RTK GPS pogonska kosilica: 16 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:34

Ova robotska kosilica sposobna je za potpuno automatsko košenje trave po unaprijed određenom smjeru. Zahvaljujući RTK GPS navođenju tečaj se reproducira pri svakoj košnji s preciznošću boljom od 10 centimetara.

Korak 1: UVOD

Ovdje ćemo opisati robotsku kosilicu koja može potpuno automatski kositi travu na unaprijed određenom smjeru. Zahvaljujući RTK GPS navođenju tečaj se reproducira pri svakoj košnji s preciznošću boljom od 10 centimetara (moje iskustvo). Upravljanje se temelji na Aduino Mega kartici, dopunjenoj nekim oklopima za upravljanje motorom, akcelerometerima i kompasom, kao i memorijskom karticom.

To je neprofesionalno postignuće, ali mi je omogućilo da shvatim probleme s kojima se susreće poljoprivredna robotika. Ova vrlo mlada disciplina brzo se razvija, potaknuta novim zakonodavstvom o smanjenju korova i pesticida. Na primjer, ovdje je veza na najnoviji sajam poljoprivredne robotike u Toulouseu (https://www.fira-agtech.com/). Neke tvrtke, poput Naio Technologies, već proizvode operativne robote (https://www.naio-technologies.com/).

Za usporedbu, moje postignuće je vrlo skromno, ali ipak omogućuje razumijevanje interesa i izazova na razigran način. …. I onda stvarno djeluje! … i stoga se može koristiti za košenje trave oko svoje kuće, a istovremeno čuva njegovo slobodno vrijeme …

Čak i ako ne opišem realizaciju u posljednjim detaljima, naznake koje dajem dragocjene su za onoga tko bi htio lansirati. Ne ustručavajte se postavljati pitanja ili davati prijedloge, što će mi omogućiti da dovršim svoju prezentaciju za dobrobit svih.

Bio bih jako sretan kad bi ova vrsta projekta mogla dati puno mlađim ljudima ukus za inženjering … kako bismo bili spremni za veliku roboluciju koja nas čeka …

Štoviše, ova vrsta projekta bila bi savršeno prilagođena skupini motiviranih mladih ljudi u klubu ili fablabu, za vježbanje rada kao projektna skupina, s mehaničkim, električnim, softverskim arhitektima na čelu sa sistemskim inženjerom, kao u industriji.

Korak 2: GLAVNE SPECIFIKACIJE

Cilj je proizvesti operativnu prototipnu kosilicu sposobnu samostalno kositi travu na terenu koji može imati značajne nepravilnosti (livade, a ne travnjaci).

Zaštita polja ne može se temeljiti na fizičkoj barijeri ili ograničenju zakopane žice vodilice kao za robote za košnju travnjaka. Polja koja treba kositi doista su promjenjiva i velike površine.

Za šipku za rezanje cilj je održati rast trave na određenoj visini nakon prve košnje ili četkanja dobivene na neki drugi način.

Korak 3: OPĆA PREZENTACIJA

Sustav se sastoji od mobilnog robota i fiksne baze.

Na mobilnom robotu nalazimo:

- Nadzorna ploča

- Opća kontrolna kutija, uključujući memorijsku karticu.

- ručni joystick

- GPS konfiguriran kao "rover" i RTK prijemnik

- 3 motorna kotača

- Valjkasti motori kotača

- šipka za rezanje koja se sastoji od 4 rotirajuća diska od kojih svaki nosi 3 oštrice noža na periferiji (širina rezanja 1 metar)

- kutija za upravljanje reznim šipkama

- baterije

U fiksnoj bazi nalazimo GPS konfiguriran kao "baza", kao i odašiljač RTK ispravki. Napominjemo da je antena postavljena po visini tako da zrači nekoliko stotina metara oko kuće.

Osim toga, GPS antena vidljiva je po cijelom nebu bez ikakvih zaklona od strane zgrada ili raslinja.

Načini rada Rovera i GPS baza bit će opisani i objašnjeni u odjeljku GPS.

Korak 4: UPUTE ZA RAD (1/4)

Predlažem da se upoznate s robotom kroz njegov priručnik koji dobro prikazuje sve njegove funkcionalnosti.

Opis nadzorne ploče:

- Opći prekidač

- Prvi birač u 3 položaja omogućuje odabir načina rada: ručni način vožnje, način snimanja pjesama, način košnje

- Tipka se koristi kao oznaka. Vidjet ćemo njegovu upotrebu.

- Dva druga birača s 3 položaja koriste se za odabir broja datoteke od 9. Stoga imamo 9 datoteka za košnju ili zapise o putovanju za 9 različitih polja.

- Birač s 3 položaja namijenjen je kontroli rezne šipke. OFF položaj, ON položaj, programirani upravljački položaj.

