Smart electrostatic crop spraying using remote sensing technology

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University LondonFor this thesis, smart spraying robot was designed, constructed and tested to validate the concept of smart pest control. Electrostatic charging of sprayed pesticide was realized in a spray nozzle design that improved plant coverage and reduced wasted pesticide as well as soil pollution. A thorough investigation into electrostatic spraying was conducted, which was accompanied by extensive simulations and experimentation. The results obtained from the simulation experimentation on industry standard electrostatic spray system (ESS) nozzles along with laboratory testing of these nozzles, detecting spray coverage using water sensitive paper and additional optical spray visualization methods gave the necessary insight and experience required to develop a new spray nozzle. Additional COMSOL simulation and experimentation were carried out on a Fan Hydraulic Spray Nozzle (FHSN), the results of which allowed for the effective addition of electrostatic induction capabilities, thereby transforming the (FHSN) into Electrostatic Induction Spray Nozzle (EISN) which is one of the prime parts of the smart spraying system. SOLIDWORKS software was used in the designing parts of this nozzle which were then manufactured using a 3D printer. An AL05D robotic manipulator and a TTRK tracked platform from Lynxmotion ™ were the mini mobile robot components selected for the feasibility study of the smart electrostatic crop spraying system. This mobile robot was equipped with a CCD digital camera, a range detector, and path mark detector to provide the necessary sensors required by the smart electrostatic spray system. A Windows™ based mobile computer in addition to an ARDUINO™ based orksmicrocontroller system were chosen to provide the computational power required by the system. These were arranged in a master – slave configuration, with the main processing for images and motion being conducted inside the master computer using programs created by Matlab smart ™ software. The execution of motion commands and the operation of the range and path mark detection along with operating the spray nozzle were performed on the slave computer using C as the programming language. The manufactured smart electrostatic spray system moves along cotton crop rows with a camera that scans the selected plant for pest infestation on the upper and lower surfaces of plant leaves. When a pest is detected, the spray nozzle is targeted on it at the appropriate distance, and a burst of pesticide destroys it. The results of experiments have shown that using the electrostatic induction system improves coverage 3 to 4 fold and reduces soil contamination by 2 to 4 fold. The system has plenty of room for performance improvement, and future development will make it adaptable for application to other crops and applications.The Iraqi government, the Ministry of Higher Education and Scientific Research and Kerbala Universit

Leveraging self-supervision for visual embodied navigation with neuralized potential fields

