Research on Grapevine Recognition, Manipulation and Winter Pruning Automation

Abstract

Lo scopo principale di questa tesi è sviluppare e testare sistemi robotici autonomi per realizzare l'identificazione e specifiche parti della pianta di vite. L’obiettivo è quello di automatizzare la potatura invernale della vite.

La potatura invernale della vite è una pratica importante in viticoltura, finalizzata a migliorare la crescita delle piante, la produttività e la qualità dei frutti in vista della stagione vendemmiale successiva. Questa pratica richiede manodopera stagionale qualificata, sempre meno disponibile in diversi distretti vitivinicoli. Inoltre, la scarsa efficienza della di potatura manuale, la rende una pratica poco adatta per l’industria vitivinicola. Per questo motivo, la potatura robotica potrebbe essere una potenziale soluzione per affrontare il problema della carenza di manodopera e degli elevati costi di gestione dei vigneti. Tuttavia, le tecnologie di potatura robotizzata comportano numerose sfide. Di conseguenza, lo scopo di questa tesi è quello di condurre una ricerca per automatizzare la potatura dello sperone, utilizzando tecniche già applicate in vigneto integrate a tecnologie robotiche e del riconoscimento dei modelli.

Tale processo di automazione comprende principalmente il rilevamento e il riconoscimento dello sperone, la determinazione e la localizzazione dei punti di potatura, la manipolazione robotica della potatura e lo sviluppo di sistemi di potatura robotica in base all'analisi tecnica del robot di potatura della vite. Tra tutti i processi, il rilevamento e al riconoscimento automatico degli speroni e la manipolazione robotica della potatura sono ancora poco studiati . Pertanto, questa tesi svolge principalmente una ricerca approfondita su questi aspetti e i contenuti specifici della ricerca sono riportati di seguito:

Il primo tema è quello di fornire linee guida gerarchiche per la traduzione del processo cognitivo umano in algoritmi per il riconoscimento automatico della vite e la potatura robotizzata. Combinazioni multiple di regole generali integrate che guidano il processo di potatura invernale con casi studio specificamente pensati hanno composto un database dedicato per lo sviluppo di un sistema di percezione per il riconoscimento dell'architettura della vite e l'identificazione di regioni e punti target di potatura.

Il secondo tema è l'integrazione di cesoie elettriche in un manipolatore robotico per eseguire autonomamente il taglio nei punti di potatura a partire dall'output della prima azione. Abbiamo proposto un nuovo framework di pianificazione "Three-phase Approach Planning" (TAP) per guidare le cesoie ad avvicinarsi ai punti di potatura. Il pianificatore di movimento progettato è altamente manipolativo per avvicinarsi con precisione ai punti di potatura target, evitando al contempo le collisioni con il cordone della vite, in modo che il robot non perturbi la pianta. In caso contrario, il robot potrebbe danneggiare le gemme dormienti, compromettendo la crescita e la produttività della vite.

Il terzo argomento è lo studio della tecnologia di controllo del taglio di potatura del robot di potatura della vite per ridurre i danni meccanici alla vite e migliorare il tasso di successo della potatura. Per ottenere un taglio di potatura interattivo simile a quello umano, abbiamo progettato un controllore conforme basato sull'apprendimento dei profili di impedenza dalla dimostrazione umana, che riduce la possibilità che la lama delle cesoie si incastri nei fili che reggono la pianta.

I principali risultati che questa tesi ha portato sono: una metodologia completa per analizzare l'operazione di potatura invernale della vite, compresi i paradigmi di percezione e manipolazione; la progettazione di uno schema generale del sistema robotico di potatura della vite con la combinazione di una piattaforma mobile e di un manipolatore robotico. Inoltre, si verifica la fattibilità e il valore nell'applicazione ingegneristica dell'intero schema del robot di potatura della vite mediante simulazioni ed esperimenti, confermando il valore pratico della tecnologia correlata nell'ingegneria.