Design and construction of a prototype of an agricultural robot for monitoring fruit tree plantations

Abstract

Aquest projecte presenta el disseny complet, tant mecànic com electrònic, d’un robot agrícola amb orugues destinat a la monitorització de plantacions d’arbres fruiters. L’objectiu principal és el disseny i la simulació dels components clau del robot, incloent-hi un mecanisme elevador de tisora ajustable per subjectar un sensor LiDAR, que permet l’escaneig 3D de les capçades dels arbres a diferents alçades, fins a 3 metres. A més, disposa d’una base d’orugues que utilitza cadenes en comptes de rodes per desplaçar-se per terrenys irregulars i enfangats en camps fruiters, oferint una millor tracció i estabilitat. L’estructura mecànica ha estat modelada completament amb SolidWorks, i s’han realitzat simulacions de càrregues estàtiques i dinàmiques per validar l’elecció de materials i garantir que el robot pugui suportar les exigències operatives. A partir d’aquests anàlisis, la base del robot es va dissenyar amb aliatge d’alumini 6061-O, seleccionat per la seva resistència mecànica i a la corrosió, mentre que l’estructura del mecanisme de tisora es va fabricar amb ASA, un plàstic imprimible en 3D escollit per la seva rigidesa, durabilitat en exteriors i resistència als raigs UV. El disseny electrònic integra un microcontrolador Arduino Mega 2560 per gestionar les entrades dels sensors i el control dels motors. El conjunt de sensors inclou sensors ultrasònics de distància per a la detecció d’obstacles, així com una IMU i un GPS per a la localització i navegació precisa. Per dur a terme les funcions mecàniques, un actuador lineal ajusta l’alçada de l’elevador, mentre que dos motors brushless proporcionen la potència necessària per moure les orugues. A més, un mòdul Wi-Fi permet la monitorització i el control remot del robot. Finalment, es va desenvolupar un algoritme de control per garantir un funcionament segur, aturant el robot quan detecta obstacles i mantenint el seu moviment sempre alineat amb les files d’arbres mitjançant la combinació de dades dels sensors. Aquest projecte estableix les bases per al desenvolupament de futurs robots agrícoles autònoms que vulguin aplicar tècniques d’agricultura de precisió amb mapatge 3D, millorant la monitorització dels cultius, la detecció de plagues i l’estimació de collites en plantacions fruiteres.

Este proyecto presenta el diseño completo, tanto mecánico como electrónico, de un robot agrícola con orugas destinado a la monitorización de plantaciones de árboles frutales. El objetivo principal es el diseño y la simulación de los componentes clave del robot, incluyendo un mecanismo de elevación de tijera ajustable para sostener un sensor LiDAR, que permite el escaneo 3D de las copas de los árboles a diferentes alturas, hasta 3 metros. Además de contar con una base con orugas que utiliza cadenas en lugar de ruedas para desplazarse por terrenos irregulares y con barro en campos frutales, proporcionando una mejor tracción y estabilidad. La estructura mecánica ha sido modelada completamente en SolidWorks, y se han realizardo simulaciones de cargas estáticas y dinámicas para validar la elección de materiales y garantizar que el robot pueda soportar las exigencias operativas. A partir de estos análisis, la base del robot se ha diseñado con aleación de aluminio 6061-O, seleccionada por su resistencia mecánica y a la corrosión, mientras que la estructura del mecanismo de tijera se hizo con ASA, un plástico imprimible en 3D escogido por su rigidez, durabilidad en exteriores y resistencia a los rayos UV. El diseño electrónico integra un microcontrolador Arduino Mega 2560 para gestionar las entradas de los sensores y el control de los motores. El conjunto de sensores incluye sensores ultrasónicos de distancia para la detección de obstáculos, así como una IMU y un GPS para la localización y navegación precisa. Para llevar a cabo las funciones mecánicas, un actuador lineal ajusta la altura del elevador, mientras que dos motores brushless proporcionan la potencia necesaria para mover las orugas. Además, un módulo Wi-Fi permite la monitorización y el control remoto del robot. Finalmente, se desarrolló un algoritmo de control para garantizar un funcionamiento seguro, deteniendo el robot al detectar obstáculos y manteniendo su movimiento siempre alineado con las filas de árboles mediante la combinación de datos de los sensores. Este proyecto establece las bases para el desarrollo de futuros robots agrícolas autónomos que quieran aplicar técnicas de agricultura de precisión con mapeo 3D, mejorando el monitoreo de cultivos, la detección de plagas y la estimación de cosechas en plantaciones frutales.

This project presents the complete mechanical and electronic design of a tracked agricultural robot intended for monitoring fruit tree plantations. The primary focus is on the design and simulation of the robot’s key components, including an adjustable scissor-lift mechanism to support a LiDAR sensor, enabling 3D scanning of tree canopies at variable heights up to 3 meters. Along with a crawler base that uses tracks instead of wheels to navigate uneven and muddy orchard terrain, providing traction and stability. The mechanical structure was fully modeled in SolidWorks, with static and dynamic load simulations conducted to validate material choices and ensure the robot can withstand operational stresses. Based on these analyses, the robot’s base was built using 6061-O aluminum alloy, selected for its strength and corrosion resistance, while the scissor-lift structure was made from ASA, a 3D-printable plastic chosen for its strength, durability, and UV resistance in outdoor conditions. The electronic design integrates an Arduino Mega 2560 microcontroller to manage sensor inputs and motor controls. The sensor set includes ultrasonic distance sensors for obstacle detection, as well as an IMU and GPS for precise localization and navigation. To carry out the mechanical functions, a linear actuator adjusts the lift height, and two brushless DC motors power the tracks. Additionally, a Wi-Fi module enables remote monitoring and control. Finally, a control algorithm was developed to ensure safe operation by stopping the robot when obstacles are detected and maintaining alignment with orchard rows through combined sensor data. This project lays the foundation for future autonomous agricultural robots that want to apply precision agriculture techniques with 3D mapping, improving crop monitoring, pest detection, and yield estimation in orchard fields.