Kosačka poháňaná RTK GPS: 16 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Táto robotická kosačka je schopná plne automatického kosenia trávy na vopred určenom kurze. Vďaka RTK GPS navádzaniu je kurz reprodukovaný pri každom kosení s presnosťou lepšou ako 10 centimetrov.

Krok 1: ÚVOD

Opíšeme tu robotickú kosačku, ktorá dokáže kosiť trávu úplne automaticky na vopred určenom kurze. Vďaka navigácii GPS RTK sa kurz reprodukuje pri každom kosení s presnosťou lepšou ako 10 centimetrov (moja skúsenosť). Ovládanie je založené na karte Aduino Mega, doplnenej o niektoré štíty ovládania motora, akcelerometre a kompas, ako aj pamäťovú kartu.

Je to neprofesionálny úspech, ale umožnilo mi to pochopiť problémy, s ktorými sa stretávame v poľnohospodárskej robotike. Táto veľmi mladá disciplína sa rýchlo rozvíja, podporovaná novými právnymi predpismi o znižovaní buriny a pesticídov. Tu je napríklad odkaz na najnovší veľtrh poľnohospodárskej robotiky v Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Niektoré spoločnosti, ako napríklad Naio Technologies, už vyrábajú operačné roboty (https://www.naio-technologies.com/).

Na porovnanie, moje úspechy sú veľmi skromné, ale napriek tomu umožňujú hravým spôsobom porozumieť záujmu a výzvam. …. A potom to skutočne funguje! … a dá sa teda použiť na kosenie trávy okolo jeho domu, pričom si zachová voľný čas …

Aj keď realizáciu nebudem opisovať do posledných podrobností, indície, ktoré uvádzam, sú cenné pre toho, kto by chcel začať. Neváhajte klásť otázky alebo podávať návrhy, ktoré mi umožnia dokončiť svoju prezentáciu v prospech všetkých.

Bol by som skutočne šťastný, keby tento typ projektu mohol dať oveľa mladším ľuďom chuť inžinierstva … aby sme boli pripravení na veľkú revolúciu, ktorá nás čaká …

Navyše, tento typ projektu by bol perfektne vhodný pre skupinu motivovaných mladých ľudí v klube alebo fablabe, aby si precvičili prácu v projektovej skupine s mechanickými, elektrotechnickými a softvérovými architektmi na čele so systémovým inžinierom, ako je to v tomto odvetví.

Krok 2: HLAVNÉ ŠPECIFIKÁCIE

Cieľom je vyrobiť funkčnú prototypovú kosačku schopnú autonómne kosiť trávu v teréne, ktorý môže mať výrazné nerovnosti (skôr lúky ako trávniky).

Kontajnment poľa nemôže byť založený na fyzickej bariére alebo obmedzení zakopaného vodiaceho drôtu, ako pre roboty na kosenie trávnikov. Polia, ktoré sa majú kosiť, sú skutočne variabilné a majú veľký povrch.

Pokiaľ ide o žaciu lištu, cieľom je udržať rast trávy v určitej výške po prvom kosení alebo česaní získanom iným spôsobom.

Krok 3: VŠEOBECNÁ PREZENTÁCIA

Systém sa skladá z mobilného robota a pevnej základne.

Na mobilnom robote nájdeme:

- Palubná doska

- Všeobecný ovládací box vrátane pamäťovej karty.

- manuálny joystick

- GPS nakonfigurované ako „rover“a prijímač RTK

- 3 motorizované kolesá

- Valčekové motory kolies

- žacia lišta pozostávajúca zo 4 rotujúcich kotúčov, z ktorých každý nesie na okraji 3 žacie nože (šírka záberu 1 meter)

- box na správu žacej lišty

- batérie

V pevnej základni nájdeme GPS nakonfigurovaný ako „základný“, ako aj vysielač korekcií RTK. Poznamenávame, že anténa je umiestnená na výšku tak, aby vyžarovala niekoľko stoviek metrov okolo domu.

