Cositoare RTK GPS: 16 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Această mașină de tuns robot este capabilă să taie iarba complet automată pe un traseu prestabilit. Datorită ghidării GPS RTK, cursul este reprodus cu fiecare cosit cu o precizie mai bună de 10 centimetri.

Pasul 1: INTRODUCERE

Vom descrie aici o mașină de tuns robot capabilă să taie iarba complet automat pe un curs stabilit în prealabil. Datorită ghidării GPS RTK, cursul este reprodus la fiecare cosit cu o precizie mai bună de 10 centimetri (experiența mea). Controlul se bazează pe un card Aduino Mega, completat de niște scuturi de control al motorului, accelerometre și busolă, precum și un card de memorie.

Este o realizare neprofesională, dar mi-a permis să realizez problemele întâmpinate în robotica agricolă. Această disciplină foarte tânără se dezvoltă rapid, stimulată de o nouă legislație privind reducerea buruienilor și a pesticidelor. De exemplu, aici este un link către cel mai recent târg de robotică agricolă din Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Unele companii precum Naio Technologies produc deja roboți operaționali (https://www.naio-technologies.com/).

În comparație, realizarea mea este foarte modestă, dar face totuși posibilă înțelegerea interesului și provocărilor într-un mod ludic. …. Și atunci chiar funcționează! … și, prin urmare, poate fi folosit pentru a tăia iarbă în jurul casei sale, păstrându-și în același timp timpul liber …

Chiar dacă nu descriu realizarea în ultimele detalii, indicațiile pe care le dau sunt valoroase pentru cel care ar dori să se lanseze. Nu ezitați să puneți întrebări sau să faceți sugestii, ceea ce îmi va permite să finalizez prezentarea mea în beneficiul tuturor.

M-aș bucura cu adevărat dacă acest tip de proiect ar putea oferi oamenilor mult mai tineri gustul pentru inginerie … pentru a fi pregătiți pentru marea roboluție care ne așteaptă …

Mai mult, acest tip de proiect s-ar potrivi perfect unui grup de tineri motivați dintr-un club sau fablab, pentru a practica lucrul ca grup de proiect, cu arhitecți mecanici, electrici, software conduși de un inginer de sistem, ca în industrie.

Pasul 2: SPECIFICAȚII PRINCIPALE

Scopul este de a produce un prototip operațional de tuns iarba capabil să cosească iarbă în mod autonom pe teren care poate avea nereguli semnificative (mai degrabă pajiști decât peluze).

Izolarea câmpului nu poate fi bazată pe o barieră fizică sau pe o limitare a firului de ghidare îngropat ca la roboții de tuns gazon. Câmpurile care trebuie cosite sunt într-adevăr variabile și de suprafață mare.

Pentru bara de tăiere, obiectivul este de a menține creșterea ierbii la o anumită înălțime după o primă tundere sau periere obținută prin alt mijloc.

Pasul 3: PREZENTARE GENERALĂ

Sistemul constă dintr-un robot mobil și o bază fixă.

Pe robotul mobil găsim:

- Tabloul de bord

- Caseta de control generală, inclusiv un card de memorie.

- joystick-ul manual

- GPS-ul configurat ca „rover” și receptor RTK

- 3 roți motorizate

- Motoare cu role cu roti

- bara de tăiere formată din 4 discuri rotative purtând fiecare 3 lame de tăiere pe periferie (lățimea de tăiere de 1 metru)

- cutia de gestionare a barei de tăiere

- bateriile

În baza fixă găsim GPS-ul configurat ca „bază” precum și transmițătorul corecțiilor RTK. Observăm că antena este plasată în înălțime astfel încât să radieze câteva sute de metri în jurul casei.

În plus, antena GPS este la vederea întregului cer, fără nicio ocultare de către clădiri sau vegetație.

Modurile Rover și baza GPS vor fi descrise și explicate în secțiunea GPS.

Pasul 4: INSTRUCȚIUNI DE FUNCȚIONARE (1/4)

Propun să vă familiarizați cu robotul prin manualul său, care face să apară bine toate funcționalitățile sale.

Descrierea tabloului de bord:

- Un comutator general

- Un prim selector cu 3 poziții permite selectarea modurilor de operare: modul de deplasare manuală, modul de înregistrare a pistelor, modul de tundere

- Un buton este folosit ca marcator. Vom vedea utilizările sale.

- Pentru a selecta un număr de fișier din 9. sunt folosiți alți doi selectori cu 3 poziții. Prin urmare, avem 9 fișiere de tuns sau înregistrări de călătorie pentru 9 câmpuri diferite.

