Architettura dei Robot Agricoli*

I. Introduzione

Per architettura si intende l'organizzazione di un sistema, definita dalla strutturazione dei suoi componenti e dalle loro interazioni. Per un robot agricolo, un approccio intuitivo consiste nell'assimilarlo a un essere umano, in particolare all'agricoltore che svolge le sue mansioni manualmente con strumenti. Questa analogia aiuta a comprendere le funzioni che il robot deve riprodurre in modo automatizzato.

In questo articolo, ci concentriamo specificamente sull'architettura di un robot agricolo. In un primo momento, evidenzieremo i diversi blocchi funzionali che compongono un tale robot, avvicinandoli agli organi e alle funzioni di un agricoltore. In un secondo momento, proporremo un'architettura software che possa servire da base per la progettazione di robot agricoli.

II. Analogia con l'essere umano

Una delle missioni principali di un robot agricolo è quella di riprodurre, o addirittura migliorare, il compito agricolo che un agricoltore realizzerebbe manualmente. Utilizzare l'essere umano come base di riflessione per la progettazione dell'architettura di un robot agricolo appare quindi sia logico che pertinente.

Un agricoltore, nell'esercizio del suo compito agricolo, ad esempio il diserbo con un machete, può essere percepito come un sistema costituito da diversi blocchi funzionali che interagiscono tra loro per svolgere il compito con precisione. Questi blocchi possono essere descritti nel seguente modo:

Il corpo umano: costituisce la base meccanica su cui poggiano gli altri elementi del sistema, così come l'attrezzo agricolo utilizzato (qui il machete). Lo chiameremo il vettore.
I muscoli: assicurano il movimento delle diverse parti del corpo, come i piedi, le mani o le braccia. In un robot, questo ruolo è svolto da motori, cilindri e altri dispositivi di azionamento. Si parlerà di attuatori.
Gli organi sensoriali: gli occhi, l'udito o il tatto permettono all'agricoltore di percepire il suo ambiente. In modo analogo, i sensori di un robot forniscono le informazioni necessarie per comprendere il suo ambiente di lavoro. Si tratta dei sensori.
Il cervello: Si tratta dell'unità di controllo. Svolge un ruolo centrale di coordinamento. Prima dell'operazione, pianifica il compito da realizzare; durante l'esecuzione, raccoglie le informazioni provenienti dai sensori, definisce i movimenti appropriati, analizza il lavoro svolto e aggiusta le azioni se necessario. Questo blocco è generalmente scomposto in diversi sottomoduli, formando quella che si chiama l'architettura software.

In sintesi, un robot agricolo può essere modellato come un sistema composto da quattro blocchi principali:

un vettore meccanico, che serve da supporto agli altri componenti e all'attrezzo agricolo;
un blocco di attuatori, che assicura il movimento;
un blocco di sensori, che permette la percezione dell'ambiente e del robot;
un'unità di controllo, che orchestra l'intero processo.

Nel seguito, ci concentreremo più particolarmente sull'architettura software, che dettaglia l'organizzazione interna dell'unità di controllo.

III. Architettura software di un robot agricolo

L'architettura software permette di rappresentare l'organizzazione interna dell'unità di controllo di un robot agricolo. La Figura 1 qui sotto illustra l'architettura software proposta, che si compone dei seguenti blocchi:

Blocco di percezione: raggruppa gli algoritmi incaricati di trattare i dati provenienti dai sensori al fine di costruire una rappresentazione dell'ambiente in cui si muove il robot, stimando al contempo la sua posizione in tale ambiente. In ingresso, questo blocco riceve le informazioni fornite da diversi sensori (immagini, posizione GPS, dati LIDAR, ecc.). In uscita, fornisce una modellazione dell'ambiente (ad esempio, la localizzazione delle piante di interesse e delle infestanti) nonché la posizione e l'orientamento del robot.
Blocco di pianificazione: riceve le informazioni provenienti dal blocco di percezione (ad esempio, la posizione attuale del robot) e le confronta con l'obiettivo definito nella missione globale (come seguire una traiettoria predefinita). In uscita, questo blocco genera un comando d'azione espresso sotto forma di uno scarto residuo tra la situazione attuale del robot e l'obiettivo da raggiungere (scarto laterale e angolare rispetto alla traiettoria).
Blocco di comando: traduce il comando d'azione in comandi elementari comprensibili dagli attuatori (ad esempio, velocità dei motori). Questi ultimi eseguono quindi le azioni necessarie per correggere la traiettoria e svolgere il compito.
Blocco di supervisione: orchestra l'esecuzione dei diversi algoritmi degli altri blocchi e controlla l'andamento globale della missione. Analizza metriche chiave, come l'errore laterale di tracciamento o il rispetto dei limiti dell'area di lavoro (geofencing), e può decidere di interrompere la missione in caso di problema. Questo blocco può anche trasmettere informazioni a un'interfaccia utente (computer, tablet, ecc.), permettendo all'operatore di seguire l'evoluzione della missione e, se necessario, di prendere decisioni correttive.

Figura 1: Architettura di un robot agricolo

Architettura di un robot agricolo: l'hardware riprende quello di un trattore classico, arricchito di sensori e di un'unità di controllo che permette l'automazione. La parte software gestisce la robotizzazione orchestrando i diversi moduli e gli scambi di informazioni. Infine, i terminali di supervisione permettono all'utente di seguire, valutare e intervenire nella missione.

L'hardware riprende quello di un trattore classico, arricchito di sensori e di un'unità di controllo che permette l'automazione. La parte software gestisce la robotizzazione orchestrando i diversi moduli e gli scambi di informazioni. Infine, i terminali di supervisione permettono all'utente di seguire, valutare e intervenire nella missione.

IV. Conclusione

Per concludere, un robot agricolo è un trattore convenzionale a cui si aggiungono sensori per la percezione dell'ambiente e la localizzazione, nonché un'unità di controllo che, grazie ai suoi diversi blocchi software, permette di calcolare i comandi da inviare agli attuatori per svolgere i compiti agronomici come farebbe un essere umano.

*: Le informazioni tecniche presentate in questo articolo sono fornite a titolo indicativo. Non sostituiscono le istruzioni ufficiali dei produttori. Prima di qualsiasi installazione, manipolazione o utilizzo, si prega di consultare la documentazione del prodotto e rispettare le istruzioni di sicurezza. Il sito Torque.works non può essere ritenuto responsabile per un uso inappropriato o un'interpretazione errata delle informazioni fornite.