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This work focuses on path planning for an autonomous UAV to tour and cover multiple regions in the shortest time. The three challenges to be solved are - finding the right optimal order to tour the neighborhoods, determining entry and exit points to neighborhoods, and covering each neighborhood. Two approaches have been explored and compared to achieve this goal - a TSP - Greedy and TSP - Dijkstra's. Both of them use a TSP solution to determine the optimal order of touring. They also use the same back and forth motion to cover each region. However, while the first approach uses a brute force to determine the the next closest node of entry or exit, the second approach utilizes the Dijkstra's algorithm to compute all possible paths to every node in the graph, and therefore choose the shortest pairs of entry and exit for each region, that would generate the shorter path, overall. The main contribution of this work is to implement an existing algorithm to combine the touring and covering problem, and propose a new algorithm to perform the same. Empirical results comparing performances of both approaches are included. Hardware experiments are performed on a spraying hexacopter, using the TSP - Greedy approach. Unique system characteristics are studied to make conclusions about stability of the platform. Future directions are identified to improve both software and hardware performance. / Master of Science

A aplicação eficiente de agrotóxicos é um desafio na produção agrícola, mesmo considerando os avanços com a agricultura de precisão. O efeito deriva é o principal responsável pela ineficiência no controle das pragas ou doenças, pelo desperdício de recursos e pela contaminação ambiental. Para minimizar a deriva é essencial conhecer as condições ambientais como vento, temperatura e umidade. Esta pesquisa propõe o uso das redes de sensores sem fio como sistema de monitoramento ambiental e de suporte ao processo de pulverização agrícola, especialmente a pulverização executada por aeronave. São propostas três funcionalidades para o sistema: avaliação das condições ambientais, verificando se as condições estão apropriadas para a pulverização, buscando minimizar a ocorrência da deriva; suporte na definição e manutenção da rota do veículo pulverizador por meio dos dados do vento, de modo a efetuar ajustes na rota de pulverização e manter a aplicação do defensivo agrícola na área alvo; e a avaliação da eficácia da pulverização por meio dos dados da deposição do produto pulverizado coletados pela rede de sensores. Para viabilizar a utilização das redes de sensores sem fio no controle da deriva é proposto um protocolo de roteamento de dados que visa garantir a coleta dos dados pelos nós e a entrega para o veículo pulverizador, mesmo sendo ele um avião e se deslocando em alta velocidade. Para demonstrar a viabilidade do sistema proposto, foi desenvolvido um sistema de simulação computacional que considera os aspectos das redes de sensores sem fio e as características do protocolo de roteamento proposto. Os resultados demonstraram sua viabilidade, demonstrando que as redes de sensores sem fio podem ser utilizadas como suporte em um sistema de controle da deriva, incrementando a qualidade da pulverização, reduzindo custos e a contaminação ambiental. / The efficient application of low cost pesticides is a challenge for agricultural production. Pesticide drift is the major cause of money loss, inefficiency in crop disease control, and environmental contamination in the crop spraying process. At the time of application, it is essential to know the environmental conditions, such as wind, temperature and humidity to minimize contamination by pesticide drift. This study proposes the use of wireless sensor networks in a support and control system for crop spraying, especially in aircraft application methods. Three system functionalities are proposed: In the first case, the sensor network evaluates environmental data at the time of application to notify the user if the environmental conditions are suitable for continuing with the application. The second case evaluates the wind speed and its direction to suggest corrections in the path of a spray vehicle. Due to this alteration in the vehicle path, the pesticide will be applied only in the appropriate area. The final case involves collecting data samples and analyzing the quality of the spraying operation by evaluating the deposition of pesticide over the crop. This work proposes a new routing data protocol to make possible the use of wireless sensor networks in aerial crop spraying. It ensures that the sensor node data will be delivered to the sink node. Through computer simulations, wireless sensor networks are shown to be useful in crop spraying to minimize and to control pesticide drift, to improve the quality of application, to reduce environmental contamination and to reduce costs and the duration of the application operation.

A aplicação eficiente de agrotóxicos é um desafio na produção agrícola, mesmo considerando os avanços com a agricultura de precisão. O efeito deriva é o principal responsável pela ineficiência no controle das pragas ou doenças, pelo desperdício de recursos e pela contaminação ambiental. Para minimizar a deriva é essencial conhecer as condições ambientais como vento, temperatura e umidade. Esta pesquisa propõe o uso das redes de sensores sem fio como sistema de monitoramento ambiental e de suporte ao processo de pulverização agrícola, especialmente a pulverização executada por aeronave. São propostas três funcionalidades para o sistema: avaliação das condições ambientais, verificando se as condições estão apropriadas para a pulverização, buscando minimizar a ocorrência da deriva; suporte na definição e manutenção da rota do veículo pulverizador por meio dos dados do vento, de modo a efetuar ajustes na rota de pulverização e manter a aplicação do defensivo agrícola na área alvo; e a avaliação da eficácia da pulverização por meio dos dados da deposição do produto pulverizado coletados pela rede de sensores. Para viabilizar a utilização das redes de sensores sem fio no controle da deriva é proposto um protocolo de roteamento de dados que visa garantir a coleta dos dados pelos nós e a entrega para o veículo pulverizador, mesmo sendo ele um avião e se deslocando em alta velocidade. Para demonstrar a viabilidade do sistema proposto, foi desenvolvido um sistema de simulação computacional que considera os aspectos das redes de sensores sem fio e as características do protocolo de roteamento proposto. Os resultados demonstraram sua viabilidade, demonstrando que as redes de sensores sem fio podem ser utilizadas como suporte em um sistema de controle da deriva, incrementando a qualidade da pulverização, reduzindo custos e a contaminação ambiental. / The efficient application of low cost pesticides is a challenge for agricultural production. Pesticide drift is the major cause of money loss, inefficiency in crop disease control, and environmental contamination in the crop spraying process. At the time of application, it is essential to know the environmental conditions, such as wind, temperature and humidity to minimize contamination by pesticide drift. This study proposes the use of wireless sensor networks in a support and control system for crop spraying, especially in aircraft application methods. Three system functionalities are proposed: In the first case, the sensor network evaluates environmental data at the time of application to notify the user if the environmental conditions are suitable for continuing with the application. The second case evaluates the wind speed and its direction to suggest corrections in the path of a spray vehicle. Due to this alteration in the vehicle path, the pesticide will be applied only in the appropriate area. The final case involves collecting data samples and analyzing the quality of the spraying operation by evaluating the deposition of pesticide over the crop. This work proposes a new routing data protocol to make possible the use of wireless sensor networks in aerial crop spraying. It ensures that the sensor node data will be delivered to the sink node. Through computer simulations, wireless sensor networks are shown to be useful in crop spraying to minimize and to control pesticide drift, to improve the quality of application, to reduce environmental contamination and to reduce costs and the duration of the application operation.