I n d on e s i an   Jo u r n al   o El e c t r i c al   En gi n e e r i n g   an d   C o m p u te r   S c i e n c e   V o l .   4 3 ,   N o .   2 A u gus t   20 2 6 ,   pp .   425 ~ 438   IS S N :   2502 - 4752 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e c s . v 4 3 .i 2 . pp 425 - 438             425     Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i j e e c s . i a e s c or e . c om   A u t o n o m o u s tre n c h i n g   r o b o t   w i t h   i n t e l l i g e n t   o b st a c l e   d e t e c t i o n   a n d   p a t h   o p t i m i z a t i o n   f o r   p r e c i si o n   c a b l e   i n st a l l a t i o n       M u h amm ad   O m ar 1 ,   H am z A l i   N i s ar 2 ,   M u h amm ad   U s man 2 ,   H u s n ai n   S i d d i q u e 3 ,   S u ffi an   Zam an 4 S aad   S al e e m   K h an 1 ,   Ju s tyn R o b i n s o n 5   1 D e p a rt m e n t   o f   E l e c t ri c a l   E n g i n e e r i n g ,   U n i t e d   A ra b   E m i ra t e s   U n i v e r s i t y ,   A l - A i n ,   U A E   2 D e p a rt m e n t   o f   E l e c t ri c a l   E n g i n e e r i n g ,   N a t i o n a l   U n i v e r s i t y   o C o m p u t e r   a n d   E m e r g i n g   S c i e n c e s ,   I s l a m a b a d ,   P a k i s t a n   3 D e p a rt m e n t   o f   M e c h a n i c a l   E n g i n e e ri n g ,   In s t i t u t e   o f   S p a c e   T e c h n o l o g y ,   I s l a m a b a d ,   P a k i s t a n   4 D e p a rt m e n t   o f   E l e c t ri c a l   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t y   o E n g i n e e ri n g   a n d   T e c h n o l o g y ,   T a x i l a ,   P a k i s t a n   5 Ch a m p i o n   M o b i l e   G l o b a l   L i m i t e d ,   U n i t e d   K i n g d o m       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e d   N ov   9,   2024   R e v i s e d   M a y   28,   20 26   A c c e pt e J un  28 ,   2026     T r e nc hi ng   f o r   und e r g r o und   c a bl e   a nd   pi pe l i n e   i n s t a l l a t i o i s   t y pi c a l l y   l a bo r - i nt e ns i v e ,   t i m e - c o ns um i ng ,   a nd   po t e nt i a l l y   ha z a r do us ,   pa r t i c ul a r l y   i n   e nv i r o nm e nt s   w i t h   bu r i e d   o bs t a c l e s .   T h i s   pa pe r   p r e s e n t s   a   l o w - c o s t   a ut o no m o us   t r e nc hi ng   r o bo t   w i t i n t e l l i g e n t   o bs t a c l e   d e t e c t i o a nd  pa t h   o pt i m i z a t i o t o   i m p r o v e   e xc a v a t i o n   e f f i c i e nc y ,   s a f e t y ,   a n a c c ur a c y .   T he   pr o po s e s y s t e m   i nt e g r a t e s   ul t r a s o ni c   a nd  i nf r a r e s e ns o r s   w i t a n   e m be dd e d   c o nt r o l l e r   f o r   r e a l - t i m e   o bs t a c l e   de t e c t i o a nd   a u t o no m o us   na v i g a t i o n.   A   pa t h   o pt i m i z a t i o n   a l g o r i t hm   a u t o m a t i c a l l y   a d j us t s   t h e   t r e nc hi ng   r o ut e   w h e ne v e r   a o bs t a c l e   i s   d e t e c t e d ,   a l l o w i ng   c o nt i nuo us   o pe r a t i o w h i l e   r e d uc i ng   unn e c e s s a r y   m ov e m e nt   a nd   e n e r g y   c o n s um pt i o n.   T he   r o bo t   e m pl o y s   a   t r a c ke d   m o bi l e   p l a t f o r m   a nd  a a u t o m a t e d   t r e nc hi ng   m e c ha ni s m   c a pa bl e   o f   m a i nt a i n i ng   c o ns i s t e nt   t r e nc d e p t h   a nd   w i dt h   un de r   di f f e r e n t   t e r r a i n   c o ndi t i o ns .   E xpe r i m e nt a l   r e s u l t s   de m o ns t r a t e   t ha t   t he   pr o po s e s y s t e m   a c c ur a t e l y   de t e c t s   o bs t a c l e s ,   s uc c e s s f ul l y   r e pl a ns   i t s   p a t h   i n   r e a l   t i m e ,   a nd   pe r f o r m s   r e l i a b l e   a u t o no m o us   t r e nc hi ng   w i t h   m i n i m a l   h um a n   i nt e r v e n t i o n.   C o m pa r e w i t h   c o nv e nt i o na l   m a nua l   t r e nc hi ng   m e t ho ds ,   t he   de v e l o pe d   r o bo t   i m pr o v e s   o pe r a t i o na l   e f f i c i e nc y ,   e nha nc e s   e xc a v a t i o a c c ur a c y ,   a nd  r e duc e s   s a f e t y   r i s ks   f o r   w o r ke r s .   T he   pr o po s e s y s t e m   pr o v i de s   a   pr a c t i c a l   a nd   s c a l a b l e   s o l u t i o n   f o r   und e r g r o und   c a bl e   a nd     pi pe l i ne   i ns t a l l a t i o n   a nd   ha s   s t r o ng   po t e n t i a l   f o r   f ut ur e   a pp l i c a t i o ns   i n   i nt e l l i g e nt   c o ns t r uc t i o n,   i nf r a s t r uc t u r e   d e v e l o pm e n t ,   a nd   a ut o no m o us   c i v i l   e ng i ne e r i ng .   Ke y w or d s :   A ut o m a t i o n   Io T   O b s t a c l e   de t e c t i o n   P a t o pt i m i z a t i o n   T r e n c h i ng   T hi s   i s   an   ope n   ac c e s s   ar t i c l e   u nde r   t he   C C   B Y - SA   l i c e ns e .     Cor r e s pon di n g   Au t h or :   S a a d   S a l e e m   K h a n   D e pa rt m e n t   o f   E l e c t ri c a l   E ngi n e e ri n g U ni t e d   A r a b   E m i ra t e s   U n i v e r s i t y   A l - A i 15551 ,   U A E   E m a i l :   s a a d k h a n o pf @ gm a i l . c o m       1.   I N TR O D U C TI O N   A u t o m a t i o o f   c o n s t ruc t i o e q u i p m e nt   ha s   b e e i n v e s t i ga t e f o m o r e   t ha f i v e   de c a de s   w i t t he   o b j e c t i v e   o f   i m p r o v i ng   p r o duc t i v i t y ,   s a f e t y ,   a nd   o pe ra t i o na l   e f f i c i e n c y .   D e s p i t e   s i g ni f i c a nt   t e c hno l o g i c a l   a dv a nc e s   i ro b o t i c s ,   a rt i f i c i a l   i nt e l l i ge nc e   ( A I ) ,   a nd   a u t o n o m o us   c o nt r o l ,   t h e   a do p t i o o f   r o b o t i c   c o ns t ruc t i o e qu i p m e nt   r e m a i ns   l i m i t e d ,   w i t m o s t   de v e l o p m e nt s   s t i l l   c o n f i n e t o   l a b o ra t o r y   p r o t o t y pe s   o e xpe ri m e nt a l   de m o n s t ra t i o n s   [1 ] ,   [2 ] .   Co ns e q ue nt l y ,   m a n y   c o n s t ruc t i o a c t i v i t i e s ,   p a rt i c u l a rl y   e xc a v a t i o a nd   t re nc hi ng ,   c o nt i nue   t o   re l y   h e a v i l y   o m a nu a l   o pe ra t i o n.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i V o l .   4 3 ,   N o .   2 ,   A ugus t   20 2 6 :   425 - 43 8   426   T h e   c o n s t ruc t i o i nd us t r y   p l a y s   a   f u nd a m e nt a l   ro l e   i a c hi e v i ng   t he   U ni t e d   N a t i o n s   S u s t a i na b l D e v e l o p m e nt   G o a l s   (U N S D G s ) ,   p a rt i c u l a rl y   t h o s e   r e l a t e d   t o   r e s i l i e nt   i n f ra s t ru c t u r e   a nd   s u s t a i na b l e   u r b a de v e l o p m e nt   [ 3] .   I nt e g ra t i ng   a dv a nc e d   t e c hno l o gi e s   i nt o   c o n s t ruc t i o p r o c e s s e s   ha s   t h e   po t e nt i a l   t o   i m p r o v e   o pe ra t i o na l   e f f i c i e nc y ,   re d uc e   p r o j e c t   c o s t s ,   e nha nc e   w o rk   q u a l i t y ,   a nd   m i ni m i z e   o c c u p a t i o na l   ha z a rd s   [ 4] [ 6] .   