GPS anténa je navyše na dohľad nad celou oblohou bez akéhokoľvek zatemňovania budovami alebo vegetáciou.

Režimy Rover a základňa GPS budú popísané a vysvetlené v časti GPS.

Krok 4: NÁVOD NA OBSLUHU (1/4)

Navrhujem zoznámiť sa s robotom prostredníctvom jeho príručky, v ktorej sa budú zobrazovať všetky jeho funkcie.

Popis palubnej dosky:

- Všeobecný vypínač

- Prvý 3-polohový volič umožňuje výber prevádzkových režimov: manuálny režim jazdy, režim záznamu stopy, režim kosenia

- Ako značkovač sa používa tlačidlo. Uvidíme jeho využitie.

- Dva ďalšie 3-polohové prepínače sa používajú na výber čísla súboru z 9. Máme preto 9 kosiacich súborov alebo záznamy o cestách pre 9 rôznych polí.

- 3-polohový volič je určený na ovládanie žacej lišty. Poloha OFF, poloha ON, naprogramovaná poloha ovládania.

- Dvojriadkový displej

- 3-polohový volič na definovanie 3 rôznych displejov

- LED dióda, ktorá indikuje stav GPS. Nesvieti, žiadne GPS. LED diódy blikajú pomaly, GPS bez korekcií RTK. Rýchlo blikajúce LED, prijaté korekcie RTK. LED diódy svietia, zámok GPS s najvyššou presnosťou.

Nakoniec má joystick dva 3-polohové voliče. Ľavé ovláda ľavé koleso, pravé ovláda pravé.

Krok 5: NÁVOD NA OBSLUHU (2/4)

Režim manuálnej prevádzky (GPS nie je potrebné)

Po zapnutí a zvolení tohto režimu voličom režimov sa stroj ovláda joystickom.

Dva 3-polohové prepínače majú vratnú pružinu, ktorá ich vždy vráti do strednej polohy, čo zodpovedá zastaveniu kolies.

Keď sú ľavá a pravá páčka zatlačené dopredu, dve zadné kolesá sa otočia a stroj ide rovno.

Keď potiahnete dve páčky dozadu, stroj sa vráti späť.

Po zatlačení páky dopredu sa stroj otočí okolo nepohyblivého kolesa.

Keď je jedna páka zatlačená dopredu a druhá dozadu, stroj sa otočí okolo seba v bode v strede nápravy spájajúcom zadné kolesá.

Motorizácia predného kolesa sa automaticky nastavuje podľa dvoch ovládačov umiestnených na dvoch zadných kolesách.

Nakoniec, v manuálnom režime je možné kosiť aj trávu. Za týmto účelom, keď sme skontrolovali, či sa v blízkosti rezných kotúčov nikto nenachádza, zapli sme riadiacu skrinku žacej lišty (z dôvodu zabezpečenia „pevný“spínač). Potom je volič rezu prístrojovej dosky zapnutý. V tejto chvíli sa otáčajú 4 kotúče žacej lišty..

Krok 6: NÁVOD NA OBSLUHU (3/4)

Režim záznamu trasy (vyžaduje sa GPS)

- Pred začatím záznamu behu je definovaný ľubovoľný referenčný bod pre pole a označený malým stĺpikom. Tento bod bude pôvodom súradníc v geografickom rámci (foto)

- Potom vyberieme číslo súboru, do ktorého bude cesta zaznamenaná, vďaka dvom voličom na palubnej doske.

- Je nastavená základňa ON

- Skontrolujte, či stavová dióda GPS začne rýchlo blikať.

- Ručný režim ukončíte umiestnením voliča režimu prístrojovej dosky do polohy nahrávania.

- Stroj sa potom ručne presunie do polohy referenčného bodu. Práve anténa GPS musí byť nad týmto orientačným bodom. Táto anténa GPS je umiestnená nad bodom vycentrovaným medzi dvoma zadnými kolesami a ktorý je bodom otáčania stroja.