Une tâche fondamentale en robotique consiste à naviguer entre deux endroits. En particulier, la navigation dans le monde réel nécessite une planification à long terme à l'aide d'images RVB (RGB) en haute dimension, ce qui constitue un défi considérable pour les approches d'apprentissage de bout-en-bout. Les méthodes semi-paramétriques actuelles parviennent plutôt à atteindre des objectifs éloignés en combinant des modèles paramétriques avec une mémoire topologique de l'environnement, souvent représentée sous forme d'un graphe ayant pour nœuds des images précédemment vues. Cependant, l'utilisation de ces graphes implique généralement l'ajustement d'heuristiques d'élagage afin d'éviter les arêtes superflues, limiter la mémoire requise et permettre des recherches raisonnablement rapides dans le graphe. Dans cet ouvrage, nous montrons comment les approches de bout-en-bout basées sur l'apprentissage auto-supervisé peuvent exceller dans des tâches de navigation à long terme. Nous présentons initialement Duckie-Former (DF), une approche de bout-en-bout pour la navigation visuelle dans des environnements routiers. En utilisant un Vision Transformer (ViT) pré-entraîné avec une méthode auto-supervisée, nous nous inspirons des champs de potentiels afin de dériver une stratégie de navigation utilisant en entrée un masque de segmentation d'image de faible résolution. DF est évalué dans des tâches de navigation de suivi de voie et d'évitement d'obstacles. Nous présentons ensuite notre deuxième approche intitulée One-4-All (O4A). O4A utilise l'apprentissage auto-supervisé et l'apprentissage de variétés afin de créer un pipeline de navigation de bout-en-bout sans graphe permettant de spécifier l'objectif à l'aide d'une image. La navigation est réalisée en minimisant de manière vorace une fonction de potentiel définie de manière continue dans l'espace latent O4A. Les deux systèmes sont entraînés sans interagir avec le simulateur ou le robot sur des séquences d'exploration de données RVB et de contrôles non experts. Ils ne nécessitent aucune mesure de profondeur ou de pose. L'évaluation est effectuée dans des environnements simulés et réels en utilisant un robot à entraînement différentiel.A fundamental task in robotics is to navigate between two locations. Particularly, real-world navigation can require long-horizon planning using high-dimensional RGB images, which poses a substantial challenge for end-to-end learning-based approaches. Current semi-parametric methods instead achieve long-horizon navigation by combining learned modules with a topological memory of the environment, often represented as a graph over previously collected images. However, using these graphs in practice typically involves tuning various pruning heuristics to prevent spurious edges, limit runtime memory usage, and allow reasonably fast graph queries. In this work, we show how end-to-end approaches trained through Self-Supervised Learning (SSL) can excel in long-horizon navigation tasks. We initially present Duckie-Former (DF), an end-to-end approach for visual servoing in road-like environments. Using a Vision Transformer (ViT) pretrained with a self-supervised method, we derive a potential-fields-like navigation strategy based on a coarse image segmentation model. DF is assessed in the navigation tasks of lane-following and obstacle avoidance. Subsequently, we introduce our second approach called One-4-All (O4A). O4A leverages SSL and manifold learning to create a graph-free, end-to-end navigation pipeline whose goal is specified as an image. Navigation is achieved by greedily minimizing a potential function defined continuously over the O4A latent space. O4A is evaluated in complex indoor environments. Both systems are trained offline on non-expert exploration sequences of RGB data and controls, and do not require any depth or pose measurements. Assessment is performed in simulated and real-world environments using a differential-drive robot

Basil Leaf Automation

Recent population and wage increases have forced farmers to grow more food without a proportionate increase in work force. Automation is a key factor in reducing cost and increasing efficiency. In this paper, we explore our automation solution that utilizes position manipulation and vision processing to identify, pick up, and drop a leaf into a can. Two stepper motors and a linear actuator drove the three-dimensional actuation. Leaf and can recognition were accomplished through edge detection and machine learning algorithms. Testing proved subsystem-level functionality and proof of concept of a delicate autonomous pick-and-place robot

Synaptic Learning for Neuromorphic Vision - Processing Address Events with Spiking Neural Networks