- Un selector cu 3 poziții este dedicat controlului barei de tăiere. Poziția OFF, poziția ON, poziția de control programată.

- Afișaj pe două linii

- un selector cu 3 poziții pentru a defini 3 afișaje diferite

- un LED care indică starea GPS-ului. Leds off, fără GPS. Ledurile clipesc lent, GPS fără corecții RTK. LED intermitent rapid, corecții RTK primite. Leduri aprinse, blocare GPS la cea mai mare precizie.

În cele din urmă, joystick-ul are două selectoare în 3 poziții. Cea stângă controlează roata stângă, cea dreaptă controlează roata dreaptă.

Pasul 5: INSTRUCȚIUNI DE FUNCȚIONARE (2/4)

Mod de operare manual (GPS nu este necesar)

După pornire și selectarea acestui mod cu selectorul de moduri, mașina este controlată cu joystick-ul.

Cele două selectoare cu 3 poziții au un arc de întoarcere care le readuce întotdeauna în poziția de mijloc, corespunzător opririi roților.

Când pârghiile stânga și dreapta sunt împinse înainte, cele două roți din spate se rotesc și mașina merge direct.

Când trageți cele două manete înapoi, mașina merge direct înapoi.

Când o manetă este împinsă înainte, aparatul se rotește în jurul roții staționare.

Când o manetă este împinsă înainte și cealaltă înapoi, mașina se rotește în jurul său într-un punct din mijlocul osiei care unește roțile din spate.

Motorizarea roții din față se reglează automat în funcție de cele două comenzi plasate pe cele două roți din spate.

În cele din urmă, în modul manual, este posibilă și tunderea ierbii. În acest scop, după ce am verificat dacă nimeni nu se află lângă discurile de tăiere, am pus pe cutia de administrare a barei de tăiere (comutatorul „greu” pentru securitate). Selectorul de tăiere a tabloului de bord este apoi pus pe PORNIT. În acest moment cele 4 discuri ale barei de tăiere se rotesc..

Pasul 6: INSTRUCȚIUNI DE FUNCȚIONARE (3/4)

Mod înregistrare urmărire (GPS necesar)

- Înainte de a începe să înregistrați o rulare, un punct de referință arbitrar pentru câmp este definit și marcat cu o miză mică. Acest punct va fi originea coordonatelor din cadrul geografic (foto)

- Selectăm apoi numărul fișierului în care va fi înregistrată călătoria, datorită celor două selectoare de pe tabloul de bord.

- Baza ON este setată

- Verificați dacă LED-ul de stare GPS începe să clipească rapid.

- Ieșiți din modul manual plasând selectorul de moduri al tabloului de bord în poziția de înregistrare.

- Mașina este apoi mutată manual în poziția punctului de referință. Tocmai antena GPS trebuie să fie deasupra acestui reper. Această antenă GPS este situată deasupra punctului centrat între cele două roți din spate și care este punctul de rotație al mașinii pe sine.

- Așteptați până când LED-ul de stare GPS este aprins fără să clipească. Acest lucru indică faptul că GPS-ul este la precizia maximă (GPS „Fix”).

- Poziția inițială 0.0 este marcată prin apăsarea marcajului tabloului de bord.

- Trecem apoi la următorul punct pe care vrem să-l hărțuim. De îndată ce este atins, îl semnalizăm folosind markerul.

- Pentru a termina înregistrarea, trecem înapoi la modul manual.

Pasul 7: INSTRUCȚIUNI DE FUNCȚIONARE (4/4)

Mod de tundere (GPS necesar)

În primul rând, trebuie să pregătiți fișierul de puncte prin care mașina trebuie să treacă pentru a tunde întregul câmp fără a lăsa o suprafață netăiată. Pentru aceasta obținem fișierul salvat în cardul de memorie și din aceste coordonate, folosind de exemplu Excel, generăm o listă de puncte ca pe fotografie. Pentru fiecare dintre punctele care trebuie atinse, indicăm dacă bara de tăiere este PORNITĂ sau OPRITĂ. Deoarece bara de tăiere consumă cea mai mare putere (de la 50 la 100 de wați în funcție de iarbă), este necesar să aveți grijă să opriți bara de tăiere atunci când traversați un câmp deja tuns, de exemplu.

Pe măsură ce placa de tundere este generată, cardul de memorie este pus din nou pe scutul său în sertarul de comandă.

Tot ce rămâne atunci este să puneți baza pe ON și să mergeți la câmpul de cosit, chiar deasupra reperului de referință. Selectorul de mod este apoi setat la „Cosit”.