N e v e rt he l e s s ,   c o m p a re d   w i t o t he i nd u s t ri a l   s e c t o r s ,   t he   c o n s t ruc t i o i nd us t r y   ha s   b e e re l a t i v e l y   s l o w   i a do p t i ng   a u t o m a t i o t e c hno l o g i e s   due   t o   hi g i m p l e m e nt a t i o c o s t s ,   c o m pl e x   o pe ra t i ng   e nv i ro nm e nt s ,   a nd   t h e   f ra g m e nt e d   na t u re   o f   c o n s t ruc t i o p r o j e c t s   [ 7] .   A s   i nf ra s t ruc t u r e   de m a nd   c o nt i nue s   t o   i nc r e a s e   w o rl dw i de ,   t h e re   i s   a u rge nt   ne e d   f o i nt e l l i ge nt   a nd   a u t o n o m o us   c o ns t ru c t i o e q ui p m e nt   c a p a b l e   o f   o pe ra t i ng   s a f e l y   a nd   e f f i c i e nt l y   u nde dy na m i c   f i e l d   c o ndi t i o n s .   A I ,   ro b o t i c s ,   m a c hi ne   l e a rni ng ,   c o m p ut e v i s i o n,   a nd   i nt e r ne t   o f   t hi ng s   ( Io T t e c hno l o g i e s   ha v e   r e c e nt l y   e m e rge d   a s   p r o m i s i ng   s o l u t i o n s   f o r   m o de r ni z i ng   c o ns t ruc t i o o pe ra t i o ns   [ 8] .   N u m e r o u s   s t ud i e s   ha v e   f o c us e o i nc r e a s i ng   t he   l e v e l   o f   a ut o m a t i o b y   i m p r o v i ng   pe r c e p t i o n,   l o c a l i z a t i o n,   na v i ga t i o n,   a nd   de c i s i o n - m a ki ng   c a p a b i l i t i e s   o f   c o n s t ruc t i o m a c hi ne r y   [9 ] [1 1 ] .   A m o ng   t h e s e   c a p a b i l i t i e s ,   p a t p l a nni ng   a nd   o b s t a c l e   a v o i da nc e   a r e   p a rt i c u l a rl y   i m po r t a nt   b e c a us e   c o n s t ruc t i o s i t e s   a r e   hi g hl y   u ns t ru c t u r e d   a nd   c o nt i nuo us l y   c h a ng i ng   e nv i r o nm e nt s   [ 12 ] [1 7 ] .   Co m p re h e ns i v e   s u r v e y s   ha v e   de m o n s t ra t e d   t ha t   re l i a b l e   o b s t a c l e   de t e c t i o n,   l o c a l i z a t i o n,   a nd   m o t i o p l a n ni ng   re m a i f u nd a m e nt a l   c ha l l e nge s   f o a c hi e v i ng   f u l l y   a ut o n o m o u s   c o n s t ruc t i o r o b o t s   [1 8 ] .   S e v e ra l   r e s e a rc h e rs   ha v e   i n v e s t i g a t e d   t he   a u t o m a t i o o f   t r e nc hi ng   o pe ra t i o ns   us i ng   di f f e r e nt   m a c hi ne   c o n f i g u ra t i o n s .   A   m o di f i e d   w a l k i ng   e xc a v a t o c a p a b l e   o f   ge n e ra t i ng   f r e e - f o rm   t re n c he s   w a s   p r e s e nt e d   i [ 19 ] ,   w h e r e   a u t o n o m o us   m a p p i ng   a nd   e xc a v a t i o t e c hni q ue s   i m p ro v e d   t re n c hi ng   f l e x i b i l i t y .   H o w e v e r ,   t he   c o m p l e x i t y   o f   c o nt ro l l i ng   t he   w a l k i ng   m e c ha ni s m   re d uc e d   t he   o v e ra l l   o pe ra t i o na l   e f f i c i e nc y .   hi e ra rc hi c a l   s o f t w a r e   a r c hi t e c t u r e   b a s e d   o b e ha v i o r - d ri v e c o nt r o l   w a s   p r o po s e f o a u t o n o m o us   e xc a v a t i o n   [ 20 ] .   A l t h o u g h   t h e   s y s t e m   de m o n s t ra t e d   a d a p t a b i l i t y   t o   c ha ng i ng   e n v i r o nm e nt s ,   i t s   pe r f o rm a nc e   w a s   l i m i t e d   w h e e xe c u t i ng   m o r e   c o m p l e x   e xc a v a t i o t a s ks .   R e i n f o rc e m e nt   l e a rni ng   w a s   e m pl o y e i [ 2 1]   t o   e na b l e   a e xc a v a t o t o   a dj us t   i t s   o pe ra t i ng  p a ra m e t e rs   a c c o rd i ng  t o   v a r y i ng   s o i l   c ha ra c t e r i s t i c s ,   t he r e b y   i m p ro v i ng   e xc a v a t i o e f f i c i e n c y .   N e v e rt he l e s s ,   t h e   a p p r o a c re q u i r e d   e xt e ns i v e   t ra i ni ng   d a t a   a nd   s i g ni f i c a nt   c o m p u t a t i o na l   re s o u rc e s   f o r e a l - t i m e   i m pl e m e nt a t i o n.   A a u t o n o m o us   t re n c h e e qu i ppe w i t t e rra i t ra v e r s a b i l i t y   m a pp i ng   us i ng  R G B   i m a ge s   a nd   3D   po i nt   c l o u ds   w a s   i nt ro duc e d   i [ 2 2] .   W hi l e   t he   p r o p o s e s y s t e m   i m p r o v e d   na v i g a t i o i u ns t ruc t u re d   e n v i r o nm e nt s ,   f u rt he i m p r o v e m e nt s   w e r e   ne e de d   i o b s t a c l e   de t e c t i o a c c u ra c y ,   c o m p u t a t i o na l   e f f i c i e nc y ,   a nd  r e a l - t i m e   p a t o pt i m i z a t i o n.   A l t h o ug c o ns i de ra b l e   p r o g r e s s   ha s   b e e n   a c hi e v e d ,   s e v e ra l   i m po rt a nt   l i m i t a t i o ns   re m a i n.   M o s t   e x i s t i ng  a ut o n o m o u s   t r e nc hi ng   s y s t e m s   e m p l o y   e x pe n s i v e   s e ns i ng   ha rdw a re ,   re q u i r e   hi g c o m p u t a t i o na l   re s o u r c e s ,   o f o c us   p ri m a ri l y   o e i t h e na v i g a t i o o e xc a v a t i o w i t h o u t   i nt e g ra t i ng   i nt e l l i ge nt   o b s t a c l e   de t e c t i o n,   a d a p t i v e   p a t o p t i m i z a t i o n,   a nd   p ra c t i c a l   f i e l d   de p l o y m e nt   i nt o   a   s i ng l e   l o w - c o s t   p l a t f o rm .   F u rt he rm o re ,   m a n y   re po rt e s y s t e m s   re m a i e x pe ri m e nt a l   a n d   ha v e   n o t   s uf f i c i e nt l y   a d d re s s e d   t h e   re qu i re m e nt s   o f   a f f o rd a b i l i t y ,   ro b us t n e s s ,   a nd   s c a l a b i l i t y   n e e de d   f o p ra c t i c a l   c o n s t ruc t i o a pp l i c a t i o ns .   T o   a dd re s s   t he s e   c ha l l e nge s ,   t hi s   p a pe p ro po s e s   a a u t o n o m o u s   t r e nc hi ng   ro b o t   t ha t   i nt e g ra t e s   i nt e l l i ge nt   o b s t a c l e   de t e c t i o n,   a d a p t i v e   p a t o p t i m i z a t i o n,   a nd   Io T - e na b l e d   m o ni t o ri ng   i nt o   a   c o m p a c t   a nd   c o s t - e f f e c t i v e   pl a t f o rm .   T h e   p r o po s e d   s y s t e m   c o m b i n e s   re a l - t i m e   e n v i r o nm e nt a l   s e n s i ng   w i t a u t o n o m o us   na v i ga t i o a l go ri t hm s   t o   de t e c t   o b s t a c l e s ,   o pt i m i z e   e xc a v a t i o t ra j e c t o ri e s ,   a nd   m a i nt a i c o nt i nuo us   t r e nc hi ng   o pe ra t i o ns   w h i l e   m i ni m i z i ng   o pe ra t o i nt e r v e nt i o n.   Co m p a r e d   w i t e x i s t i ng   a p p r o a c h e s ,   t he   p r o po s e d   s y s t e m   o f f e r s   a   p ra c t i c a l   b a l a nc e   b e t w e e a u t o n o m y ,   c o m p u t a t i o na l   e f f i c i e nc y ,   i m p l e m e nt a t i o c o s t ,   a nd   o pe ra t i o na l   r o b u s t ne s s ,   m a k i ng   i t   m o r e   s u i t a b l e   f o r e a l - w o rl d   c o n s t ruc t i o e n v i r o nm e nt s .   