- Prikaz u dva reda

- birač u 3 položaja za definiranje 3 različita prikaza

- LED dioda koja pokazuje status GPS -a. Svijetle svjetla, nema GPS -a. LED diode sporo trepere, GPS bez RTK ispravki. LED brzo treperi, primljene su ispravke RTK -a. Led svijetli, GPS zaključavanje na najvećoj točnosti.

Konačno, joystick ima dva birača u 3 položaja. Lijevi upravlja lijevim kotačem, desni upravlja desnim kotačem.

Korak 5: UPUTE ZA RAD (2/4)

Ručni način rada (GPS nije potreban)

Nakon uključivanja i odabira ovog načina rada biračem načina rada, strojem se upravlja pomoću upravljačke tipke.

Dva birača s 3 položaja imaju povratnu oprugu koja ih uvijek vraća u srednji položaj, što odgovara zaustavljanju kotača.

Kad se lijeva i desna poluga gurnu prema naprijed, dva stražnja kotača se okreću i stroj ide ravno.

Kada povučete dvije poluge unatrag, stroj se vraća ravno natrag.

Kad se poluga gurne naprijed, stroj se okreće oko nepomičnog kotača.

Kad se jedna poluga gurne naprijed, a druga natrag, stroj se okreće oko sebe u točki u sredini osovine spajajući stražnje kotače.

Motorizacija prednjeg kotača automatski se podešava prema dvije kontrole postavljene na dva stražnja kotača.

Konačno, u ručnom načinu rada također je moguće kositi travu. U tu svrhu, nakon što smo provjerili da nema nikoga u blizini reznih diskova, stavljamo UKLJUČENU kutiju za upravljanje reznom šipkom ("tvrdi" prekidač radi sigurnosti). Birač izrezivanja ploče s instrumentima tada se stavlja na ON. U ovom trenutku rotiraju se 4 diska rezne šipke..

Korak 6: UPUTE ZA RAD (3/4)

Način snimanja zapisa (potreban je GPS)

- Prije početka snimanja izvođenja, definira se proizvoljna referentna točka za polje i označava malim ulogom. Ova točka bit će ishodište koordinata u zemljopisnom okviru (fotografija)

- Zatim odabiremo broj datoteke u kojoj će putovanje biti zabilježeno, zahvaljujući dvama biračima na nadzornoj ploči.

- UKLJUČENA baza je postavljena

- Provjerite da LED status GPS -a počinje brzo treptati.

- Izađite iz ručnog načina rada postavljanjem birača načina rada ploče s instrumentima u položaj za snimanje.

- Stroj se tada ručno pomiče u položaj referentne točke. GPS antena mora biti iznad ove znamenitosti. Ova GPS antena nalazi se iznad točke centrirane između dva stražnja kotača i koja je točka rotacije stroja na sebi.

- Pričekajte dok LED status GPS -a ne zasvijetli bez treptanja. To znači da je GPS maksimalno točan (GPS) "Popravi".

- Izvorni položaj 0.0 označen je pritiskom na marker na nadzornoj ploči.

- Zatim prelazimo na sljedeću točku koju želimo mapirati. Čim se dosegne, signaliziramo to pomoću markera.

- Kako bismo prekinuli snimanje, vraćamo se u ručni način rada.

Korak 7: UPUTE ZA RAD (4/4)

Način košnje (potreban GPS)

Prvo morate pripremiti datoteku bodova kroz koju stroj mora proći kako bi pokosio cijelo polje bez napuštanja neobrađene površine. Da bismo to učinili, spremamo datoteku na memorijsku karticu i iz tih koordinata, na primjer Excel, generiramo popis točaka kao na fotografiji. Za svaku od točaka koje treba dosegnuti označavamo je li nož za rezanje UKLJUČEN ili ISKLJUČEN. Budući da šipka za rezanje troši najviše energije (od 50 do 100 W, ovisno o travi), potrebno je paziti da isključite šipku za rezanje kada, primjerice, prelazite već pokošeno polje.

Kad se ploča za košnju generira, memorijska kartica se vraća na štitnik u upravljačkoj ladici.

Ostaje samo staviti ON na bazu i otići do polja za košnju, neposredno iznad referentnog orijentira. Birač načina rada tada je postavljen na "Kositi".

U ovom trenutku stroj će sam čekati zaključavanje GPS RTK -a u "Popravci" kako bi nulirao koordinate i počeo kositi.

Kad košenje završi, vratit će se sam na početnu točku, s točnošću od desetak centimetara.

Tijekom košnje, stroj se kreće u ravnoj liniji između dvije uzastopne točke datoteke s točkama. Širina košnje je 1,1 metar Budući da stroj ima širinu između kotača od 1 metra i može se okretati oko kotača (pogledajte video), moguće je izraditi susjedne trake za košnju. Ovo je vrlo učinkovito!