- Počkajte, kým sa stavová LED dióda GPS nerozsvieti bez blikania. To znamená, že GPS má maximálnu presnosť („Opraviť“GPS).

- Pôvodná poloha 0,0 sa označí stlačením značky na palubnej doske.

- Potom sa presunieme k ďalšiemu bodu, ktorý chceme mapovať. Hneď ako ho dosiahneme, signalizujeme ho pomocou značky.

- Aby sme ukončili nahrávanie, prepneme sa späť do manuálneho režimu.

Krok 7: NÁVOD NA OBSLUHU (4/4)

Režim kosenia (vyžaduje sa GPS)

Najprv musíte pripraviť súbor bodov, ktorým musí stroj prejsť, aby pokosil celé pole bez toho, aby zanechal nepokosený povrch. K tomu dostaneme súbor uložený na pamäťovej karte a z týchto súradníc, napríklad pomocou Excelu, vygenerujeme zoznam bodov ako na fotografii. Pri každom z bodov, ktoré sa majú dosiahnuť, uvádzame, či je žacia lišta ZAPNUTÁ alebo VYPNUTÁ. Pretože je to žacia lišta, ktorá spotrebováva najviac energie (od 50 do 100 wattov v závislosti od trávy), je potrebné dávať pozor, aby ste žaciu lištu VYPNUTÉ napríklad pri prechode cez už pokosené pole.

Pri generovaní kosiacej dosky sa pamäťová karta vloží späť na štít v ovládacej zásuvke.

Zostáva potom už len nasadiť základňu a prejsť na pole kosenia, tesne nad referenčným orientačným bodom. Volič režimov sa potom nastaví na „Kosiť“.

V tomto mieste stroj bude sám čakať na uzamknutie GPS RTK v časti „Opraviť“, aby sa súradnice vynulovali a začalo kosenie.

Keď sa kosenie skončí, vráti sa samé do východiskového bodu s presnosťou asi desať centimetrov.

Počas kosenia sa stroj pohybuje v priamke medzi dvoma po sebe nasledujúcimi bodmi súboru bodov. Šírka kosenia je 1,1 metra Pretože stroj má šírku medzi kolesami 1 meter a môže sa otáčať okolo kolesa (pozri video), je možné vyrobiť susedné žacie pásy. To je veľmi efektívne!

Krok 8: MECHANICKÁ ČASŤ

Štruktúra robota

Robot je postavený na mriežkovej konštrukcii z hliníkových rúrok, ktorá mu dodáva dobrú tuhosť. Jeho rozmery sú asi 1,20 metra na dĺžku, 1 meter na šírku a 80 cm na výšku.

Kolesá

Môže sa pohybovať vďaka 3 kolesám pre deti s priemerom 20 palcov: dve zadné kolesá a predné koleso podobné koliesku supermarketových vozíkov (fotografie 1 a 2). Relatívny pohyb dvoch zadných kolies zaisťuje jeho orientáciu

Valčekové motory

Vzhľadom na nerovnosti v poli je potrebné mať veľký pomer krútiaceho momentu a tým aj veľký redukčný pomer. Na tento účel som použil princíp prítlačného valca na koleso, ako na solexe (fotografie 3 a 4). Veľká redukcia umožňuje udržať stroj stabilný vo svahu, aj keď je znížený výkon motora. Na oplátku stroj postupuje pomaly (3 metre za minútu) … ale tráva tiež rastie pomaly ….

Na mechanické navrhnutie som použil kresliaci softvér Openscad (veľmi efektívny skriptový softvér). Paralelne som pre detailné plány použil Drawing from Openoffice.

Krok 9: RTK GPS (1/3)

Jednoduché GPS

Jednoduchý GPS (foto 1), ten v našom aute, má presnosť iba niekoľko metrov. Ak zaznamenáme polohu indikovanú takýmto GPS udržiavaným napevno napríklad hodinu, budeme pozorovať niekoľkometrové výkyvy. Tieto výkyvy sú spôsobené poruchami v atmosfére a ionosfére, ale aj chybami v taktoch satelitov a chybami v samotnom GPS. Nie je preto vhodný pre našu aplikáciu.

