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Planejamento de Rotas de Cobertura para Veículos Aéreos Não Tripulados Aplicados no Controle Biológico de Pragas em Cenários Reais de Grandes Áreas
| dc.creator | Silva, Bruno Siqueira da | |
| dc.date.accessioned | 2024-12-17T12:46:23Z | |
| dc.date.available | 2024-12-17T12:46:23Z | |
| dc.date.issued | 2024-09-24 | |
| dc.identifier.citation | SILVA, Bruno Siqueira da. Planejamento de Rotas de Cobertura para Veículos Aéreos Não Tripulados Aplicados no Controle Biológico de Pragas em Cenários Reais de Grandes Áreas. Orientador: Paulo Roberto Ferreira Jr.. 2024. 135 f. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) – Centro de Desenvolvimento Tecnológico, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, 2024. | pt_BR |
| dc.identifier.uri | http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/handle/prefix/14686 | |
| dc.description.abstract | Biological Control (CB) is a sustainable method for managing agricultural pests, us ing natural agents to regulate their populations. The use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to release these biological agents offers advantages such as low operational costs and high efficiency over large areas. However, the current Coverage Path Plan ning (CPP) methods for UAVs in CB are empirical and heavily reliant on the pilots’ experience, lacking a systematic approach that considers all critical variables. Further more, the existing literature does not fully address all aspects relevant to CB. In this context, the objective of this thesis was to enhance the generation of trajectories for UAV operations in the release of biological agents across large areas, utilizing CPP concepts. To achieve this goal, a framework and two algorithms were developed and validated. The framework was implemented as a web application that automates the generation of routes, incorporating the proposed algorithms. The first algorithm, "Sub routes," decomposes the complete route into sub-routes, applying a back-and-forth pattern to minimize path overlap and optimize flight time by aligning the trajectory with the largest edge of the area to be covered by the UAV. The second algorithm, "Sub areas," also applies the back-and-forth pattern but proposes a decomposition of the area of interest into subareas using the Voronoi diagram, aiming for a more balanced division, especially in areas with concave internal angles. The validation of these al gorithms was conducted through experiments involving real flights in three different scenarios with various payload configurations. Given that a biological agent release device was attached to the aircraft, the experiment also evaluated the potential influ ence of the payload on coverage. The quantitative results show that, when using the Sub-routes Algorithm, the total area covered was 114.61 hectares, with a total distance of 29.7 km covered in 44 minutes and 48 seconds. In contrast, the Subareas Algorithm resulted in a slightly shorter distance of 28.9 km covered in 42 minutes and 57 sec onds, representing a reduction of 2.6 km (approximately 2.8%) in the total distance and 1 minute and 51 seconds (approximately 4.1%) in flight time. Furthermore, the distribution of work among the flights was more balanced with the Subareas Algorithm, where the flights covered 36.5%, 32.5%, and 31.0% of the total area, respectively, suggesting increased operational efficiency. Although both algorithms demonstrated effectiveness, the Subareas Algorithm proved particularly advantageous in scenarios involving areas with concave internal angles, where coverage uniformity and efficiency are crucial. Additionally, the influence of the payload was minimal, indicating that the additional weight did not significantly compromise coverage performance, confirming the effectiveness of the proposed route planning solutions. | pt_BR |
| dc.description.sponsorship | Sem bolsa | pt_BR |
| dc.language | por | pt_BR |
| dc.publisher | Universidade Federal de Pelotas | pt_BR |
| dc.rights | OpenAccess | pt_BR |
| dc.subject | Planejamento de rotas de cobertura | pt_BR |
| dc.subject | Dispersão de agentes biológicos | pt_BR |
| dc.subject | Algoritmos de decomposição | pt_BR |
| dc.subject | Framework | pt_BR |
| dc.subject | Algoritmo vai-e-volta | pt_BR |
| dc.subject | Voronoi | pt_BR |
| dc.subject | Coverage path planning | pt_BR |
| dc.subject | Dispersion of biological agents | pt_BR |
