Βελτιστοποίηση απόδοσης αγροτικού ρομπότ συλλογής καρπών απο χωράφι

Abstract

Η χρήση αγροτικών ρομπότ για την εκτέλεση αγροτικών εργασιών έχει ωριμάσει τα τελευταία χρόνια και έχει επεκταθεί από τα πλαίσια του πρώιμου ερευνητικού πεδίου σε αυτό των επιχειρηματικών εφαρμογών. Οι πιο διαδεδομένες χρήσεις αγροτικών ρομπότ αφορούν τον ελεγχόμενο και στοχευόμενο ψεκασμό παρασίτων και το κλάδεμα καλλιεργειών. Τα πλεονεκτήματα δε της χρήσης των αγροτικών ρομπότ είναι η απρόσκοπτη εργασία, ο περιορισμός του κόστους εκτέλεσης, η ανώτερη μέση ποιότητα και η ανώτερη μέση ακρίβεια στην εκτέλεση των αγροτικών εργασιών που τους ανατίθενται. Στον αντίποδα σοβαρό μειονέκτημα αποτελεί η πιθανότητα λήψης μιας εντελώς λανθασμένης λειτουργικής απόφασης που ποτέ δεν θα έκανε ένας έμπειρος εργαζόμενος. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η μείωση του κόστους της συγκομιδής καρπών ενός χωραφιού με τη χρήση αγροτικού ρομπότ. Στην υλοποίηση του αλγόριθμου λήφθηκε υπόψη το κόστος σε καύσιμο που υφίσταται από τη μετακίνηση του ρομπότ στο χωράφι καθώς και το επιπλέον κόστος μεταφοράς των μεταφερόμενων φρούτων στον χώρο εκφόρτωσης του χωραφιού, το οποίο αυξάνεται γραμμικά ανάλογα με το βάρος των φρούτων που μεταφέρονται ανά πάσα στιγμή. Ο χώρος αποθήκευσης του ρομπότ είναι συγκριτικά μικρός και αναμένεται να μην ξεπερνά τα τριάντα έως εβδομήντα κιλά. Αυτό αναγκάζει το ρομπότ να επιστρέφει για ξεφόρτωμα των φρούτων που περισυνέλεξε σε ένα σημείο που βρίσκεται στην αρχή του χωραφιού, κάθε φορά που η μέγιστη χωρητικότητα του αποθηκευτικού του χώρου δεν επιτρέπει τη περισυλλογή επιπρόσθετων φρούτων. Όσον αφορά το χωράφι, οι καρποί και κατά συνέπεια τα φυτά, αναμένεται να είναι διαταγμένοι σε παράλληλες σειρές με ίσες αποστάσεις μεταξύ των καρπών. Επίσης η απόσταση μεταξύ των σειρών είναι ίση με την απόσταση μεταξύ των καρπών. Τέλος, στον υπολογισμό της λύσης, προσθέτονται και οι περιορισμοί μέσης ολικής ωριμότητας των καρπών που συλλέχθηκαν, ολικού αριθμού καρπών και του μέσου ολικού βάρος των καρπών. Οι παραπάνω περιορισμοί οριοθετούν τις φυσικές ιδιότητες του τελικού φορτίου έτσι ώστε να ικανοποιούνται οι εμπορικές παράμετροι της διάθεσης συγκεκριμένου φορτίου φρούτων στην αγορά. Το συγκεκριμένο πρόβλημα λόγω της συνδυαστικής φύσης των πιθανών λύσεων – η βέλτιστη λύση δεν είναι παρά κάποιος από τους συνδυασμούς των φρούτων με τη σειρά συλλογής τους – πιθανότερο είναι να έχει περισσότερες από μια λύσεις. Για να εκτιμηθεί η ποιότητα μιας πιθανής λύσης αλλά και να υπάρξει μια καλύτερη κατανόηση του ερωτήματος ποια λύση μπορεί να θεωρηθεί ικανοποιητική, κρίθηκε αναγκαίο να αναπτυχθεί το μαθηματικό μοντέλο του κατώτατου ορίου κόστους μιας πιθανής λύσης. Η λύση κατώτατου ορίου κόστους έχει κατασκευαστεί χαλαρώνοντας τους περιορισμούς του προβλήματος και υπεραπλουστεύοντας την εξάρτηση μεταξύ των ταξιδιών συλλογής φρούτων σε τέτοιο βαθμό που στην πραγματικότητα η λύση αυτή καθίσταται μη ρεαλιστική. Αρκεί όμως το γεγονός ότι οριοθετεί ένα χαλαρό κατώτατο όριο που οποιαδήποτε λύση του προβλήματος δεν πρέπει να ξεπερνά παρά μόνο να προσεγγίζει στην καλύτερη περίπτωση. Πέραν της λύσης κατώτατου ορίου, για λόγους σύγκρισης μιας πιθανής λύσης με κάποια εύκολα αντιληπτή μεθοδολογία, αναπτύχθηκε και ένας πρώιμος αλγόριθμος μη αποδοτικής λειτουργίας. Ο αλγόριθμος αυτός λειτουργεί με την έννοια της άπληστης επιλογής, δηλαδή επιτρέπει στο ρομπότ να διασχίζει τις γραμμές του χωραφιού τη μια μετά την άλλη και να συλλέγει κάθε φρούτο που βρίσκει στην πορεία του εφόσον υπάρχει διαθέσιμος αποθηκευτικός χώρος, ενώ με την έξοδο του από κάθε γραμμή επιστρέφει στο χώρο εκφόρτωσης για να παραδώσει το φορτίο του.