În acest moment, mașina va aștepta singură blocarea GPS RTK în „Fix” pentru a zero coordonatele și va începe tunderea.

Când tunsul este terminat, va reveni singur la punctul de plecare, cu o precizie de aproximativ zece centimetri.

În timpul cositului, mașina se deplasează în linie dreaptă între două puncte consecutive ale fișierului punct. Lățimea de tăiere este de 1,1 metri Deoarece mașina are o lățime între roți de 1 metru și se poate roti în jurul unei roți (vezi video), este posibil să se facă benzi de cosit adiacente. Acest lucru este foarte eficient!

Pasul 8: PARTEA MECANICĂ

Structura robotului

Robotul este construit în jurul unei structuri de rețea din tuburi de aluminiu, ceea ce îi conferă o rigiditate bună. Dimensiunile sale sunt de aproximativ 1,20 metri lungime, 1 metru lățime și 80 cm înălțime.

Roțile

Se poate deplasa datorită celor 3 roți pentru biciclete pentru copii cu diametrul de 20 inci: două roți din spate și o roată din față asemănătoare cu cea a căruțelor de supermarket (fotografiile 1 și 2). Mișcarea relativă a celor două roți din spate asigură orientarea acesteia

Motoarele cu role

Datorită neregulilor din teren, este necesar să aveți rapoarte mari de cuplu și, prin urmare, un raport mare de reducere. În acest scop, am folosit principiul presării cu role pe roată, ca pe un solex (fotografiile 3 și 4). Reducerea mare face posibilă menținerea mașinii stabile într-o pantă, chiar și atunci când puterea motorului este tăiată. În schimb, mașina avansează încet (3 metri / minut) … dar iarba crește încet …

Pentru proiectarea mecanică am folosit software-ul de desen Openscad (software de script foarte eficient). În paralel, pentru planurile de detaliu am folosit Drawing from Openoffice.

Pasul 9: GPS RTK (1/3)

GPS simplu

GPS-ul simplu (foto 1), cel din mașina noastră are o precizie de doar câțiva metri. Dacă înregistrăm poziția indicată de un astfel de GPS menținut fix pentru o oră de exemplu, vom observa fluctuații de câțiva metri. Aceste fluctuații se datorează tulburărilor din atmosferă și ionosferă, dar și erorilor din ceasurile sateliților și erorilor din GPS în sine. Prin urmare, nu este potrivit pentru aplicația noastră.

GPS RTK

Pentru a îmbunătăți această precizie, se utilizează două GPS la o distanță mai mică de 10 km (foto 2). În aceste condiții, putem considera că perturbările atmosferei și ale ionosferei sunt identice pe fiecare GPS. Astfel diferența de poziție între cele două GPS nu mai este deranjată (diferențială). Dacă atașăm acum unul dintre GPS (baza) și îl așezăm pe celălalt pe un vehicul (rover-ul), vom obține cu precizie mișcarea vehiculului de la bază fără perturbări. Mai mult, aceste GPS efectuează un timp de măsurare a zborului mult mai precis decât GPS-ul simplu (măsurători de fază pe suport).

Datorită acestor îmbunătățiri, vom obține o precizie de măsurare centimetrică pentru mișcarea roverului față de bază.

Am ales să folosim acest sistem RTK (Real Time Kinematic).

Pasul 10: GPS RTK (2/3)

Am cumpărat 2 circuite GPS RTK (foto 1) de la compania Navspark.

Aceste circuite sunt montate pe un mic PCB echipat cu știfturi de 2,54 mm, care, prin urmare, se montează direct pe plăcile de testare.

Deoarece proiectul este situat în sud-vestul Franței, am ales circuite care lucrează cu constelațiile sateliților GPS americani, precum și cu constelația rusă Glonass.

Este important să aveți numărul maxim de sateliți pentru a beneficia de cea mai bună precizie. În cazul meu, în prezent am între 10 și 16 sateliți.

De asemenea, trebuie să cumpărăm

- 2 adaptoare USB, necesare pentru conectarea circuitului GPS la un computer (teste și configurare)

- 2 antene GPS + 2 cabluri adaptor

- o pereche de emițătoare-receptoare 3DR, astfel încât baza să poată emite corecțiile roverului și roverul să le primească.

Pasul 11: GPS RTK (3/3)

Notificarea GPS găsită pe site-ul Navspark permite implementarea treptată a circuitelor.

navspark.mybigcommerce.com/content/NS-HP-GL-User-Guide.pdf

Pe site-ul Navspark vom găsi, de asemenea

- software-ul care urmează să fie instalat pe computerul său Windows pentru a vizualiza ieșirile GPS și a programa circuitele în bază și rover.

