Actuators and sensors for application in agricultural robots: A review

In recent years, with the rapid development of science and technology, agricultural robots have gradually begun to replace humans, to complete various agricultural operations, changing traditional agricultural production methods. Not only is the labor input reduced, but also the production efficiency can be improved, which invariably contributes to the development of smart agriculture. This paper reviews the core technologies used for agricultural robots in non-structural environments. In addition, we review the technological progress of drive systems, control strategies, end-effectors, robotic arms, environmental perception, and other related systems. This research shows that in a non-structured agricultural environment, using cameras and light detection and ranging (LiDAR), as well as ultrasonic and satellite navigation equipment, and by integrating sensing, transmission, control, and operation, different types of actuators can be innovatively designed and developed to drive the advance of agricultural robots, to meet the delicate and complex requirements of agricultural products as operational objects, such that better productivity and standardization of agriculture can be achieved. In summary, agricultural production is developing toward a data-driven, standardized, and unmanned approach, with smart agriculture supported by actuator-driven-based agricultural robots. This paper concludes with a summary of the main existing technologies and challenges in the development of actuators for applications in agricultural robots, and the outlook regarding the primary development directions of agricultural robots in the near future

System Development of an Unmanned Ground Vehicle and Implementation of an Autonomous Navigation Module in a Mine Environment

There are numerous benefits to the insights gained from the exploration and exploitation of underground mines. There are also great risks and challenges involved, such as accidents that have claimed many lives. To avoid these accidents, inspections of the large mines were carried out by the miners, which is not always economically feasible and puts the safety of the inspectors at risk. Despite the progress in the development of robotic systems, autonomous navigation, localization and mapping algorithms, these environments remain particularly demanding for these systems. The successful implementation of the autonomous unmanned system will allow mine workers to autonomously determine the structural integrity of the roof and pillars through the generation of high-fidelity 3D maps. The generation of the maps will allow the miners to rapidly respond to any increasing hazards with proactive measures such as: sending workers to build/rebuild support structure to prevent accidents. The objective of this research is the development, implementation and testing of a robust unmanned ground vehicle (UGV) that will operate in mine environments for extended periods of time. To achieve this, a custom skid-steer four-wheeled UGV is designed to operate in these challenging underground mine environments. To autonomously navigate these environments, the UGV employs the use of a Light Detection and Ranging (LiDAR) and tactical grade inertial measurement unit (IMU) for the localization and mapping through a tightly-coupled LiDAR Inertial Odometry via Smoothing and Mapping framework (LIO-SAM). The autonomous navigation module was implemented based upon the Fast likelihood-based collision avoidance with an extension to human-guided navigation and a terrain traversability analysis framework. In order to successfully operate and generate high-fidelity 3D maps, the system was rigorously tested in different environments and terrain to verify its robustness. To assess the capabilities, several localization, mapping and autonomous navigation missions were carried out in a coal mine environment. These tests allowed for the verification and tuning of the system to be able to successfully autonomously navigate and generate high-fidelity maps

Robotics 2010

Without a doubt, robotics has made an incredible progress over the last decades. The vision of developing, designing and creating technical systems that help humans to achieve hard and complex tasks, has intelligently led to an incredible variety of solutions. There are barely technical fields that could exhibit more interdisciplinary interconnections like robotics. This fact is generated by highly complex challenges imposed by robotic systems, especially the requirement on intelligent and autonomous operation. This book tries to give an insight into the evolutionary process that takes place in robotics. It provides articles covering a wide range of this exciting area. The progress of technical challenges and concepts may illuminate the relationship between developments that seem to be completely different at first sight. The robotics remains an exciting scientific and engineering field. The community looks optimistically ahead and also looks forward for the future challenges and new development

Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet

VR Technologies in Cultural Heritage

This open access book constitutes the refereed proceedings of the First International Conference on VR Technologies in Cultural Heritage, VRTCH 2018, held in Brasov, Romania in May 2018. The 13 revised full papers along with the 5 short papers presented were carefully reviewed and selected from 21 submissions. The papers of this volume are organized in topical sections on data acquisition and modelling, visualization methods / audio, sensors and actuators, data management, restoration and digitization, cultural tourism

VR Technologies in Cultural Heritage

This open access book constitutes the refereed proceedings of the First International Conference on VR Technologies in Cultural Heritage, VRTCH 2018, held in Brasov, Romania in May 2018. The 13 revised full papers along with the 5 short papers presented were carefully reviewed and selected from 21 submissions. The papers of this volume are organized in topical sections on data acquisition and modelling, visualization methods / audio, sensors and actuators, data management, restoration and digitization, cultural tourism