T h e   m a j o c o nt ri b u t i o n s   o f   t hi s   w o rk   a r e   s u m m a ri z e d   a s   f o l l o w s :     A   l o w - c o s t   a u t o n o m o us   t re n c hi ng   r o b o t   i s   de v e l o pe d   b y   i nt e g ra t i ng   i nt e l l i ge nt   na v i g a t i o n,   o b s t a c l e   de t e c t i o n,   a nd   t r e nc e xc a v a t i o i nt o   a   s i ng l e   c o m p a c t   pl a t f o rm .     A   r e a l - t i m e   o b s t a c l e   de t e c t i o a nd   a d a p t i v e   pa t o pt i m i z a t i o s t ra t e gy   i s   p r o po s e d   t o   e na b l e   s a f e   na v i g a t i o a nd   c o nt i nuo us   t re n c hi ng   i dy na m i c   c o n s t ruc t i o e n v i r o nm e n t s .     A Io T - e na b l e d   m o ni t o ri ng   a rc hi t e c t u r e   i s   i nc o rpo ra t e d   t o   p r o v i de   re m o t e   s u pe r v i s i o n,   o pe ra t i o na l   m o ni t o ri ng ,   a nd   i m p r o v e d   s y s t e m   r e l i a b i l i t y .     Co m p r e he ns i v e   p ro t o t y pe   e x pe ri m e nt s   a r e   c o nduc t e d   t o   v a l i d a t e   t he   e f f e c t i v e n e s s   o f   t h e   p r o po s e d   s y s t e m   i t e rm s   o f   a u t o n o m o us   na v i g a t i o n,   o b s t a c l e   a v o i d a n c e ,   a nd   t re nc h i ng   pe r f o rm a nc e .   T h e   re m a i nde o f   t hi s   p a pe i s   o rg a ni z e d   a s   f o l l o w s .   I s e c t i o 2   re v i e w s   e x i s t i ng   a u t o m a t i o t e c hni q ue s   f o a ut o n o m o u s   t r e nc hi ng   s y s t e m s .   I s e c t i o 3   p re s e nt s   t he   p r o po s e d   m e t h o do l o gy   a nd   s y s t e m   a rc hi t e c t u r e .   S e c t i o 4   de s c ri b e s   t h e   e x pe ri m e nt a l   s e t up   a nd   p r o t o t y pe   i m p l e m e nt a t i o n.   S e c t i o d i s c u s s e s   t he     e xpe ri m e nt a l   re s u l t s   a nd   p e r f o rm a n c e   e v a l u a t i o n,   w hi l e   s e c t i o 6   c o n c l ude s   t he   p a pe a nd   o u t l i n e s   f u t u re   r e s e a r c d i r e c t i o n s .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A ut on om ous   t r e n c hi n r ob ot   w i t i nt e l l i g e nt   obs t ac l e   de t e c t i on  and   pa t h     ( Muham m ad   O m ar )   427   2.   M ET H O D   2. 1 .     P r o p o s e d   s ys te m   T h e   o v e r a l l   a r c h i t e c t ur e   o f   t h e   p r o po s e a ut o n o m o us   t r e n c hi n g   s y s t e m   i s   i l l us t ra t e d   i F i gu r e   1 .     T h e   s y s t e m   i n t e g ra t e s   s e n s i n g ,   i nt e l l i ge n t   c o n t r o l ,   a u t o n o m o us   na v i ga t i o n,   o b s t a c l e   a v o i da n c e ,   t r e n c h i n g ,   a nd  r e m o t e   m o n i t o r i ng  i n t o   a   u ni f i e pl a t f o r m .   R e a l - t i m e   i m a ge   da t a   c a p t u r e by   t h e   o n b o a r d   c a m e r a   a nd  di s t a n c e   i n f o r m a t i o n   o b t a i n e f r o m   t h e   o b s t a c l e   de t e c t i on   s e n s o r s   a r e   t r a n s m i t t e t o   t h e   di g i t a l   s i g n a l   pr o c e s s o r   (D S P ),   w h i c h   s e r v e s   a s   t h e   c e nt ra l   p r o c e s s i n u n i t .   T h e   D S P   pe r f o r m s   i m a ge   p r o c e s s i n a n d   s e n s o f us i o n   t o   a c c ura t e l y   i de nt i fy   o bs t a c l e s   a n d   e v a l ua t e   t h e   s u rr o u n di ng  e n v i r o nm e nt .   B a s e o t h e   p r o c e s s e d   i n f o r m a t i o n,   t h e   c o nt r o l l e ge n e ra t e s   na v i ga t i o c o m m a n ds   t ha t   e na b l e   a u t o n o m o us   m o v e m e n t   w hi l e   m a i n t a i ni n g   t h e   de s i r e t r e n c hi n g   pa t h.   W h e a o b s t a c l e   i s   de t e c t e d,   t h e   D S P   e xe c ut e s   t h e   o b s t a c l e   a v o i da n c e   a nd  pa t h   o pt i m i z a t i o a l go r i t hm   t o   de t e rm i n e   a n   a l t e rn a t i v e   r o ut e   w i t h   m i ni m um   de v i a t i o f r o m   t h e   p l a nn e d   t ra j e c t o r y .   T h e   o pt i m i z e pa t i s   t h e s e nt   t o   t he   m o t o c o n t r o l   u n i t ,   w hi c h   a c t u a t e s   t h e   t r a c ke dri v e   s y s t e m   a n d   t r e n c h i n g   m e c ha ni s m   t o   c o n t i n ue   e xc a v a t i o s a f e l y   a n d   e ff i c i e n t l y .   T hi s   c l o s e d - l oo c o n t r o l   s t ra t e gy   e n s u r e s   c o n t i n uo us   o pe ra t i o w hi l e   m i ni m i z i n g   u nn e c e s s a r y   m o v e m e n t s   a n d   m a i n t a i ni n g   t r e n c h   qua l i t y .   F o r   m o n i t o ri n g   pu rpo s e s ,   t h e   D S P   s i m ul t a n e o us l y   t ra n s m i t s   l i v e   v i de o   a n d   o pe ra t i o n a l   d a t a   t o   a   w e s e r v e r   t hr o ug a   w i r e l e s s   c o m m u n i c a t i o n   m o dul e .   T h e s e   da t a   a r e   a c c e s s e by   a n   A n d r o i d - b a s e m o b i l e   a ppl i c a t i o n ,   a l l o w i n o pe r a t o r s   t o   r e m o t e l y   m o n i t o r   t h e   r o bot s   s t a t us ,   v i e w i n a n g l e ,   a nd  t r e n c h i n g   p r o gr e s s   i n   r e a l   t i m e .   gl o b a l   po s i t i o n i ng  s y s t e m   (G P S m o dul e   p rov i de s   t h e   r o b o t s   ge o gr a p h i c a l   c o o r di na t e s   f o r   na v i ga t i o n   a n po s i t i o n   t r a c ki ng,   w h i l e   a n   o n b o a r d   gy r o s c ope   c o n t i n uo us l y   m e a s ur e s   t h e   r o b o t s   o r i e n t a t i o n   a n d   i n c l i n a t i o n .   T h e   i n c l i na t i o i n f o r m a t i o i s   us e t o   i m p rov e   m o t i o n   s t a b i l i t y   a n d   m a i nt a i s a f e   o pe r a t i o w h e n   t h e   r o b o t   t r a v e r s e s   u n e v e n   o r   s l o pe t e rra i n.   T h e   i nt e gra t i o n   o f   r e a l - t i m e   s e n s i n g ,   i n t e l l i ge n t   pa t pl a nni n g ,   a u t o n o m o us   c o n t r o l ,   a n d   r e m o t e   m o n i t o r i ng   e na b l e s   t h e   p r o po s e s y s t e m   t o   pe r f o r m   t r e n c e xc a v a t i o n   w i t m i n i m a l   hum a i nt e r v e nt i o w h i l e   i m p r o v i ng  o pe r a t i o na l   s a f e t y ,   a c c ura c y ,   a n e f f i c i e n c y .           F i gu r e   1 .   S y s t e m   b l oc di a g ra m       2. 2   P r o to typ e   d e v e l o p m e n t   T h e   p r o po s e a ut o n o m o us   t r e n c h e r   w a s   de v e l o pe t hr o ug h   t w o   i t e ra t i v e   s t a ge s ,   n a m e l y   P r o t o - a n d   P r o t o - 2,   t o   f a c i l i t a t e   s y s t e m a t i c   h a r dw a r e   i nt e g r a t i o n,   s o f t w a r e   v e r i f i c a t i o n,   a n pe r f o r m a n c e   o pt i m i z a t i o n.   