- O descriere a formatului de date GPS (fraze NMEA)

Toate aceste documente sunt în limba engleză, dar sunt relativ ușor de înțeles. Inițial, implementarea se face fără cel mai mic circuit electronic datorită adaptoarelor USB care furnizează și toate sursele de alimentare electrică.

Progresia este următoarea:

- Testarea circuitelor individuale care funcționează ca un GPS simplu. Vederea norilor podurilor arată stabilitatea de câțiva metri.

- Programarea unui circuit în ROVER și a celuilalt în BASE

- Construirea unui sistem RTK prin conectarea celor două module cu un singur fir. Vizualizarea în cloud a podurilor arată o stabilitate relativă de ROVER / BASE de câțiva centimetri!

- Înlocuirea cablului de conectare BASE și ROVER cu transmițătoare 3DR. Din nou, operațiunea în RTK permite o stabilitate de câțiva centimetri. Dar de data aceasta BASE și ROVER nu mai sunt conectate printr-o legătură fizică …..

- Înlocuirea vizualizării PC-ului cu o placă Arduino programată pentru a primi date GPS pe o intrare serială … (vezi mai jos)

Pasul 12: PARTEA ELECTRICĂ (1/2)

Cutia de comandă electrică

Fotografia 1 prezintă plăcile principale ale casetei de control, care vor fi detaliate mai jos.

Cablarea GPS-ului

Cablajul GPS al bazei și al cositoarei este prezentat în Figura 2.

Această cablare se realizează în mod natural urmărind progresul instrucțiunilor GPS (vezi secțiunea GPS). În toate cazurile, există un adaptor USB care vă permite să programați circuitele fie în bază, fie în rover datorită software-ului pentru computer furnizat de Navspark. Datorită acestui program, avem și toate informațiile de poziție, numărul de sateliți, etc …

În secțiunea cositoare, pinul Tx1 al GPS-ului este conectat la intrarea serială 19 (Rx1) a plăcii ARDUINO MEGA pentru a primi frazele NMEA.

În bază pinul Tx1 al GPS-ului este trimis pinului Rx al radioului 3DR pentru trimiterea corecțiilor. În cositoare, corecțiile primite de radioul 3DR sunt trimise la pinul Rx2 al circuitului GPS.

Se remarcă faptul că aceste corecții și gestionarea lor sunt pe deplin asigurate de circuitele GPS RTK. Astfel, placa Aduino MEGA primește doar valori de poziție corectate.

Pasul 13: PARTEA ELECTRICĂ (2/2)

Placa Arduino MEGA și scuturile sale

- Placă arduino MEGA

- Ecran motoare roți spate

- Ecranul motorului roții din față

- Shield arte SD

În Figura 1, se remarcă faptul că conectori conectați au fost așezați între plăci, astfel încât căldura disipată în plăcile motorului să poată fi evacuată. În plus, aceste inserții vă permit să tăiați legături nedorite între cărți, fără a fi nevoie să le modificați.

Figura 2 și Figura 3 arată cum sunt citite pozițiile invertorului tabloului de bord și joystick-ului.

Pasul 14: PROGRAMUL DE CONDUCERE ARDUINO

Placa de microcontroler este un Arduino MEGA (UNO nu are suficientă memorie). Programul de conducere este foarte simplu și clasic. Am dezvoltat o funcție pentru fiecare operație de bază care trebuie efectuată (citirea tabloului de bord, achiziționarea datelor GPS, afișaj LCD, control al avansului sau rotației mașinii, etc …). Aceste funcții sunt apoi ușor de utilizat în programul principal. Viteza mică a mașinii (3 metri / minut) ușurează lucrurile.

Cu toate acestea, bara de tăiere nu este gestionată de acest program, ci de programul plăcii UNO care se află în caseta specifică.

În partea SETUP a programului găsim

- Inițializări utile ale pinului plăcii MEGA în intrări sau ieșiri;

- Initializare afisaj LCD

- Inițializare card de memorie SD

- Inițializarea vitezei de transfer de la interfața serială hardware la GPS;

- Inițializarea vitezei de transfer de la interfața serială la IDE;

- Oprirea motoarelor și a barei de tăiere

În partea LOOP a programului găsim la început

- Tablou de bord și joystick, GPS, busolă și citiri accelerometru;

- un selector cu 3 conductoare, în funcție de starea selectorului modului tabloului de bord (manual, înregistrare, tundere)

Bucla LOOP este punctată de citirea asincronă a GPS-ului, care este cel mai lent pas. Deci ne întoarcem la începutul buclei aproximativ la fiecare 3 secunde.