Das Gehirn übertrifft herkömmliche Computerarchitekturen in Bezug auf Energieeffizienz, Robustheit und Anpassungsfähigkeit. Diese Aspekte sind auch für neue Technologien wichtig. Es lohnt sich daher, zu untersuchen, welche biologischen Prozesse das Gehirn zu Berechnungen befähigen und wie sie in Silizium umgesetzt werden können. Um sich davon inspirieren zu lassen, wie das Gehirn Berechnungen durchführt, ist ein Paradigmenwechsel im Vergleich zu herkömmlichen Computerarchitekturen erforderlich. Tatsächlich besteht das Gehirn aus Nervenzellen, Neuronen genannt, die über Synapsen miteinander verbunden sind und selbstorganisierte Netzwerke bilden. Neuronen und Synapsen sind komplexe dynamische Systeme, die durch biochemische und elektrische Reaktionen gesteuert werden. Infolgedessen können sie ihre Berechnungen nur auf lokale Informationen stützen. Zusätzlich kommunizieren Neuronen untereinander mit kurzen elektrischen Impulsen, den so genannten Spikes, die sich über Synapsen bewegen. Computational Neuroscientists versuchen, diese Berechnungen mit spikenden neuronalen Netzen zu modellieren. Wenn sie auf dedizierter neuromorpher Hardware implementiert werden, können spikende neuronale Netze wie das Gehirn schnelle, energieeffiziente Berechnungen durchführen. Bis vor kurzem waren die Vorteile dieser Technologie aufgrund des Mangels an funktionellen Methoden zur Programmierung von spikenden neuronalen Netzen begrenzt. Lernen ist ein Paradigma für die Programmierung von spikenden neuronalen Netzen, bei dem sich Neuronen selbst zu funktionalen Netzen organisieren. Wie im Gehirn basiert das Lernen in neuromorpher Hardware auf synaptischer Plastizität. Synaptische Plastizitätsregeln charakterisieren Gewichtsaktualisierungen im Hinblick auf Informationen, die lokal an der Synapse anliegen. Das Lernen geschieht also kontinuierlich und online, während sensorischer Input in das Netzwerk gestreamt wird. Herkömmliche tiefe neuronale Netze werden üblicherweise durch Gradientenabstieg trainiert. Die durch die biologische Lerndynamik auferlegten Einschränkungen verhindern jedoch die Verwendung der konventionellen Backpropagation zur Berechnung der Gradienten. Beispielsweise behindern kontinuierliche Aktualisierungen den synchronen Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsphasen. Darüber hinaus verhindern Gedächtnisbeschränkungen, dass die Geschichte der neuronalen Aktivität im Neuron gespeichert wird, so dass Verfahren wie Backpropagation-Through-Time nicht möglich sind. Neuartige Lösungen für diese Probleme wurden von Computational Neuroscientists innerhalb des Zeitrahmens dieser Arbeit vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden spikende neuronaler Netzwerke entwickelt, um Aufgaben der visuomotorischen Neurorobotik zu lösen. In der Tat entwickelten sich biologische neuronale Netze ursprünglich zur Steuerung des Körpers. Die Robotik stellt also den künstlichen Körper für das künstliche Gehirn zur Verfügung. Auf der einen Seite trägt diese Arbeit zu den gegenwärtigen Bemühungen um das Verständnis des Gehirns bei, indem sie schwierige Closed-Loop-Benchmarks liefert, ähnlich dem, was dem biologischen Gehirn widerfährt. Auf der anderen Seite werden neue Wege zur Lösung traditioneller Robotik Probleme vorgestellt, die auf vom Gehirn inspirierten Paradigmen basieren. Die Forschung wird in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst werden vielversprechende synaptische Plastizitätsregeln identifiziert und mit ereignisbasierten Vision-Benchmarks aus der realen Welt verglichen. Zweitens werden neuartige Methoden zur Abbildung visueller Repräsentationen auf motorische Befehle vorgestellt. Neuromorphe visuelle Sensoren stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu hirninspirierten Paradigmen dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras senden diese Sensoren Adressereignisse aus, die lokalen Änderungen der Lichtintensität entsprechen. Das ereignisbasierte Paradigma ermöglicht eine energieeffiziente und schnelle Bildverarbeitung, erfordert aber die Ableitung neuer asynchroner Algorithmen. Spikende neuronale Netze stellen eine Untergruppe von asynchronen Algorithmen dar, die vom Gehirn inspiriert und für neuromorphe Hardwaretechnologie geeignet sind. In enger Zusammenarbeit mit Computational Neuroscientists werden erfolgreiche Methoden zum Erlernen räumlich-zeitlicher Abstraktionen aus der Adressereignisdarstellung berichtet. Es wird gezeigt, dass Top-Down-Regeln der synaptischen Plastizität, die zur Optimierung einer objektiven Funktion abgeleitet wurden, die Bottom-Up-Regeln übertreffen, die allein auf Beobachtungen im Gehirn basieren. Mit dieser Einsicht wird eine neue synaptische Plastizitätsregel namens "Deep Continuous Local Learning" eingeführt, die derzeit den neuesten Stand der Technik bei ereignisbasierten Vision-Benchmarks erreicht. Diese Regel wurde während eines Aufenthalts an der Universität von Kalifornien, Irvine, gemeinsam abgeleitet, implementiert und evaluiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der visuomotorische Kreis geschlossen, indem die gelernten visuellen Repräsentationen auf motorische Befehle abgebildet werden. Drei Ansätze werden diskutiert, um ein visuomotorisches Mapping zu erhalten: manuelle Kopplung, Belohnungs-Kopplung und Minimierung des Vorhersagefehlers. Es wird gezeigt, wie diese Ansätze, welche als synaptische Plastizitätsregeln implementiert sind, verwendet werden können, um einfache Strategien und Bewegungen zu lernen. Diese Arbeit ebnet den Weg zur Integration von hirninspirierten Berechnungsparadigmen in das Gebiet der Robotik. Es wird sogar prognostiziert, dass Fortschritte in den neuromorphen Technologien und bei den Plastizitätsregeln die Entwicklung von Hochleistungs-Lernrobotern mit geringem Energieverbrauch ermöglicht

