Σχεδιασμός, ανάπτυξη και εφαρμογές αυτόνομων οχημάτων στη γεωργία

Abstract

During large scale harvesting in commercial orchards bin carriers of varying capacities are used to distribute empty bins and haul full bins along orchard rows. Researchers are developing autonomous bin carriers to replace human operators and potentially increase efficiency. Also, teams of robots have been proposed and are being developed to transport manually harvested crops like strawberries and table grapes to unloading stations at the edge of the field, thus reducing or eliminating workers’ non-productive walking times. There are two important open questions regarding the operation of such teams. Given a number of such vehicles of certain capacity and a number or transport requests, what is the optimal dispatching and scheduling that would minimize the maximum time bins remain in the field? How does operation performance change as team sizes and robot capacities vary? This paper will provide some answers to these questions. A static version of the problem is modeled and solved, where at some time instant full bins/boxes at known locations must be transported to an unloading station. Important operational constraints are that robots cannot move laterally between orchard rows (due to irrigation, trellis wires, raised beds) and robots must avoid collisions and deadlocks by operating in the same row. Therefore, the solution must calculate optimal dispatching, scheduling and routing for the robots. The problem is modeled as a Split Delivery Vehicle Routing Problem (SDVRP) and is formulated as mixed integer optimization that minimizes the maximum service time for the transport jobs. Simulation experiments are performed for robot teams of different sizes, and robots with varying load capacities. Results indicate that for a fixed robot capacity, maximum service time decreases exponentially as the number of robots increases. Also, for fixed team capacity, maximum service time decreases almost linearly as the number of robots increases and individual capacity decreases. Finally, for a fixed number of robots increasing individual capacity reduces service time, albeit not monotonically.

Κατά τη διάρκεια μίας μεγάλης συγκομιδής σε εμπορικούς οπωρώνες χρησιμοποιούνται μεταφορείς κιβωτίων, διαφορετικών χωρητικοτήτων για τη διανομή και την ανάσυρση άδειων και πλήρη, αντίστοιχα, κιβωτών κατά μήκος των γραμμών του οπωρώνα. Οι ερευνητές ανέπτυξαν αυτόνομους μεταφορείς κιβωτίων με σκοπό την αντικατάσταση του ανθρώπινου δυναμικού ώστε να αυξήσουν την αποδοτικότητα. Επίσης, σε καλλιέργειες που η συγκομιδή γίνεται χειρονακτικά, όπως για παράδειγμα η συγκομιδή φράουλας και επιτραπέζιων σταφυλιών, έχει προταθεί και αναπτυχθεί η ιδέα της χρήσης ρομπότ τα οποία χωρισμένα σε ομάδες μεταφέρουν πλήρη κιβώτια των οποίων η εκφόρτωση γίνεται σε σταθμούς (αποθήκες) στην άκρη του χωραφιού. Έτσι, μειώνονται ή μπορεί και να εξαλείφονται οι μη παραγωγικοί χρόνοι, κατά τους οποίους οι εργαζόμενοι πρέπει να τα μεταφέρουν χωρίς τη χρήση κάποιου μέσου. Υπάρχουν δύο σημαντικά ερωτήματα σχετικά με τη λειτουργία των ομάδων αυτών. Λαμβάνοντας υπόψη μια σειρά τέτοιων οχημάτων ορισμένης χωρητικότητας αλλά και ενός αριθμού αιτήσεων παραλαβής κιβωτίων, ποια είναι η βέλτιστη κατανομή φορτίων και ο προγραμματισμός που θα ελαχιστοποιήσουν το μέγιστο χρόνο κατά τον οποίο τα κιβώτια παραμένουν στο χωράφι; Πώς αλλάζει η απόδοση λειτουργίας, καθώς μεταβάλλεται ο αριθμός των οχημάτων που απαρτίζουν το στόλο καθώς και οι ικανότητές τους; Η παρούσα διατριβή θα δώσει κάποιες απαντήσεις στα παραπάνω ερωτήματα. Μια στατική εκδοχή του προβλήματος διαμορφώνεται και επιλύεται, όταν σε κάποια χρονική στιγμή πλήρη κιβώτια / κουτιά σε γνωστές θέσεις πρέπει να μεταφέρονται σε ένα σταθμό εκφόρτωσης. Σημαντικοί περιορισμοί είναι ότι τα ρομπότ δε μπορούν να κινηθούν πλευρικά μεταξύ των σειρών του οπωρώνα, γεγονός που μπορεί να οφείλεται στην άρδευση, σε συρματοπλέγματα, σε αυξημένα κρεβάτια, καθώς επίσης πρέπει να αποφεύγονται οι μεταξύ τους συγκρούσεις αλλά και τα αδιέξοδα που μπορεί να εμφανιστούν κατά μήκος μίας γραμμής. Ως εκ τούτου, η λύση του προβλήματος είναι ο υπολογισμός της βέλτιστης αποστολής, ο προγραμματισμός και η δρομολόγηση των ρομπότ. Το πρόβλημα μοντελοποιείται ως ένα Split Delivery Vehicle Routing Problem (SDVRP) και διατυπώνεται ως ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης μικτού ακέραιου προγραμματισμού που ελαχιστοποιεί το μέγιστο χρόνο υπηρεσίας για τις εργασίες μεταφοράς των κιβωτίων. Τα πειράματα προσομοίωσης αφορούν ομάδες ρομπότ μεταβλητού μεγέθους, και για ρομπότ με διαφορετικές χωρητικότητες φορτίου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι για μία σταθερή χωρητικότητα, ο μέγιστος χρόνος υπηρεσίας μειώνεται εκθετικά καθώς ο αριθμός των ρομπότ αυξάνεται. Επίσης, για σταθερή χωρητικότητας ομάδας, ο μέγιστος χρόνος υπηρεσίας μειώνεται σχεδόν γραμμικά με την αύξηση του αριθμό των ρομπότ και με τη μείωση της κάθε χωρητικότητας ξεχωριστά. Τέλος, για έναν σταθερό αριθμό ρομπότ αύξηση της χωρητικότητάς του μειώνει το χρόνο υπηρεσίας, αν και η αύξηση αυτή δε γίνεται με μονότονο ρυθμό.