diferenciais e relativas avançadas. A despeito dos GNSS, a navegação veicular também pode ser obtida por meio de outras tecnologias, a exemplo dos sistemas de navegação inercial (INS), câmeras, radares, odômetros, etc. É sabido que a navegação odométrica, em particular, tem baixo custo e fornece alta precisão de posicionamento no curto prazo, resultando, contudo, em erros acumulativos, os quais crescem rapidamente à medida que o veículo se desloca. Este comportamento inviabiliza a utilização de apenas a navegação odométrica em veículos terrestres sujeitos a requisitos de posicionamento submétrico. Apesar disso, a odometria pode servir como tecnologia de navegação base (e complementar) aos GNSS, os quais, ao contrário da primeira, apresentam boa exatidão de posicionamento no longo prazo. Este trabalho tem por objetivo propor, simular, testar e avaliar a integração/fusão sensorial da navegação odométrica com o GPS, para fins de posicionamento submétrico de veículos terrestres, em especial os agrícolas. Como principal contribuição deste trabalho, são comparadas duas das principais técnicas de integração odometria/GPS, a saber, as topologias fracamente acoplada e fortemente acoplada, ambas implementadas com base em um filtro de Kalman estendido (EKF). Resultados simulados e experimentais, concebidos no software MATLAB®, são apresentados e analisados, indicando a funcionalidade, efetividade e robustez das topologias de navegação integradas propostas. Como contribuição adicional do trabalho, uma avaliação da degradação do desempenho das soluções de navegação investigadas é proposta em função do uso da odometria nas rodas tracionadas e não tracionadas do veículo. De forma geral, para o erro de posicionamento horizontal, a integração fracamente acoplada desempenha 1,15 vezes melhor para o acoplamento em rodas não tracionadas, enquanto a integração fortemente acoplada desempenha cerca de sete vezes melhor para o acoplamento em rodas tracionadas e re-sintonia da matriz Q.
Abstract
Nowadays, agricultural vehicle navigation is almost exclusively dominated by global navigation satellite systems (GNSS), in particular, the global positioning system (GPS). However, when there are submetric position constraints, typical of the so-called "precision agriculture", this technology is not financially accessible to small and medium farmers, who correspond to more than 80% of farmers in Brazil (family farming). The main cause of this inaccessibility lies in the high cost of the employed GNSS devices, which are based on advanced differential and relative techniques. Despite GNSS, vehicular navigation can also be achieved through other technologies, such as inertial navigation systems (INS), cameras, radars, odometers, etc. It is known that odometric navigation, in particular, provides high precision in the short-term, but it presents cumulative errors that rapidly increase as the vehicle moves. This hinders the use of only odometric navigation for terrestrial vehicles subject to submetric positioning constraints. Despite this, odometry can serve as a base (and complementary) navigation technology to GNSS, which, unlike the former, provides good positioning accuracy in the long-term. This work aims at proposing, simulating, testing and evaluating the sensor fusion/integration of odometric navigation with GPS, for the purpose of submetric positioning of land vehicles, especially agricultural ones. As the main contribution of this work, two of the main odometry/GPS integration techniques are compared, namely, the loosely coupled and tightly coupled topologies, both implemented in the framework of an extended Kalman filter (EKF). Simulated and experimental results, conceived in MATLAB® software, are presented and analyzed, indicating the functionality, effectiveness and robustness of the proposed integrated navigation topologies. As an additional contribution of the work, an evaluation of the degradation of the performance of the investigated navigation solutions is proposed as function of the use of odometry in the tractioned and not tractioned wheels of the vehicle. In general, the loosely coupled integration performs better for the coupling on non-tractioned wheels, whereas the tightly coupled integration, for the coupling on tractioned wheels.
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PEREIRA, V. H. L. Navegação odométrica assistida por sistema de posicionamento global para agricultura de precisão. 2022. 103 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Automação) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2022.