RTK GPS

Na zlepšenie tejto presnosti sa používajú dve GPS na vzdialenosť menšiu ako 10 km (foto 2). Za týchto podmienok môžeme uvažovať o tom, že poruchy atmosféry a ionosféry sú na každom GPS identické. Rozdiel v polohe medzi týmito dvoma GPS už teda nie je narušený (diferenciál). Ak teraz pripojíme jeden z GPS (základňa) a druhý umiestnime na vozidlo (rover), získame presne pohyb vozidla zo základne bez rušenia. Tieto GPS navyše vykonávajú meranie času letu oveľa presnejšie ako jednoduché GPS (fázové merania na nosiči).

Vďaka týmto vylepšeniam získame centimetrickú presnosť merania pohybu rovera vzhľadom na základňu.

Práve tento systém RTK (Real Time Kinematic) sme sa rozhodli použiť.

Krok 10: RTK GPS (2/3)

Kúpil som 2 obvody RTK GPS (foto 1) od spoločnosti Navspark.

Tieto obvody sú namontované na malej doske s rozstupmi 2,54 mm, ktorá sa preto montuje priamo na testovacie platne.

Keďže sa projekt nachádza na juhozápade Francúzska, vybral som si obvody pracujúce so súhvezdiami amerických satelitov GPS a tiež ruského súhvezdia Glonass.

Aby ste mohli ťažiť z najlepšej presnosti, je dôležité mať maximálny počet satelitov. V mojom prípade mám v súčasnosti 10 až 16 satelitov.

Tiež musíme nakúpiť

- 2 USB adaptéry potrebné na pripojenie obvodu GPS k počítaču (testy a konfigurácia)

- 2 antény GPS + 2 káble adaptéra

- dvojica vysielačov-prijímačov 3DR, aby základňa mohla vydávať svoje opravy roveru a rover ich prijímať.

Krok 11: RTK GPS (3/3)

Oznámenie GPS nachádzajúce sa na serveri Navspark umožňuje postupnú implementáciu obvodov.

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

Na webovej stránke Navspark tiež nájdeme

- softvér nainštalovaný na počítači so systémom Windows na sledovanie výstupov GPS a programových obvodov v základni a vozíku.

- Popis formátu údajov GPS (frázy NMEA)

Všetky tieto dokumenty sú v angličtine, ale sú relatívne ľahko zrozumiteľné. Spočiatku sa implementácia vykonáva bez najmenších elektronických obvodov vďaka adaptérom USB, ktoré tiež poskytujú všetky zdroje napájania.

Priebeh je nasledujúci:

- Testovanie jednotlivých obvodov, ktoré fungujú ako jednoduché GPS. Cloudový pohľad na mosty ukazuje stabilitu niekoľkých metrov.

- Programovanie jedného obvodu v ROVER a druhého v BASE

- Budovanie systému RTK prepojením dvoch modulov jediným vodičom. Oblačný pohľad na mosty ukazuje relatívnu stabilitu ROVER/BASE niekoľko centimetrov!

- Výmena prepojovacieho kábla BASE a ROVER za prijímače a prijímače 3DR. Aj tu operácia v RTK umožňuje stabilitu niekoľkých centimetrov. Ale tentoraz už BASE a ROVER nie sú prepojené fyzickým prepojením …..

- Výmena vizualizácie počítača za dosku Arduino naprogramovanú na príjem údajov GPS na sériovom vstupe … (pozri nižšie)

Krok 12: ELEKTRICKÁ ČASŤ (1/2)

Elektrická riadiaca skrinka

Fotografia 1 zobrazuje hlavné dosky ovládacieho boxu, ktoré budú podrobne popísané nižšie.

Zapojenie GPS

Zapojenie GPS základne a kosačky je znázornené na obrázku 2.