Η αρχική προσέγγιση στο πρόβλημα επέβαλε στο πρόβλημα τον περιορισμό της ελευθερίας κίνησης. Το ρομπότ είχε την δυνατότητα να κινηθεί μόνο σε μια κατεύθυνση μέσα στις γραμμές των καρπών του χωραφιού και κατά συνέπεια δεν είχε την δυνατότητα να κινηθεί «προς τα πίσω». Αυτός ο περιορισμός επέβαλλε την προσπέλαση ολόκληρης της γραμμής καρπών από τη στιγμή που το ρομπότ επέλεγε να εισέλθει σε κάποια συγκεκριμένη γραμμή. Για την επιλογή των φρούτων προς συλλογή ανά προσπέλαση γραμμής, χρησιμοποιήθηκε δυναμικός προγραμματισμός. Η προσέγγιση αυτή έδωσε λύσεις με πολύ βελτιωμένες αποδόσεις της εκτελούμενης εργασίας από το αγροτικό ρομπότ, σε σχέση με την προσέγγιση άπληστης επιλογής που επιλέγει αν θα συλλέξει το επόμενο φρούτο που βρίσκει στο δρόμο του βάση του κριτηρίου αν έχει διαθέσιμο χώρο μεταφοράς και μόνο.Η αρχική προσέγγιση στο πρόβλημα επέβαλε στο πρόβλημα τον περιορισμό της ελευθερίας κίνησης. Το ρομπότ είχε την δυνατότητα να κινηθεί μόνο σε μια κατεύθυνση μέσα στις γραμμές των καρπών του χωραφιού και κατά συνέπεια δεν είχε την δυνατότητα να κινηθεί «προς τα πίσω». Αυτός ο περιορισμός επέβαλλε την προσπέλαση ολόκληρης της γραμμής καρπών από τη στιγμή που το ρομπότ επέλεγε να εισέλθει σε κάποια συγκεκριμένη γραμμή. Για την επιλογή των φρούτων προς συλλογή ανά προσπέλαση γραμμής, χρησιμοποιήθηκε δυναμικός προγραμματισμός. Η προσέγγιση αυτή έδωσε λύσεις με πολύ βελτιωμένες αποδόσεις της εκτελούμενης εργασίας από το αγροτικό ρομπότ, σε σχέση με την προσέγγιση άπληστης επιλογής που επιλέγει αν θα συλλέξει το επόμενο φρούτο που βρίσκει στο δρόμο του βάση του κριτηρίου αν έχει διαθέσιμο χώρο μεταφοράς και μόνο.Παρόλο που ο αλγόριθμος δυναμικού προγραμματισμού βελτίωνε κατά πολύ τα αποτελέσματα του αλγόριθμου άπληστης επιλογής, οι λύσεις που ανέπτυσσε ήταν μακριά από το αποτέλεσμα του υπολογισμού της λύσης κατώτατου ορίου. Αυτό οδήγησε στην διερεύνηση του προβλήματος με κατάργηση του περιορισμού στην κίνηση του ρομπότ. Για την επίλυση αυτής της προσέγγισης έγινε χρήση γενετικών αλγορίθμων και παρόλο που οι χρόνοι εκτέλεσης αυξήθηκαν, οι προτεινόμενες λύσεις βελτιώθηκαν θεαματικά σε σημείο που σε ορισμένες περιπτώσεις προσέγγιζαν αρκετά τη λύση κατώτατου ορίου. Για την ενσωμάτωση των περιορισμών της μέσης ολικής ωριμότητας, του ολικού αριθμού φρούτων και του μέσου ολικού βάρους χρησιμοποιήθηκε και δεύτερος φωλιασμένος δυαδικός γενετικός αλγόριθμος, ο οποίος οδηγά στην επιλογή του υποσυνόλου του χωραφιού που ικανοποιεί τις τιμές του χρήστη για τους παραπάνω περιορισμούς και ταυτόχρονα έχει το λιγότερο κόστος συγκομιδής από το ρομπότ. Για την υιοθέτηση μιας καλύτερης αντίληψης της παραγόμενης από τον αλγόριθμο λύσης, αναπτύχθηκε λογισμικό που προσομοιώνει τη συγκομιδή των καρπών από το ρομπότ με την χρήση γραφικών και κίνησης. Τα αποτελέσματα της επίλυσης του προβλήματος με τη χρήση γενετικών αλγορίθμων κατέδειξαν την ικανότητα των συγκεκριμένων αλγορίθμων να επιλύουν προβλήματα μη ντετερμινιστικής φύσεως κατασκευάζοντας πολύ καλές λύσεις οι οποίες προσεγγίζουν κατά το δυνατό τις ιδανικές λύσεις. Ειδικά όσον αφορά το συγκεκριμένο πρόβλημα της χρήσης αγροτικών ρομπότ για τη συλλογή καρπών από χωράφι, τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι η ανάπτυξη ενός τέτοιου γεωργικού μηχανήματος τοποθετεί στα χέρια του γεωργικού παραγωγού ένα πολύ υποσχόμενο και χρήσιμο εργαλείο, αφού μειώνει τα έξοδα συλλογής καρπών ενώ ταυτόχρονα εφαρμόζει τις απαιτήσεις του παραγωγού που αφορούν στις φυσικές ιδιότητες του τελικού φορτίου προς διάθεση στην αγορά.