T h e   f i r s t   s t a ge   f oc us e o n   v a l i da t i ng   t h e   f un d a m e nt a l   o pe r a t i o n   o f   t h e   a ut o n o m o us   t r e n c hi n g   s y s t e m ,   i n c l udi ng   s e n s o i n t e g r a t i o n ,   o b s t a c l e   de t e c t i o n,   n a v i g a t i o c o n t r o l ,   a n d   r e m o t e   c o m m u ni c a t i o n.   B a s e o t h e   f i n di ngs   o b t a i n e d   f r o m   t h e   i ni t i a l   p r o t o t y pe ,   a   s e c o n p r o t o t y pe   w a s   s ub s e que n t l y   de v e l o pe w i t i m p r o v e d   m e c h a ni c a l   de s i g n ,   e nh a n c e s e n s i n c a p a b i l i t y ,   a n r e f i n e d   c o n t r o l   a l go r i t h m s   t o   a c h i e v e   gr e a t e r   o pe ra t i o na l   r e l i a b i l i t y   a nd  f i e l d   pe r f o r m a n c e .   T hi s   s t a ge de v e l o pm e nt   a pp r o a c h   e na b l e p r o gr e s s i v e   i m p r o v e m e n t s   w h i l e   m i ni m i z i n g   i m pl e m e n t a t i o r i s ks   a n d   s i m pl i fy i n t r o ub l e s h oo t i ng  d u r i n g   s y s t e m   i nt e g r a t i o n.     2. 2 . 1.     P r o to - p h as e   T h e   P r o t o - pha s e   s e r v e a s   t h e   p r o o f - of - c o n c e pt   i m pl e m e nt a t i o o f   t h e   p r o po s e a ut o n o m o us   t r e n c h i ng  s y s t e m .   D u r i ng  t hi s   s t a ge ,   t h e   m e c ha n i c a l   s t r uc t ur e ,   e l e c t r o n i c   ha r dw a r e ,   s e n s i n g   m o dul e s ,   a nd  e m b e dde c o n t r o l   s y s t e m   w e r e   a s s e m b l e t o   e s t a b l i s a   f un c t i o n a l   p r o t o t y pe   c a pa b l e   of   a ut o n o m o us   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i V o l .   4 3 ,   N o .   2 ,   A ugus t   20 2 6 :   425 - 43 8   428   na v i ga t i o a n d   t r e n c h i ng.   T h e   s o f t w a r e   de v e l o pm e n t   c o n c e nt r a t e o i m pl e m e n t i n g   t h e   c o r e   a l go r i t hm s   f o r   ob s t a c l e   de t e c t i o n ,   a ut o n o m o us   n a v i ga t i o n ,   p a t o pt i m i z a t i o n,   t r e n c h i n g   o pe ra t i o n,   a n d   w i r e l e s s   r e m o t e   m o n i t o ri n g.   I ndi v i du a l   m o dul e s   w e r e   i ni t i a l l y   v e r i f i e i n de pe n de n t l y   b e fo r e   b e i n g   i n t e g ra t e d   i nt o   t h e   c o m pl e t e   c o n t r o l   s y s t e m   t o   e n s u r e   r e l i a b l e   o pe ra t i o n .   T h e   p r o t o t y pe   e m pl oy e m ul t i pl e   s e n s o r s   t o   o b t a i n   e n v i ro n m e n t a l   a n o pe ra t i o n a l   i n f o r m a t i o n,   i n c l udi ng  o b s t a c l e   di s t a n c e ,   r o b o t   o r i e nt a t i o n,   ge o gr a p hi c a l   l o c a t i o n ,   a n d   r e a l - t i m e   v i s ua l   f e e d b a c k.   T h e   c o l l e c t e da t a   w e r e   p r o c e s s e by   t h e   D S P   t o   s uppo rt   a u t o n o m o us   de c i s i o n - m a k i n g   a nd   c o n t r o l   o f   t h e   t r e n c h i ng  m e c h a ni s m .   T h e   h a rdw a r e   c o m po n e nt s   a nd  s e n s i n g   m o dul e s   us e i t h e   de v e l o pm e n t   o f   P r o t o - a r e   s um m a r i z e i T a b l e   1.   T h e i s pe c i f i c a t i o n s   a nd  f unc t i o n s   a r e   s e l e c t e t o   pr o v i de   r e l i a b l e   s e n s i ng,   a c c ur a t e   na v i ga t i o n,   a n d   s t a b l e   o pe r a t i o w h i l e   m a i n t a i ni n g   a   c o s t - e ffe c t i ve   s y s t e m   de s i g s ui t a b l e   f o r   pra c t i c a l   de pl o y m e n t.       T a b l e   I .   L i s t   o f   c o m po n e nt s   f o r   a s s e m b l y   of   P r o t o - 1   S r.   Co m p o n e n t   d e s c ri p t i o n   1   T ra i n i n g   k i t   (4   m o t o r - d ri v e n   w h e e l s   a n d   c h a s s i s   s e t ).   2   L 2 9 8 N   m o t o r   d r i v e r s   f o r   a c t u a t i n g   D m o t o r s .   3   4 . 5   V ,   1 2 5   rp m   D C   m o t o r s   f o r   d ri v i n g   p r o t o t y p e   w h e e l s .   4   HC - S R0 4   u l t ra s o n i c   d i s t a n c e   s e n s o r   f o r   o b s t a c l e   d e t e c t i o n .   5   HC - 0 5   B l u e t o o t h   M o d u l e   fo r e m o t e   c o n t r o l   o p ro t o t y p e .   6   E S P 3 2 - C A M   W i - F i   +   B l u e t o o t h   m o d u l e   fo v i d e o   p ro c e s s i n g .   7   G P S   m o d u l e   b a s e d   o n   t h e   U b l o x   N E O - 6 M   f o r   p o s i t i o n i n g .       T h e   f a b r i c a t e d   p r o t o t y pe   a t   t h e   e n o f   t h e   P r o t o - pha s e   o f   t h e   p r o j e c t   i s   s h o w n   i F i gu r e   2.   A l go r i t h m s   w e r e   w r i t t e n   f o r   t h e   c o n t r o l l e r   t o   r e gu l a t e   v a ri o us   pr o t o t y pe   f un c t i o na l i t i e s   a n d   f e a t ur e s .   A f t e r   c o n n e c t i n t o   a   W i - F i   a c c e s s   po i n t ,   t h e   s y s t e m   w a s   c a pa b l e   of   l i v e   v i de o   s t r e a m i n g   v i a   a   w e b   s e r ve r .   A   t w o - s t e i de n t i f i c a t i o p r o c e s s   of   obj e c t   c o n t o ur i ng  a n d   i de n t i f i c a t i o i m pl e m e nt e o b s t a c l e   a v o i da n c e .           F i gu r e   2 .   A s s e m b l e p r o t o t y pe   a t   P r o t o - p ha s e       V a r i o us   a l go r i t hm i c   a pp r o a c h e s   f o r   pa t pl a nn i n g   a n d   na v i ga t i o a r e   d i s c us s e i [ 23].   T h e s e   a r e   c l a s s i f i e a s   g r i d - b a s e d,   s a m p l i ng - b a s e a n po t e n t i a l   f i e l d   t e c hn i que s .   T h e   g ri d - b a s e A a l go ri t hm   w a s   s e l e c t e fo r   t h i s   p r o j e c t   t o   de t e r m i n e   o pt i m a l   p a t h   d u r i n g   na v i ga t i o n.   A ddi t i o n a l l y ,   t w o   m o de s   of   o pe r a t i o n   w e r e   p r o g r a m m e d :   a u t o m a t i c   a n d   m a n u a l   r e m o t e   c o n t r o l .   A   f l ow   c h a r t   f o t h e   o b s t a c l e   de t e c t i o n   a l go r i t h m   i s   s h o w n   i F i g u r e   3 .   R e gi o n - b a s e c o n v o l ut i o n a l   n e u r a l   n e t w o r (R - CN N w a s   us e fo r   o b s t a c l e   de t e c t i o n .   I R - CN N   m o de l s ,   t h e   m o s t   e s s e n t i a l   f e a t u r e s   w e r e   e xt r a c t e us i n s e l e c t i v e   f e a t ur e s .   T h e   p r o c e s s   of   s e l e c t i ng  t h e   m o s t   s i g n i f i c a n t   e xt ra c t i o n s   w a s   c o m put e w i t h   t h e   h e l o f   a   s e l e c t i v e   s e a r c h   a l go ri t hm   t h a t   a c hi e v e t h e   m o s t   i m po rt a nt   r e gi o n a l   p r o po s a l s .   A f t e s o m e   i n i t i a l   t e s t i n g   o t h e   p r o t o t y p e ,   i t   w a s   de t e r m i n e d   t ha t   s e v e r a l   c h a nge s   w e r e   r e qui r e t o   e nh a n c e   i t s   di f f e r e n t   pe r f o r m a n c e   pa r a m e t e r s .   