Motion Planning

Motion planning is a fundamental function in robotics and numerous intelligent machines. The global concept of planning involves multiple capabilities, such as path generation, dynamic planning, optimization, tracking, and control. This book has organized different planning topics into three general perspectives that are classified by the type of robotic applications. The chapters are a selection of recent developments in a) planning and tracking methods for unmanned aerial vehicles, b) heuristically based methods for navigation planning and routes optimization, and c) control techniques developed for path planning of autonomous wheeled platforms

Multi-SLAM Systems for Fault-Tolerant Simultaneous Localization and Mapping

Mobile robots need accurate, high fidelity models of their operating environments in order to complete their tasks safely and efficiently. Generating these models is most often done via Simultaneous Localization and Mapping (SLAM), a paradigm where the robot alternatively estimates the most up-to-date model of the environment and its position relative to this model as it acquires new information from its sensors over time. Because robots operate in many different environments with different compute, memory, sensing, and form constraints, the nature and quality of information available to individual instances of different SLAM systems varies substantially. `One-size-fits-all\u27 solutions are thus exceedingly difficult to engineer, and highly specialized systems, which represent the state-of-the-art for most types of deployments, are not robust to operating conditions in which their assumptions are not met. This thesis seeks to investigate an alternative approach to these robustness and universality problems by incorporating existing SLAM solutions within a larger framework supported by planning and learning. The central idea is to combine learned models that estimate SLAM algorithm performance under a variety of sensory conditions, in this case neural networks, with planners designed for planning under uncertainty and partial observability, in this case partially observable Markov decision problems (POMDPs). Models of existing SLAM algorithms can be learned, and these models can then be used online to estimate the performance of a range of solutions to the SLAM problem at hand. The POMDP policy then selects the appropriate algorithm, given the estimated performance, cost of switching methods, and other information. This general approach may also be applicable to many other robotics problems that rely on data-fusion, such as grasp planning, motion planning, or object identification

A Diffusion-Model of Joint Interactive Navigation

Simulation of autonomous vehicle systems requires that simulated traffic participants exhibit diverse and realistic behaviors. The use of prerecorded real-world traffic scenarios in simulation ensures realism but the rarity of safety critical events makes large scale collection of driving scenarios expensive. In this paper, we present DJINN - a diffusion based method of generating traffic scenarios. Our approach jointly diffuses the trajectories of all agents, conditioned on a flexible set of state observations from the past, present, or future. On popular trajectory forecasting datasets, we report state of the art performance on joint trajectory metrics. In addition, we demonstrate how DJINN flexibly enables direct test-time sampling from a variety of valuable conditional distributions including goal-based sampling, behavior-class sampling, and scenario editing.Comment: 10 pages, 4 figure