| dc.subject | Decomposition algorithms | pt_BR |
| dc.subject | Framework | pt_BR |
| dc.subject | Back-and-forth algorithm | pt_BR |
| dc.title | Planejamento de Rotas de Cobertura para Veículos Aéreos Não Tripulados Aplicados no Controle Biológico de Pragas em Cenários Reais de Grandes Áreas | pt_BR |
| dc.title.alternative | Coverage Path Planning for Unmanned Aerial Vehicles Applied to Biological Pest Control in Real Scenarios of Large Areas | pt_BR |
| dc.type | doctoralThesis | pt_BR |
| dc.contributor.authorID | https://orcid.org/0000-0002-5169-5063 | pt_BR |
| dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/0662443450686303 | pt_BR |
| dc.contributor.advisorID | https://orcid.org/0000-0001-5631-6766 | pt_BR |
| dc.contributor.advisorLattes | http://lattes.cnpq.br/0481478169272902 | pt_BR |
| dc.contributor.advisor-co1 | Cabreira, Tauã Milech | |
| dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/0374284601160109 | pt_BR |
| dc.description.resumo | O Controle Biológico (CB) é um método sustentável para o manejo de pragas agrícolas, utilizando agentes naturais para regular suas populações. O uso de Veícu los Aéreos Não Tripulados (VANT) para a liberação desses agentes biológicos oferece vantagens como baixo custo operacional e alta eficiência em grandes áreas. Contudo, os métodos de Planejamento de Rotas de Cobertura (PRC) para VANTs no CB são empíricos e dependem da experiência dos pilotos, carecendo de uma abordagem sistemática que considere todas as variáveis críticas envolvidas. Ao mesmo tempo, literatura disponível não abrange todos os aspectos relevantes para o CB. Neste con texto, o objetivo desta tese foi aprimorar a geração de trajetórias para operações com VANTs na liberação de agentes biológicos em grandes áreas, utilizando conceitos de PRC. Para alcançar esse objetivo, foram desenvolvidos e validados um framework e dois algoritmos. O framework foi materializado como uma aplicação web que automa tiza a geração das rotas, incorporando os algoritmos propostos. O primeiro algoritmo (Sub-rotas) realiza a decomposição da rota completa em sub-rotas, aplicando um padrão de vai-e-volta para minimizar a sobreposição de trajetos e otimizar o tempo de voo, alinhando a trajetória à maior aresta da área a ser coberta pelo VANT. O segundo algoritmo (Subáreas) também aplica o padrão de vai-e-volta, mas propõe uma decomposição da área de interesse em subáreas utilizando o diagrama de Voronoi, visando uma divisão mais equilibrada, especialmente em áreas com ângulos internos côncavos. A validação dos algoritmos foi realizada por meio de experimentos com voos reais em três cenários distintos e com diferentes configurações de carga útil (payload). Sabendo que foi utilizado um dispositivo de liberação de agentes biológicos acoplado à aeronave, o experimento também avaliou a possível influência do payload na cobertura. Os resultados quantitativos obtidos mostram que, ao utilizar o Algoritmo de Sub-rotas, a área total coberta foi de 114,61 hectares, com uma distância total percorrida de 29,7 km em 44 minutos e 48 segundos. Por outro lado, o Algoritmo de Subáreas resultou em uma distância percorrida ligeiramente menor, de 28,9 km em 42 minutos e 57 segundos, representando uma redução de 2,6 km (aproximadamente 2,8%) na distância total e 1 minuto e 51 segundos (cerca de 4,1%) no tempo de voo. Além disso, a distribuição de trabalho entre os voos foi mais equilibrada com o Algoritmo de Subáreas, onde os voos cobriram 36,5%, 32,5% e 31,0% da área total, respectivamente, sugerindo uma eficiência operacional aumentada. Embora ambos os algoritmos tenham mostrado eficácia, o Algoritmo de Subáreas mostrou-se particularmente vantajoso em cenários que envolvem áreas de interesse com ângulos internos côncavos, onde a uniformidade e a eficiência de cobertura são cruciais. Adicionalmente, a influência do payload foi mínima, indicando que o peso adicional não comprometeu o desempenho da cobertura, confirmando a eficácia das soluções de planejamento de rotas propostas. | pt_BR |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Computação | pt_BR |
| dc.publisher.initials | UFPel | pt_BR |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA | pt_BR |
| dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
| dc.rights.license | CC BY-NC-SA | pt_BR |
| dc.contributor.advisor1 | Ferreira Junior, Paulo Roberto | |
| dc.subject.cnpq1 | CIENCIA DA COMPUTACAO | pt_BR |
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