T h e s e   c h a n ge s   w e r e   m a de   du ri n g   t h e   P r o t o - p h a s e   o f   t h e   p r o j e c t ,   a s   d i s c us s e b e l ow .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A ut on om ous   t r e n c hi n r ob ot   w i t i nt e l l i g e nt   obs t ac l e   de t e c t i on  and   pa t h     ( Muham m ad   O m ar )   429       F i gu r e   3 .   F l o w c h a r t   f o r   o b s t a c l e   de t e c t i o n       2. 2 . 2.     P r o to - P h as e   S e ve r a l   c h a n ge s   w e r e   m a de   t o   t h e   s y s t e m   de s i g n,   a s   l i s t e i T a b l e   2 ,   t o   i m p r o v e   s y s t e m   pe r f o r m a n c e .   T h e   n e w   de s i g r e qui r e d   m o di f i c a t i o n s   t o   b o t t h e   ha r dw a r e   a n d   s o f t w a r e   e n d   o f   t h e   p r o j e c t .   A f t e r   t h e   c o m pl e t i o n   o f   t h e   P r o t o - pha s e ,   t h e   p r o j e c t   m ov e o n   t o   t h e   de t a i l e t e s t i ng  a nd  o pt i m i z a t i o pha s e .       T a b l e   2 .   L i s t   o f   c h a n ge s   f o r   P r o t o - p ha s e   S r.   Ch a n g e   m a d e   t o   p ro t o t y p e   1   Ch a n g e   o f   c a m e ra   m o d u l e s   t o   3 6 0 ˚  c a m e ra s .   2   A d d i t i o n   o g y r o s c o p e   s e n s o r   f o t e rra i n   s l o p e   d e t e c t i o n   c a p a b i l i t i e s .   3   Re v i s i o n   o p o s i t i o n i n g   o f   u l t ra s o n i c   s e n s o r s   f o r   b e t t e s e n s i n g .   4   O p t i m i z a t i o n   o f   p a t h   p l a n n i n g   a n d   o b s t a c l e   a v o i d a n c e   a l g o ri t h m s .   5   S e v e ra l   h a rd w a r e   d e s i g n   r e v i s i o n s   f o r   b e t t e v i s u a l i z a t i o n   o t h e   t r e n c h e r.       T h e   c ha n ge   o f   c a m e ra   m o dul e s   a l l o w e b e t t e r   v i s ua l i z a t i o o f   t h e   p r o t o t y p e s   s urr o undi n gs ,   i n c r e a s i ng  t h e   f i e l o f   v i e w   a n pe rm i t t i ng  b e t t e r   o b s t a c l e   de t e c t i o n .   T h e   gy r o s c o pe   s e n s o r   p r o v i de d   i n f o r m a t i o a b o ut   t h e   i n c l i na t i o n   o f   t h e   p r o t o t y pe ,   t h e r e by   de t e rm i ni n g   t h e   s l o pe   o f   t h e   t e rr a i n   w h e r e   t h e   m a c h i n e   w a s   o pe ra t i n g .   T h i s   i n f o r m a t i o i s   n e c e s s a r y   t o   c o n t r o l   v a r i o us   a s pe c t s   o f   t h e   t r e n c h e r   m a c h i n e ,   s uc h   a s   w h e e l   m o t o r   c o n t r o l ,   a n d   t h e   a n gl e   o f   t h e   t r e n c h e b l a de   f o r   e xc a v a t i o n.   F o a i n c l i na t i o b e y o n   a   t hr e s h o l d   v a l ue ,   t h e   p r o t o t y pe   r e r o ut e i t s e l f   a n d   f o un a   m o r e   a pp r o p r i a t e   p a t f o r   t r e n c h i ng.   T a b a s s um   e t   al .   [2 4],   t hr e e   ul t r a s o ni c   s e n s o r s   w e r e   us e t o   de t e c t   a n d   c i r c um na v i ga t e   o b s t a c l e s   a l o n g   t h e   pa t o f   a a ut o n o m o us   r o b o t .   Ini t i a l l y ,   t h e   de s i gn e d   p r o t o t y pe   a l s o   ut i l i z e t hr e e   s e n s o r s   T h e   s e n s o r s   w e r e   po s i t i o n e d   t o   p r o v i de   p r o xi m i t y   da t a ,   a c c ura t e l y   di s t a n c i n g   o b s t a c l e s   i t h e   p r o t o t y pe s   v i c i n i t y .   T h e   n u m b e r   o f   s e n s o r s   n e e de t o   b e   o pt i m i z e d,   f o r   w h i c h   e xt e n s i v e   t e s t i n g   w a s   c a rr i e o ut .   T h e   p r o t o t y pe   w a s   m o ve be t w e e n   t w o   p o i n t s ,   A   a nd  O .   I t   w a s   o bs e r v e t h a t   t h e   t r e n c h e r   di d   n o t   r e r o ut e   t o   t h e   s h o r t e s t   a v a i l a b l e   pa t h   a n d   c h o s e   a   di f f e r e n t   r o ut e   o n   e a c h   i t e ra t i o n.   T h e   num b e r   o f   s e n s o r s   w a s   i n c r e a s e i n c r e m e nt a l l y ,   a n d   t e s t s   w e r e   r e pe a t e d   f o r   t h e   s a m e   s e t up .   It   w a s   de t e rm i n e d   t ha t   t h e   o pt i m a l   n u m b e r   o f   ul t r a s o ni c   s e n s o r s   w a s   s e v e n ,   a nd  t h e r e   w a s   n o   a ppr e c i a b l e   i m p r o v e m e n t   f o r   a   g r e a t e r   num b e r   o Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i V o l .   4 3 ,   N o .   2 ,   A ugus t   20 2 6 :   425 - 43 8   430   s e n s o r s   o n   t h e   p r o t o t y pe .   A   v i s ua l i z a t i o o f   t h e   t e s t   r e s ul t s   i s   gi v e i F i gu r e   4.   I t h e   f i na l   de s i g n,   t h e   pr o t o t y p e   w a s   e qui ppe d   w i t t h r e e   c a m e ra   m o dul e s   (f r o nt ,   b a c k,   b o t t o m a nd   s e v e n   ul t r a s o n i c   s e n s o r s   (3x   f r o n t ,   4 s i de s )   a l o n g   w i t o t h e s e n s o r s   a nd  p r o c e s s o r s .           F i gu r e   4 .   D e t e c t i o a nd  c i r c u m n a v i g a t i o n   a c c ura c y   m a p   f o r   di f fe r e nt   num b e o f   ul t r a s o ni c   s e n s o r s       T h e r e   w a s   a   r e v i s i o n   t o   t h e   pa t h   p l a nni n g   a n d   o b s t a c l e   a vo i da n c e   a l go ri t hm s   t o   i m p r o v e   ov e r a l l   s y s t e m   pe r fo r m a n c e .   T h e   p r o t o t y p e   w a s   de s i gn e w i t h   a   m o n o c ul a r   v i s i o n   t e c hn i que ,   us i ng  a   c a m e r a   a n d   ul t ra s o n i c   s e n s o r s   f o r   c o n t o u r i n g   a nd  de t e c t i o o f   ob s t a c l e s   t o   de t e rm i n e   t h e   s h o r t e s t   po s s i b l e   pa t h   d u r i n g   c i r c um na v i ga t i o n.   T hi s   e n s u r e t r e n c hi n e f f i c i e n c y   by   m i n i m i z i n g   t i m e   o f   o pe r a t i o a n d   f ue l   c o n s um p t i o n .   L a s t l y ,   t h e   p r o t o t y pe   h a r dw a r e   w a s   c ha n ge t o   b e t t e r   r e pr e s e nt   a   t r e n c h e r   m a c h i n e .   A   m o t o r - c o n t r o l l e d   b l a de   o t h e   f r o n t   w a s   a dde d ,   a n o f f - r o a t y r e s   w e r e   us e f o r   b e t t e r   t r a c t i o n.   T h e   f i n a l   t r e n c h e pr o t o t y p e   i s   s h o w n   i F i gu r e   5.           F i gu r e   5 .   T r e n c h e r   p r o t o t y pe   a f t e r   P r o t o - c h a nge s       2. 2 . 3.   M o b i l e   a p p l i c ati o n   A   m o b i l e   a ppl i c a t i o n   w a s   de v e l o p e fo r   r e m o t e   m o n i t o r i ng  a n c o nt r o l   o f   t h e   p r o t o t y pe .   T h e   m o b i l e   a ppl i c a t i o c o m m u n i c a t e w i t h   t h e   p r o t o t y p e   v i a   B l ue t o o t h .   