Korak 8: MEHANIČKI DIO

Struktura robota

Robot je izgrađen oko rešetkaste strukture od aluminijskih cijevi, što mu daje dobru krutost. Njegove dimenzije su dugačke oko 1,20 metara, široke 1 metar i visoke 80 cm.

Točkovi

Može se pomicati zahvaljujući 3 kotača za djecu u promjeru 20 inča: dva stražnja kotača i prednji kotač sličan kotaču kolica supermarketa (fotografije 1 i 2). Relativno kretanje dva stražnja kotača osigurava njegovu orijentaciju

Motori s valjcima

Zbog nepravilnosti na polju potrebno je imati velike omjere zakretnog momenta, a time i veliki omjer smanjenja. U tu sam svrhu upotrijebio princip pritiskanja valjka na kotaču, kao na solexu (fotografije 3 i 4). Veliko smanjenje omogućuje održavanje stroja stabilnim na nagibu, čak i kad je snaga motora smanjena. Zauzvrat, stroj polako napreduje (3 metra/ minutu) … ali i trava raste sporo …

Za mehaničko projektiranje koristio sam softver za crtanje Openscad (vrlo učinkovit softver za skripte). Paralelno za detaljne planove koristio sam crtež iz Openofficea.

Korak 9: RTK GPS (1/3)

Jednostavan GPS

Jednostavan GPS (fotografija 1), onaj u našem automobilu ima točnost od samo nekoliko metara. Ako zabilježimo položaj označen takvim GPS -om koji se održava fiksnim, na primjer, sat vremena, primijetit ćemo kolebanja od nekoliko metara. Te su fluktuacije posljedica smetnji u atmosferi i ionosferi, ali i pogrešaka u satovima satelita i pogrešaka u samom GPS -u. Stoga nije prikladan za našu primjenu.

RTK GPS

Za poboljšanje ove točnosti koriste se dva GPS -a na udaljenosti manjoj od 10 km (fotografija 2). U tim uvjetima možemo smatrati da su smetnje atmosfere i ionosfere identične na svakom GPS -u. Tako se razlika u položaju između dva GPS -a više ne remeti (diferencijal). Ako sada priključimo jedan GPS (bazu), a drugi postavimo na vozilo (rover), dobit ćemo precizno kretanje vozila s baze bez smetnji. Štoviše, ti GPS -i izvode mjerenje vremena leta mnogo preciznije od jednostavnog GPS -a (fazna mjerenja na nosaču).

Zahvaljujući tim poboljšanjima dobit ćemo centimetrijsku točnost mjerenja kretanja rovera u odnosu na bazu.

Upravo smo ovaj RTK (Real Time Kinematic) sustav odabrali koristiti.

Korak 10: RTK GPS (2/3)

Kupio sam 2 RTK GPS sklopa (fotografija 1) od tvrtke Navspark.

Ti su krugovi postavljeni na malu tiskanu ploču opremljenu iglama koraka 2,54 mm, koja se stoga postavlja izravno na ploče za ispitivanje.

Budući da se projekt nalazi na jugozapadu Francuske, odabrao sam sklopove koji rade sa zviježđima američkih GPS satelita, kao i sa ruskim sazviježđem Glonass.

Važno je imati najveći mogući broj satelita kako biste iskoristili najbolju točnost. U mom slučaju trenutno imam između 10 i 16 satelita.

Moramo i kupiti

- 2 USB adaptera, potrebna za povezivanje GPS sklopa s računalom (testovi i konfiguracija)

- 2 GPS antene + 2 adapterska kabela

- par 3DR odašiljača-prijemnika tako da baza može izdati svoje ispravke roveru, a rover ih primiti.

11. korak: RTK GPS (3/3)

GPS obavijest koja se nalazi na web mjestu Navspark omogućuje postupnu implementaciju sklopova.

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

Na web stranici Navspark također ćemo pronaći

- softver koji će se instalirati na računalo sa sustavom Windows za pregled GPS izlaza i programskih krugova u bazi i roveru.

- Opis formata GPS podataka (NMEA izrazi)

Svi su ti dokumenti na engleskom jeziku, ali ih je relativno lako razumjeti. U početku se implementacija odvija bez i najmanjeg elektroničkog kruga zahvaljujući USB adapterima koji također pružaju svu električnu energiju.

Napredak je sljedeći:

- Testiranje pojedinačnih krugova koji funkcioniraju kao jednostavan GPS. Pogled na mostove u oblaku pokazuje stabilnost od nekoliko metara.

- Programiranje jednog kruga u ROVER -u, a drugog u BASE -u

- Izgradnja RTK sustava povezivanjem dva modula s jednom žicom. Pogled na mostove u oblaku pokazuje relativnu stabilnost ROVER -a/BAZE od nekoliko centimetara!

