Intelligent UAV systems: payload monitoring for spraying and collaborative cargo transport

Abstract

The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) has been expanding rapidly, bringing innovations to various areas, such as precision agriculture and logistics. This dissertation investigates the integration of payload sensors into UAVs to improve agricultural spraying tasks and collaborative cargo transportation. Initially, a real-time payload monitoring system is proposed, which allows the UAV to adjust the application of agricultural inputs according to the variation in the weight of the spray tank. This mechanism avoids waste and improves the efficiency of the operation. In addition, an intelligent navigation system was developed that monitors the tank level and commands automatic return to base when necessary. To validate the proposal, experiments were conducted in controlled environments, demonstrating the system's effectiveness in controlling the distribution of inputs. In addition to agricultural applications, this research addresses the cooperative transportation of cargo by UAVs and unmanned ground vehicles (UGVs). An aerial transportation system was developed using a UAV equipped with an electromagnet suspended from a cable, making it possible to lift and move loads to overcome obstacles in the path of a UGV. Experimental tests have shown that the proposed approach is viable for applications such as urban deliveries, operations in remote areas and logistical support in disaster zones. The results obtained show that the integration of cargo sensors with intelligent control strategies promotes a significant improvement in UAV performance in various operational scenarios. This improvement is mainly due to the systems' ability to provide real-time information on the weight carried, allowing the UAV to make more precise autonomous decisions. This makes it possible to identify the ideal time to return to base for refuelling or to end the spraying mission, reducing waste and optimizing the use of inputs. In addition, there is more efficient management of energy consumption and flight time, based on the actual load carried. Another important advance is the automation of the load coupling and uncoupling processes, increasing agility in logistics missions and reducing the need for human intervention. These functionalities together result in safer, efficient and sustainable operations. Thus, the contributions of this work represent a relevant advance in the state of the art of UAV application in precision agriculture and autonomous cargo transportation. Keywords: Precision Agriculture; Path following; Load Transportation; Multi-robot Systems; Cable-suspended cargo; UAV-UGV CooperationO uso de veículos aéreos não tripulados (VANTs) tem se expandido rapidamente, trazendo inovações para diversas áreas, como agricultura de precisão e logística. Esta dissertação investiga a integração de sensores de carga em VANTs para aprimorar tarefas de pulverização agrícola e transporte colaborativo de cargas. Inicialmente, propõe-se um sistema de monitoramento de carga útil em tempo real, que permite ao VANT ajustar a aplicação de insumos agrícolas conforme a variação do peso do tanque de pulverização. Esse mecanismo evita desperdícios e melhora a eficiência da operação. Além disso, desenvolveu-se um sistema de navegação inteligente que monitora o nível do reservatório e comanda o retorno automático à base quando necessário. Para validar a proposta, foram conduzidos experimentos em ambientes controlados, demonstrando a eficácia do sistema no controle da distribuição dos insumos. Além da aplicação na agricultura, esta pesquisa aborda o transporte cooperativo de cargas por VANTs e veículos terrestres não tripulados (VTNTs). Um sistema de transporte aéreo foi desenvolvido utilizando um VANT equipado com um eletroímã suspenso por um cabo, possibilitando o levantamento e deslocamento de cargas para superar obstáculos no trajeto de um VTNT. Os testes experimentais demonstraram que a abordagem proposta é viável para aplicações como entregas urbanas, operações em áreas remotas e suporte logístico em zonas de desastre. Os resultados obtidos demonstram que a integração de sensores de carga com estratégias de controle inteligente promove uma melhora significativa no desempenho dos VANTs em diversos cenários operacionais. Essa melhoria se deve, principalmente, à capacidade dos sistemas em fornecer informações em tempo real sobre o peso transportado, permitindo que o VANT tome decisões autônomas mais precisas. Com isso, é possível identificar o momento ideal para retornar à base para reabastecimento ou encerrar a missão de pulverização, reduzindo desperdícios e otimizando o uso de insumos. Além disso, há uma gestão mais eficiente do consumo de energia e do tempo de voo, com base na carga real transportada. Outro avanço relevante é a automatização dos processos de acoplamento e desacoplamento de cargas, aumentando a agilidade em missões logísticas e reduz a necessidade de intervenções humanas. Essas funcionalidades, em conjunto, resultam em operações mais seguras, eficientes e sustentáveis. Assim, as contribuições deste trabalho representam um avanço relevante no estado da arte da aplicação de VANTs na agricultura de precisão e no transporte autônomo de cargas. Palavras-chave: Agricultura de Precisão; Seguimento de Caminho; Transporte de Cargas; Sistemas Multi-robôs; Carga suspensa por cabos; Cooperação UAV-UGV