T h e   us e c o ul a c c e s s   a   v i de o   f e e f r o m   a n y   of  t h e   c a m e r a s   i n s t a l l e o t h e   p r o t o t y pe .   T h e   us e a l s o   h a d   i n f o r m a t i o n   a b o ut   t h e   t r e n c h e r s   l o c a t i o n   a n d   pl a nn e p a t h   f o r   t r e n c h i n g .   T h e   a ppl i c a t i o n   a l s o   a l l o w e t h e   us e r   t o   c o n t r o l   t h e   t r e n c h e r e m o t e l y .   T h e   m o b i l e   a ppl i c a t i o n   i s   s h o w n   i F i gu r e   6 .   F i gu r e   6 (a )   i s   a p pl i c a t i o h o m e   s c r e e n ,   F i gu r e   6 (b )   is   s c r e e f o r   s w i t c h i n g   m o de   o f   o pe r a t i o a n d   a c c e s s i n g   l i v e   v i de o   f e e d ,   a nd   F i gu r e   6 (c )   is   l i v e   s t r e a m   f r o m   t r e n c h e r   c a m e ra .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A ut on om ous   t r e n c hi n r ob ot   w i t i nt e l l i g e nt   obs t ac l e   de t e c t i on  and   pa t h     ( Muham m ad   O m ar )   431         (a )   (b )   (c )     F i gu r e   6 .   M o b i l e   a pp l i c a t i o f o r   c o n t r o l l i n g   t r e n c h e r ;   ( a )   a pp l i c a t i o h o m e   s c r e e n ,   (b s c r e e f o r   s w i t c h i ng  m o de   of   o pe r a t i o n   a n d   a c c e s s i n g   l i v e   v i de o   fe e d ,   a n d   (c l i v e   s t r e a m   f r o m   t r e n c h e c a m e ra       3.   R ES U LTS   A N D   D I S C U S S I O N   T h e   pe r f o r m a n c e   o f   t h e   de v e l o pe a ut o n o m o us   t r e n c h e w a s   e v a l ua t e t hr o ug h   a   s e ri e s   of  l a b o r a t o r y   a n f i e l d   e xpe r i m e n t s   c o n d uc t e du r i ng  t h e   P r o t o - de ve l o pm e n t   p ha s e .   T h e   e v a l ua t i o f o c us e d   o n   t h e   e f f e c t i v e n e s s   of   t h e   p r o po s e a ut o n o m o us   na v i ga t i o n ,   o b s t a c l e   de t e c t i o n,   pa t o pt i m i z a t i o n ,   a n d   t e rra i a d a pt a b i l i t y   m e c ha ni s m s .   E xpe r i m e n t a l   r e s ul t s   de m o n s t r a t e   t h a t   t h e   de v e l o p e s y s t e m   c a r e l i a b l y   de t e c t   ob s t a c l e s ,   ge n e ra t e   a l t e rn a t i v e   na v i ga t i o n   pa t h s ,   a nd  c o n t i n ue   t r e n c h i ng  o pe r a t i o n s   w i t h   m i ni m a l   h u m a i nt e r v e n t i o n.   T h e   p r o po s e s y s t e m   i n t e g r a t e s   m ul t i p l e   s e n s i n g   t e c hn o l o gi e s   w i t h   a A I - b a s e o b s t a c l e   m a pp i n g   a l go ri t hm   t o   c o n s t r uc t   a   r e a l - t i m e   r e p r e s e n t a t i o n   of   t h e   s u rr o u n di n g   e n v i r o nm e nt .   S e n s o r   f us i o e n a b l e s   a c c ura t e   o b s t a c l e   l oc a l i z a t i o n   w hi l e   r e duc i n f a l s e   d e t e c t i o n s   c a us e by   e n v i r o nm e nt a l   n o i s e .   B a s e d   o n   t h e   ge n e ra t e e n v i r o nm e nt a l   m a p,   t h e   pa t pl a nn i ng  a l go ri t hm   c o n t i nuo us l y   de t e r m i n e s   t h e   s h o r t e s t   c o l l i s i o n - f r e e   t ra j e c t o r y ,   a l l o w i n t h e   r o b o t   t o   a v o i o b s t a c l e s   w h i l e   m a i nt a i n i ng  t h e   de s i r e t r e n c hi n g   di r e c t i o n.   E xpe r i m e nt a l   o b s e r v a t i o n s   i ndi c a t e   t h a t   t h e   p r o t o t y pe   s uc c e s s f ul l y   de t e c t e bo t h   s t a t i c   a n d   un e xpe c t e o b s t a c l e s   a n d   dy n a m i c a l l y   m o di f i e i t s   t r a j e c t or y   a c c o r di n g   t o   o b s t a c l e   di m e n s i o n s   a nd   t e rr a i c o n di t i o n s .   T h e   i nt e g r a t i o o f   G P S   a nd  gy r o s c o p e   m e a s u r e m e nt s   f u r t h e i m p r o v e na v i ga t i o a c c u r a c y   b y   m a i n t a i ni n h e a di ng  s t a b i l i t y   a n c o m pe n s a t i n f o r   t e rra i i n c l i na t i o n   d u r i n g   o pe r a t i o n .   Co n s e que nt l y ,   t h e   r o b o t   m a i n t a i n e d   c o n s i s t e n t   t r e n c hi n pe r f o r m a n c e   e ve n   w he n   o pe r a t i ng  o u n e v e n   s u r f a c e s .   Co m pa r e w i t h   t h e   i n i t i a l   P r o t o - i m pl e m e nt a t i o n,   t h e   P r o t o - pr o t o t y p e   e xh i b i t e n o t i c e a b l e   i m p r o v e m e n t s   i n   o b s t a c l e   de t e c t i o n   r e l i a b i l i t y ,   na v i ga t i o a c c ura c y ,   a n o v e r a l l   o pe r a t i o n a l   s t a b i l i t y .   T h e   o pt i m i z e c o n t r o l   a l go r i t hm   r e duc e u nn e c e s s a r y   s t e e r i ng  c o rr e c t i o n s ,   r e s ul t i n g   i s m o o t h e r   m o t i o n,   l o w e r   e n e r gy   c o n s um pt i o n ,   a nd  m o r e   e ff i c i e n t   t r e n c h i ng  o pe ra t i o n s .   T h e s e   i m p r o v e m e n t s   de m o n s t ra t e   t h e   e f f e c t i v e n e s s   of   t h e   p r o po s e d   a ut o n o m o us   c o n t r o l   s t ra t e gy   a nd  hi g h l i g ht   i t s   po t e n t i a l   f o r   i m pl e m e n t a t i o i f ul l - s c a l e   t r e n c h i ng  e qui pm e n t   us e f o r   u n de rg r o un d   c a b l e   a n d   p i pe l i n e   i n s t a l l a t i o n.   F o l l ow i n t h e   ha r dw a r e   a n d   s o f t w a r e   e nh a n c e m e n t s   i nt ro duc e dur i ng  t h e   P r o t o - p ha s e ,   t h e   pr o t o t y p e   un de r w e n t   a   c o m pr e h e n s i v e   pe r f o r m a n c e   e v a l u a t i o n   u n de c o n t r o l l e e xpe r i m e nt a l   c o n d i t i o n s .   A ob s t a c l e - l a de t e s t   c o ur s e   w a s   c o n s t r uc t e t o   s i m ul a t e   p r a c t i c a l   c o n s t r uc t i o e n v i r o nm e n t s   c o n t a i ni n g   f i xe ob s t a c l e s   a n v a r y i n g   t e rr a i n   p r o f i l e s .   D uri n g   e a c e xpe r i m e nt ,   t h e   r o b o t   w a s   r e qui r e d   t o   f o l l ow   a   p r e de f i n e t r e n c h i ng  r o ut e   w hi l e   a ut o n o m o us l y   de t e c t i n o b s t a c l e s ,   s e l e c t i ng  a n   a l t e rna t i v e   pa t h,   a n d   r e t u rni n t o   t h e   o r i gi na l   r o ut e   a f t e s uc c e s s f ul l y   by pa s s i n t h e   o b s t r uc t i o n.   T h e   p ri m a r y   pe r fo r m a n c e   i n di c a t o r s   i n c l ude ob s t a c l e   de t e c t i o n   a c c u r a c y ,   pa t o pt i m i z a t i o c a p a b i l i t y ,   na v i ga t i o s t a b i l i t y ,   a n d   a ut o n o m o us   t r e n c h i ng  c o n t i n ui t y .   T h e   e xpe ri m e nt a l   s e t up   us e f o r   pe r f o r m a n c e   e v a l ua t i o n   i s   i l l us t ra t e d   i F i gu r e   7.   