În modul normal de bypass, funcția de mișcare este controlată în funcție de joystick și afișajul este actualizat aproximativ la fiecare 3 secunde (poziție, stare GPS, direcția busolei, înclinare …). O apăsare pe markerul BP pune la zero coordonatele de poziție care vor fi exprimate în metri în reperul geografic.

În modul de salvare, toate pozițiile măsurate în timpul mișcării sunt înregistrate pe cardul SD (perioadă de aproximativ 3 secunde). Când se atinge un punct de interes, se salvează apăsarea marcatorului. în cardul SD. Poziția mașinii este afișată la fiecare 3 secunde, în metri, în reperul geografic centrat pe punctul de origine.

În modul de tuns shunt: Mașina a fost mutată anterior deasupra punctului de referință. Când comutați selectorul de mod pe „cosit”, programul observă ieșirile GPS și, în special, valoarea indicatorului de stare. Când semnalizatorul de stare se schimbă în „Fix”, programul realizează poziția zero. Primul punct de atins este apoi citit în fișierul de tundere al memoriei SD. Când se atinge acest punct, rotația mașinii se face conform indicațiilor din fișierul de tuns, fie în jurul unei roți, fie în jurul centrului celor două roți.

Procesul se repetă până la atingerea ultimului punct (de obicei punctul de plecare). În acest moment programul oprește mașina și bara de tăiere.

Pasul 15: BARA DE TĂIERE ȘI MANAGEMENTUL SĂU

Bara de tăiere este formată din 4 discuri rotative la viteza de 1200 rpm. Fiecare disc este echipat cu 3 lame de tăiere. Aceste discuri sunt aranjate astfel încât să facă o bandă de tăiere continuă de 1,2 metri lățime.

Motoarele trebuie controlate pentru a limita curentul

- la pornire, din cauza inerției discurilor

- în timpul tăierii, din cauza blocajelor cauzate de prea multă iarbă

În acest scop, curentul din circuitul fiecărui motor este măsurat prin rezistențe înfășurate cu valoare redusă. Placa UNO este cablată și programată pentru a măsura acești curenți și a trimite o comandă PWM adaptată motoarelor.

Astfel, la pornire, viteza crește treptat până la valoarea maximă în 10 secunde. În cazul blocării de iarbă, motorul se oprește timp de 10 secunde și reîncearcă timp de 2 secunde. Dacă problema persistă, ciclul de repaus de 10 secunde și de repornire de 2 secunde vor începe din nou. În aceste condiții, încălzirea motorului rămâne limitată, chiar și în cazul blocării permanente.

Motoarele pornesc sau se opresc când placa UNO primește semnalul de la programul pilot. Cu toate acestea, un comutator dur permite oprirea fiabilă a alimentării pentru securizarea operațiunilor de service

Pasul 16: CE TREBUIE FĂCUT? CE ÎMBUNĂTĂȚIRI?

La nivel GPS

Vegetația (copacii) poate limita numărul de sateliți în vederea vehiculului și poate reduce precizia sau poate preveni blocarea RTK. Prin urmare, este în interesul nostru să folosim cât mai mulți sateliți în același timp. Prin urmare, ar fi interesant să completăm constelațiile GPS și Glonass cu constelația Galileo.

Ar trebui să se poată beneficia de mai mult de 20 de sateliți în loc de maximum 15, ceea ce face posibilă scăparea de vegetație.

Scuturile Arduino RTK încep să existe și funcționează simultan cu aceste 3 constelații:

Mai mult, aceste scuturi sunt foarte compacte (foto 1) deoarece includ atât circuitul GPS, cât și transceiverul pe același suport.

…. Dar prețul este mult mai mare decât cel al circuitelor pe care le-am folosit

Folosirea unui LIDAR pentru a completa GPS-ul

Din păcate, în arboricultură se întâmplă ca învelișul de vegetație să fie foarte important (câmp de alune, de exemplu). În acest caz, chiar și cu cele 3 constelații blocarea RTK ar putea să nu fie posibilă.

Prin urmare, este necesar să se introducă un senzor care să permită menținerea poziției chiar și în absența momentană a GPS-ului.

Mi se pare (nu am avut experiența) că utilizarea unui LIDAR ar putea îndeplini această funcție. Trunchiurile copacilor sunt foarte ușor de observat în acest caz și pot fi utilizate pentru a observa progresul robotului. GPS-ul își va relua funcția la sfârșitul rândului, la ieșirea din acoperișul vegetal.

Un exemplu de tip adecvat de LIDAR este după cum urmează (Foto2):

www.robotshop.com/eu/fr/scanner-laser-360-…