Efficient Headland Planning for Agricultural Vehicles with Kinematic Constraints

In this thesis, a headland path planning algorithm for agricultural machinery is developed. Its input data includes the field or obstacle contour, the farm machine's kinematic and dynamic constraints, and its tool width. The algorithm generates a continuous curvature path at the desired minimum distance to the boundary. Multiple methodologies are analyzed, resulting in a spline-based approach, which uses an NLP-Solver. The headland path is optimized to be as close to the boundary as possible while respecting maximum curvature and limited curvature derivative (steering rate). A decomposition of the boundary into segments and adapted control point placement are proposed. The results are evaluated on real-world, organically-shaped fields and for different types of machinery.

In dieser Arbeit wird ein Algorithmus zur Planung von Vorgewendepfaden für landwirtschaftliche Maschinen entwickelt. Als Ausgangsdaten werden die Kontur des Feldes oder Hindernisses, die kinematischen und dynamischen Eigenschaften der Maschine und die Breite des Werkzeugs berücksichtigt. Der Algorithmus generiert einen Pfad mit kontinuierlicher Krümmung und dem gewünschten Mindestabstand zur Kontur. Es werden mehrere Ansätze analysiert, wobei ein Spline-basierter Ansatz, der einen NLP-Solver verwendet, ausgewählt wird. Der Vorgewendepfad wird optimiert, um so nah wie möglich an der Kontur zu liegen, wobei die maximale Krümmung und die begrenzte Krümmungsänderung (Lenkrate) eingehalten werden. Eine Zerlegung der Kontur in Segmente und eine angepasste Platzierung der Spline-Kontrollpunkte werden vorgeschlagen. Die Ergebnisse werden auf realen, organisch geformten Feldern und für verschiedene Maschinentypen evaluiert.