T hi s   e xpe r i m e nt a l   v a l i d a t i o n   c o n f i r m s   t ha t   t h e   p r o po s e d   a ut o n om o us   t r e n c h e p r o v i de s   a   pra c t i c a l   a nd  r e l i a b l e   s o l ut i o n   f o r   i nt e l l i ge nt   t r e n c h   e xc a v a t i o n,   o f fe r i n s i g n i f i c a n t   po t e n t i a l   t o   i m p r o ve   c o n s t r uc t i o n   s a f e t y ,   r e duc e   l a b o r   r e qui r e m e n t s ,   m i ni m i z e   f ue l   c o n s um pt i o n,   a nd  i n c r e a s e   o pe r a t i o n a l   e f f i c i e n c y   i n   f ut u r e   s m a rt   c o n s t r uc t i o a n d   i n f r a s t r uc t u r e   p r o j e c t s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i V o l .   4 3 ,   N o .   2 ,   A ugus t   20 2 6 :   425 - 43 8   432       F i gu r e   7 .   E xpe r i m e nt a l   s e t up   f o r   t e s t i n o f   t r e n c h e r   p r o t o t y p e       A   n u m b e o f   ob s t a c l e s   (P   P 1 0)   w e r e   pl a c e a l o n g   t h e   t re n c h e r s   p a t h.   T h e   p r o t o t y p e   na v i ga t e t hr o ugh  t h e   o b s t a c l e s   us i n o b s t a c l e   m a p pi n g ,   w h i c h   w a s   e na b l e us i n g   a dv a n c e A a l go r i t hm s .   W i t h   t h e   h e l p   o f   l o c a t i o a n d   di s t a n c e   i n f o r m a t i o f o t h e   o b s t a c l e s   f r o m   t h e   c a m e ra   a nd   ul t ra s o n i c   s e n s o r s ,   t h e   pr o t o t y p e   ge n e ra t e d   a   r e a l - t i m e   m a p   o f   i t s   s u rr o u n d i n gs .   T h e   m a p   ge n e ra t e b y   t h e   t r e n c h e r   w hi l e   na v i ga t i n g   t hr o ugh  t h e   o b s t a c l e s   i s   s h o w n   i n   F i gu r e   8 .   F i gu r e s   8(a ) ( h )   i l l us t ra t e   t h e   p r o gr e s s i v e   ob s t a c l e   de t e c t i o n   a n d   m a ge n e r a t i o n   p r o c e s s ,   f r o m   t h e   i ni t i a l   de t e c t i o n   o f   ob s t a c l e s   t o   t h e   f i na l   s t a ge   w h e r e   a l l   o b s t a c l e s   a r e   s uc c e s s f ul l y   i de n t i f i e d.               (a )   (b )   (c )   (d)           (e )   (f )   (g)   (h )     F i gu r e   8 .   O b s t a c l e   m a pp i n g   a t   v a ri o us   s t a ge s   o f   t h e   t r e n c h e r s   p r o gr e s s ;   ( a )   P a n d   P de t e c t e d ,   (b P 1,   P a n P 4   de t e c t e d ,   (c P 1,   P 2 ,   P 3 ,   P 4   a nd  P 5   de t e c t e d ,   ( d)  P 1 ,   P 2,   P 3 ,   P 4,   P a n d   P de t e c t e d ,   (e P 1 ,   P 2 ,   P 3 ,   P 4,   P 5 ,   P 6   a nd  P 7   de t e c t e d ,   (f P 1 ,   P 2 ,   P 3,   P 4,   P 5 ,   P 6 ,   P 7   a n P de t e c t e d ,   (g)   P 1,   P 2 ,   P 3 ,   P 4 ,   P 5 ,   P 6,   P 7,     P a n d   P 9   de t e c t e d ,   a n d   ( h a l l   o b s t a c l e s   de t e c t e d       T h e   p r o t o t y p e   w a s   f ur t h e e v a l ua t e o t e rra i n s   w i t h   di f f e r e n t   i n c l i na t i o a ngl e s   t o   a s s e s s   t h e   a c c ur a c y   of   t h e   t e rr a i n   s l o pe   e s t i m a t i o n   a n d   t h e   e f fe c t i v e n e s s   of   t h e   o b s t a c l e   a vo i da n c e   s t ra t e gy .   P ri o r   t t e s t i n g,   t h e   gy r o s c o pe   s e n s o r   w a s   c a l i b ra t e t o   e n s u r e   a c c ura t e   m e a s u r e m e nt   o f   t h e   r o b o t s   o r i e n t a t i o n   a n d   gr o u n d   i n c l i n a t i o n.   E xpe ri m e n t a l   r e s ul t s   s h o w e t h a t   t h e   c a l i b r a t e gy r o s c o pe   pr o v i de r e l i a b l e   r e a l - t i m e   i n c l i na t i o n   d a t a ,   e n a b l i ng  t h e   c o n t r o l l e r   t o   di s t i n gu i s b e t w e e n   t ra v e r s a b l e   t e rra i v a r i a t i o n s   a n d   n o n - t r a v e r s a b l e   o b s t a c l e s .   T o   i m p r o v e   n a v i ga t i o i nt e l l i ge n c e ,   t h e   p r o po s e s y s t e m   c o m b i n e d a t a   f r o m   t h e   o n b o a r c a m e ra   a nd  u l t ra s o ni c   s e n s o t o   e s t i m a t e   b o t t h e   po s i t i o a nd   h e i g h t   o f   de t e c t e ob s t a c l e s .     T h e   o b s t a c l e   h e i g ht   w a s   t h e c o m pa r e w i t a   p r e de f i n e i nc l i n a t i o t hr e s h o l o b t a i n e f r o m   t h e   gy r o s c o p e   m e a s u r e m e nt s .   W h e t h e   e s t i m a t e d   o b s t a c l e   h e i g ht   c o rr e s po n de d   t o   a i n c l i na t i o n   a n g l e   b e l ow   t h e   t hr e s h o l d ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       A ut on om ous   t r e n c hi n r ob ot   w i t i nt e l l i g e nt   obs t ac l e   de t e c t i on  and   pa t h     ( Muham m ad   O m ar )   433   t h e   c o n t r o l l e r   c l a s s i f i e t h e   o b s t a c l e   a s   t r a v e r s a b l e ,   a l l o w i n g   t h e   t r e n c h e r   t o   c o n t i n ue   e xc a v a t i o n   w i t h o ut   a l t e r i ng  i t s   pl a nn e p a t h.   Co n v e r s e l y ,   w h e n   t h e   e s t i m a t e o b s t a c l e   e xc e e de t h e   t hr e s h o l d ,   t h e   o b s t a c l e   w a s   c l a s s i f i e a s   n o n - t r a v e r s a b l e ,   t ri gge r i n g   t h e   p a t o pt i m i z a t i o n   a l go r i t hm   t o   ge n e ra t e   a a l t e rna t i v e   r o ut e   a r o un d   t h e   o b s t a c l e .   F o r   t h e   e xpe r i m e n t a l   v a l i da t i o n,   t h e   i n c l i na t i o t hr e s h o l d   w a s   s e t   t o   2 ,   r e p r e s e n t i ng   t h e   m a x i m u m   t e rra i s l o pe   t ha t   t h e   p r o t o t y pe   c o ul s a f e l y   t r a v e r s e   w hi l e   m a i n t a i ni n g   t r e n c h i ng  s t a b i l i t y .   A s   i l l us t r a t e i n   F i gu r e   9,   t h e   p r o t o t y pe   i n i t i a l l y   fo l l ow e t h e   p l a nn e d   r o ut e   f r o m   P o i n t   O   t o   P o i n t   A .   D u r i ng  i t s   m o v e m e n t ,   ob s t a c l e   X   w a s   i n t e n t i o na l l y   po s i t i o n e d   a l o n g   t h e   t r e n c h i n g   p a t h.   T h e   s e n s i ng  s y s t e m   s uc c e s s f ul l y   de t e c t e d   t h e   o b s t a c l e   a n d   c a l c ul a t e i t s   d i m e n s i o n s .   S i n c e   t h e   c o m put e o b s t a c l e   h e i g ht   e xc e e de t h e   p r e de f i n e t hr e s h o l d ,   t h e   a ut o n o m o us   c o n t r o l l e a c t i v a t e t h e   o b s t a c l e   a v o i da n c e   r o ut i n e .   T h e   p r o t o t y pe   s m o o t h l y   de v i a t e f r o m   i t s   o r i gi na l   t ra j e c t o r y ,   n a v i g a t e a r o u n d   t h e   o b s t a c l e   us i ng  t h e   o pt i m i z e p a t h,   a nd  s ub s e que n t l y   r e t u rn e d   t o   t h e   pl a nn e t r e n c hi n g   r o ut e   a f t e s a f e l y   by pa s s i n g   t h e   o b s t r uc t i o n .   