Táto kabeláž sa prirodzene dosahuje sledovaním postupu podľa pokynov GPS (pozri časť GPS). Vo všetkých prípadoch existuje USB adaptér, ktorý vám umožňuje programovať obvody buď na základni, alebo v roveri vďaka počítačovému softvéru poskytovanému spoločnosťou Navspark. Vďaka tomuto programu máme tiež všetky informácie o polohe, počte satelitov atď …

V sekcii kosačky je kolík Tx1 GPS zapojený do sériového vstupu 19 (Rx1) dosky ARDUINO MEGA na príjem fráz NMEA.

V základni je kolík Tx1 GPS odoslaný na kolík Rx rádia 3DR na odoslanie opráv. V kosačke sa korekcie prijaté rádiom 3DR odošlú na kolík Rx2 obvodu GPS.

Poznamenáva sa, že tieto opravy a ich správa sú plne zaistené obvodmi GPS RTK. Doska Aduino MEGA teda prijíma iba opravené hodnoty polohy.

Krok 13: ELEKTRICKÁ ČASŤ (2/2)

Doska Arduino MEGA a jej štíty

- Doska MEGA arduino

- Štít motorov zadných kolies

- štít motora predného kolesa

- Štít je SD

Na obrázku 1 je uvedené, že medzi dosky boli umiestnené zásuvné konektory tak, aby sa teplo rozptýlené v doskách motora mohlo odvzdušniť. Tieto vložky vám navyše umožňujú orezať nechcené odkazy medzi kartami bez toho, aby ste ich museli upravovať.

Obrázok 2 a obrázok 3 ukazujú, ako sa čítajú polohy meničov prístrojovej dosky a joysticku.

Krok 14: VODIČSKÝ PROGRAM ARDUINO

Doska mikrokontroléra je Arduino MEGA (UNO nemá dostatok pamäte). Program jazdy je veľmi jednoduchý a klasický. Vyvinul som funkciu pre každú základnú operáciu, ktorá sa má vykonať (čítanie palubnej dosky, získavanie údajov GPS, LCD displej, ovládanie pohybu stroja alebo otáčania atď.). Tieto funkcie sú potom ľahko použiteľné v hlavnom programe. Pomalá rýchlosť stroja (3 metre za minútu) to veľmi uľahčuje.

Žaciu lištu však neriadi tento program, ale program dosky UNO, ktorá sa nachádza v konkrétnom boxe.

V časti SETUP programu nájdeme

- Užitočné inicializácie pinov dosky MEGA na vstupoch alebo výstupoch;

- Inicializácia LCD displeja

- Inicializácia pamäťovej karty SD

- Inicializácia prenosovej rýchlosti z hardvérového sériového rozhrania na GPS;

- Inicializácia prenosovej rýchlosti zo sériového rozhrania do IDE;

- Vypnutie motorov a žacej lišty

V časti programu LOOP nájdeme na začiatku

- prístrojová doska a joystick, údaje z GPS, kompasu a akcelerometra;

- trojvodičový volič, v závislosti od stavu voliča režimov prístrojovej dosky (manuálne, nahrávanie, kosenie)

Slučka LOOP je prerušovaná asynchrónnym čítaním GPS, čo je najpomalší krok. Vraciame sa teda zhruba na 3 sekundy na začiatok cyklu.

V normálnom režime bypas sa pohybová funkcia ovláda pomocou joysticku a displej sa aktualizuje približne každé 3 sekundy (poloha, stav GPS, smer kompasu, náklon …). Zatlačením na značku BP sa vynulujú polohové súradnice, ktoré budú v geografickom orientačnom bode vyjadrené v metroch.

V skratovom režime uloženia sú všetky polohy namerané počas pohybu zaznamenané na kartu SD (približne 3 sekundy). Po dosiahnutí bodu záujmu sa uloženie stlačením značky uloží. na SD karte. Poloha zariadenia sa zobrazuje každé 3 sekundy v metroch v geografickom orientačnom bode so stredom na počiatočnom bode.