T h e   e xpe r i m e nt a l   r e s ul t s   de m o n s t ra t e   t h e   e ff e c t i v e n e s s   of   t he   p r o po s e s e n s o r   f us i o a n d   de c i s i o n - m a k i n a l go r i t h m   i a c c u r a t e l y   di s t i n gui s hi n b e t w e e n   t ra v e r s a b l e   a n n o n - t r a v e r s a b l e   o b s t a c l e s .   T h i s   c a pa b i l i t y   s i gn i f i c a n t l y   i m p r o v e s   t h e   a ut o n o m y ,   o pe r a t i o na l   s a f e t y ,   a n r e l i a b i l i t y   of   t h e   t r e n c h i ng  s y s t e m ,   e n a b l i ng  c o n t i nuo us   e xc a v a t i o n   w i t h   m i n i m a l   i n t e rr up t i o unde r   v a r y i n t e rra i c o n di t i o n s .   T h e   s uc c e s s f ul   i n t e g r a t i o n   o f   g y r o s c o pe - b a s e t e rr a i a s s e s s m e n t ,   c a m e r a   v i s i o n ,   a nd  u l t ra s o n i c   s e n s i n g   f u r t h e r   v a l i d a t e s   t h e   pr o po s e i nt e l l i ge n t   n a v i ga t i o n   f r a m e w o r f o r   a ut o n o m o us   t re n c hi n g   a p pl i c a t i o n s .           F i gu r e   9 .   O b s t a c l e   a v o i da n c e   b a s e o n   o b s t a c l e   h e i g h t       A f t e r   e xt e n s i v e   t e s t i n g   i t h e   l a b o r a t o r y ,   t h e   e xpe ri m e n t s   w e r e   a l s o   c o n duc t e i r e a l - w o r l d   e n v i r o n m e n t s .   T h e   p r o t o t y pe   w a s   t r a i n e t o   i de n t i fy   di ff e r e nt   t y pe s   of   ob s t a c l e s   a n t a ke   a p p r o pri a t e   a c t i o n   a c c o r di n gl y .   T h e   p r o t o t y pe   w a s   a l s o   t e s t e f o r   v a r i o us   t o po gra p h y   a nd  t r e n c hi n o pe ra t i o n s .   T o   i n t e g ra t e   t h e   p r o po s e c o n t r o l   s y s t e m   w i t p ra c t i c a l   t r e n c h e r s ,   t h e   s e n s o r s   t o   c o l l e c t   da t a   n e e t b e   s c a l e t o   p r o v i de   t h e   s a m e   l e v e l   o f   de t e c t i o n   r a nge   a nd  a c c u r a c y .   A   p r o po s e l a y o ut   f o r   s e n s o r s   a nd  c a m e ra s   o a   l a r ge - s c a l e   t r e n c h e r   i s   s h o w n   i F i gu r e   10 .   E xpe r i m e nt a l   r e s ul t s   i n di c a t e d   t ha t   t h e   p r o po s e t r e n c h e r   a ut o m a t i o n   a nd  c o n t r o l   s y s t e m   c a n   b e   a ppl i e t o   p r a c t i c a l   m a c h i n e s .   T h e   o b s t a c l e   de t e c t i o n   a l go ri t hm   s uc c e s s f ul l y   ge n e r a t e a n   a c c ura t e   r e a l - t i m e   ob s t a c l e   m a p   du r i ng  o pe ra t i o n .   T h e   o b s t a c l e   a vo i da n c e   a l go r i t h m   a l l o w e e ff i c i e n t   r e r o ut i n g   du ri n na v i ga t i o t o   m i ni m i z e   t i m e   a nd  f ue l   c o s t s .   T h e   f i n di ngs   o f   t h i s   s t udy   a r e   s i g ni f i c a nt   a s   t h e y   offe r   a   p r a c t i c a l   s o l ut i o n   t o   o n e   o f   t h e   ke y   c h a l l e n ge s   i t r e n c h i n g   o pe r a t i o n s a u t o m a t e o b s t a c l e   de t e c t i o n   a n e f f i c i e n t   na v i ga t i o n.   B y   c o m b i n i n g     AI - b a s e m a pp i n g   a l go r i t hm s   w i t h   s e n s o r   f us i o t e c hni que s ,   t h e   p r o t o t y pe   de m o n s t ra t e r e l i a b l e   r e a l - t i m e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i V o l .   4 3 ,   N o .   2 ,   A ugus t   20 2 6 :   425 - 43 8   434   de c i s i o n - m a ki n g ,   a   f e a t ur e   n o t   e xt e n s i v e l y   a dd r e s s e i n   p r e v i o us   l i t e ra t u r e   ( T a b l e   3).   T h e   a b i l i t y   t o   c o m put e   ob s t a c l e   h e i g ht   a nd  t e rr a i n   s l o pe   a d ds   a n o t h e r   l a y e r   of   s a f e t a n e f f i c i e n c y ,   po t e n t i a l l y   r e duc i ng  o pe r a t i o na l   de l a y s   a n d   f ue l   c o s t s .   H ow e ve r ,   w h i l e   t h e   c o n t r o l l e a n d   r e a l - w o r l d   t e s t s   c o n f i rm e t h e   s y s t e m e ffe c t i ve n e s s ,   a   l i m i t a t i o l i e s   i t h e   n e e f o r   f urt h e v a l i d a t i o n   o v e r   e xt e n de p e ri o ds   a n d   u n de v a r y i n e n v i r o n m e n t a l   c o n di t i o n s   s uc a s   e xt r e m e   w e a t h e o h i g hl y   un e v e n   t e rr a i n .   A dd i t i o n a l l y ,   s c a l a b i l i t y   t i n dus t ri a l - s c a l e   t r e n c h e r s   w i l l   r e qui r e   m o r e   r o b us t   h a r dw a re   a n r e du n d a n c y   i n   s e n s o r   s y s t e m s   t o   e n s ur e   l o n g - t e rm   r e l i a b i l i t y .   D e s pi t e   t h e s e   l i m i t a t i o n s ,   t h e   s t udy   pr o v i de s   a   s t r o n g   f o un da t i o f o r   f ut u r e   r e s e a r c h   a n d   de ve l o pm e n t   i f ul l y   a ut o n o m o us   t r e n c hi n g   s y s t e m s .           F i gu r e   10 .   P r o po s e l a y o ut   o f   s e n s o r s   f o r   i n t e g r a t i o n   w i t l a rge - s c a l e   t r e n c h e r s       T a b l e   3 .   Co m p a r i s o o f   pr o po s e m e t h o w i t p r e v i o us   s t ud i e s   L i t e ra t u re   P a t h   p l a n n i n g   t e c h n i q u e   O b s t a c l e   d e t e c t i o n   D a s   e t   a l .   [2 5 ]   Cri t i c a l P o i n t Bu g   a l g o ri t h m   U l t ra s o n i c   s e n s i n g   L i n g   e t   a l .   [2 6 ]   H S T O R - 9P   Co m p u t a t i o n   b y   h a r m o n i c   f u n c t i o n s   K i m   e t   a l .   [2 7 ]   O u t p u t   C o n s t ra i n e d   m o d e l   p re d i c t i v e   c o n t r o l   Ca m e ra / s e n s o b a s e d   P ro p o s e d   m e t h o d   A *   a l g o ri t h m   U l t ra s o n i c   s e n s i n g ,   o p t i c a l   s e n s i n g       T h e   f i n di ngs   s uppo r t   t h e   i ni t i a l   h y po t h e s i s   t ha t   a u t o m a t i o a n d   i nt e gra t i o o f   A I - b a s e a l go ri t hm s   fo r   o b s t a c l e   de t e c t i o w i l l   i n c r e a s e   e f f i c i e n c y   of   t r e nc h i n g   o pe ra t i o n s .   T h e   p r o t o t y pe   s uc c e s s f ul l y   de m o n s t r a t e t h e   a b i l i t y   t o   de t e c t   o b s t a c l e s ,   c o m put e   t h e i he i ght ,   a s s e s s   t e rr a i s l o pe ,   a nd  a d a pt i v e l y   r e r o ut e   t o   m a i n t a i o pe r a t i o n a l   e f f i c i e n c y .   T h e   r e a l - t i m e   o b s t a c l e   m a p pi n g   a nd  a v o i da n c e   s y s t e m   c o n s i s t e n t l y   ge n e ra t e a c c ura t e   e n v i r o nm e n t a l   d a t a ,   a l l o w i n t h e   t r e n c he r   t o   n a v i ga t e   t hr o ug h   b o t h   c o n t r o l l e a n r e a l - w o r l e n v i r o nm e nt s   w i t h o ut   s i g n i f i c a nt   m a nua l   i n t e r v e n t i o n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.