V bočnom režime kosenia: Stroj bol predtým posunutý nad referenčný bod. Pri prepnutí voliča režimov na „kosenie“program sleduje výstupy GPS a najmä hodnotu stavového príznaku. Keď sa stavový príznak zmení na „Opraviť“, program vykoná pozíciu nula. Prvý bod, do ktorého sa dostanete, sa potom načíta v súbore kosenia pamäte SD. Keď sa dosiahne tento bod, stroj sa otočí tak, ako je to uvedené v kosiacom súbore, buď okolo kolesa, alebo okolo stredu dvoch kolies.

Proces sa opakuje, kým sa nedosiahne posledný bod (zvyčajne počiatočný bod). V tomto mieste program zastaví stroj a žaciu lištu.

Krok 15: REZACIA LIŠTA A JEJ RIADENIE

Žacia lišta sa skladá zo 4 kotúčov otáčajúcich sa rýchlosťou 1 200 ot / min. Každý kotúč je vybavený 3 nožmi. Tieto kotúče sú usporiadané tak, aby vytvorili súvislý rezací pás široký 1,2 metra.

Motory musia byť riadené tak, aby obmedzovali prúd

- pri štarte kvôli zotrvačnosti diskov

- počas kosenia kvôli blokádam spôsobeným príliš veľkým počtom trávy

Na tento účel sa prúd v obvode každého motora meria vinutými odpormi s nízkou hodnotou. Doska UNO je zapojená a naprogramovaná na meranie týchto prúdov a odoslanie príkazu PWM prispôsobeného motorom.

Pri štarte sa teda rýchlosť postupne zvýši na maximálnu hodnotu za 10 sekúnd. V prípade zablokovania trávou sa motor zastaví na 10 sekúnd a znova sa pokúsi o 2 sekundy. Ak problém pretrváva, znova sa spustí 10-sekundový cyklus odpočinku a 2-sekundový reštart. Za týchto podmienok zostáva zahrievanie motora obmedzené, dokonca aj v prípade trvalého zablokovania.

Motory sa spustia alebo zastavia, keď doska UNO prijme signál z pilotného programu. Pevný vypínač však umožňuje spoľahlivo vypnúť napájanie na zaistenie servisných operácií

Krok 16: ČO BY SA MALO ROBIŤ? AKÉ ZLEPŠENIA?

Na úrovni GPS

Vegetácia (stromy) môže obmedziť počet satelitov vzhľadom na vozidlo a znížiť presnosť alebo zabrániť uzamknutiu RTK. Je preto v našom záujme používať čo najviac satelitov súčasne. Bolo by preto zaujímavé dokončiť súhvezdia GPS a Glonass so súhvezdím Galileo.

Malo by byť možné ťažiť z viac ako 20 satelitov namiesto z maximálne 15, čo umožňuje zbaviť sa skimmingu vegetáciou.

Štíty Arduino RTK začínajú existovať a pracovať súčasne s týmito 3 súhvezdiami:

Tieto štíty sú navyše veľmi kompaktné (foto 1), pretože obsahujú obvod GPS aj transceiver na rovnakej podpore.

…. Ale cena je oveľa vyššia ako cena obvodov, ktoré sme použili

Použitie LIDAR na doplnenie GPS

V arboristike sa bohužiaľ stáva, že vegetačný porast je veľmi dôležitý (napríklad lieskové pole). V takom prípade nemusí byť RTK možné ani pri troch súhvezdiach.

Je preto potrebné zaviesť snímač, ktorý by umožňoval udržať polohu aj v prípade dočasnej absencie GPS.

Zdá sa mi (nemal som skúsenosť), že použitie LIDARU by mohlo plniť túto funkciu. Kmene stromov sú v tomto prípade veľmi ľahko rozpoznateľné a dajú sa použiť na sledovanie postupu robota. GPS by obnovilo svoju funkciu na konci radu, pri východe z vegetačného krytu.

Príklad vhodného typu LIDAR je nasledujúci (Foto2):

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