- Zamjena spojne žice BASE i ROVER 3DR primopredajnicima. I ovdje operacija u RTK -u omogućuje stabilnost od nekoliko centimetara. No ovaj put BASE i ROVER više nisu povezani fizičkom vezom …

- Zamjena vizualizacije računala s Arduino pločom programiranom za primanje GPS podataka na serijski ulaz … (vidi dolje)

Korak 12: ELEKTRIČNI DIO (1/2)

Električna upravljačka kutija

Fotografija 1 prikazuje glavne ploče upravljačkih kutija koje će biti dolje navedene.

Ožičenje GPS -a

GPS ožičenje podnožja i kosilice prikazano je na slici 2.

Ovo kabliranje se prirodno postiže slijedeći napredak GPS uputa (vidi odjeljak GPS). U svim slučajevima postoji USB adapter koji vam omogućuje programiranje krugova u bazi ili u roveru zahvaljujući računalnom softveru koji nudi Navspark. Zahvaljujući ovom programu imamo i sve informacije o položaju, broj satelita itd …

U odjeljku kosilice, Tx1 pin GPS -a je spojen na 19 (Rx1) serijski ulaz ploče ARDUINO MEGA za primanje fraza NMEA.

U bazi se Tx1 pin GPS -a šalje na Rx pin 3DR radija radi slanja ispravki. U kosilici ispravci koje prima 3DR radio šalju se na pin Rx2 GPS sklopa.

Napominje se da su te ispravke i njihovo upravljanje u potpunosti osigurani GPS RTK krugovima. Dakle, ploča Aduino MEGA prima samo ispravljene vrijednosti položaja.

Korak 13: ELEKTRIČNI DIO (2/2)

Arduino MEGA ploča i njeni štitovi

- MEGA arduino ploča

- Štitnik motora stražnjih kotača

- Štitnik motora prednjih kotača

- Štit arte SD

Na slici 1 zabilježeno je da su utični konektori postavljeni između ploča tako da se toplina koja se odvodi u pločama motora može odzračiti. Osim toga, ovi umetci omogućuju vam da izrežete neželjene veze između kartica, bez potrebe za njihovom izmjenom.

Na slikama 2 i 3 prikazano je očitavanje položaja pretvarača na ploči s instrumentima i upravljačke palice.

Korak 14: PROGRAM VOŽNJE ARDUINO

Ploča mikrokontrolera je Arduino MEGA (UNO nema dovoljno memorije). Program vožnje je vrlo jednostavan i klasičan. Razvio sam funkciju za svaku osnovnu operaciju koju treba izvesti (očitavanje nadzorne ploče, prikupljanje GPS podataka, LCD zaslon, kontrola unaprijed ili rotacije stroja itd.). Te se funkcije tada lako koriste u glavnom programu. Mala brzina stroja (3 metra/ minuti) čini stvari mnogo lakšima.

No, trakom za rezanje ne upravlja ovaj program, već program UNO ploče koja se nalazi u određenom okviru.

U dijelu SETUP programa nalazimo

- Korisne inicijalizacije pinova MEGA ploče na ulazima ili izlazima;

- Inicijalizacija LCD zaslona

- Inicijalizacija SD memorijske kartice

- Inicijalizacija brzine prijenosa s hardverskog serijskog sučelja na GPS;

- Inicijalizacija brzine prijenosa sa serijskog sučelja na IDE;

- Gašenje motora i šipka za rezanje

U LOOP dijelu programa nalazimo na početku

- očitanja na ploči s instrumentima i upravljačkoj palici, GPS -u, kompasu i mjeraču ubrzanja;

- birač s 3 vodiča, ovisno o statusu birača načina rada ploče s instrumentima (ručno, snimanje, košnja)

Petlja LOOP isprekidana je asinhronim očitanjem GPS -a, što je najsporiji korak. Tako se vraćamo na početak petlje otprilike svake 3 sekunde.

U zaobilaznici normalnog načina rada, funkcija kretanja se kontrolira prema upravljačkoj palici, a zaslon se ažurira otprilike svake 3 sekunde (položaj, GPS status, smjer kompasa, nagib …). Pritisak na označivač BP poništava koordinate položaja koje će biti izražene u metrima u zemljopisnom orijentiru.

U načinu rada za spremanje, svi položaji izmjereni tijekom premještanja bilježe se na SD karticu (razdoblje od oko 3 sekunde). Kad se dosegne točka interesa, spremanje pritiska na marker se sprema. u SD kartici. Položaj stroja prikazuje se svake 3 sekunde, u metrima, u zemljopisnom orijentiru usredotočenom na ishodišnu točku.

U načinu košenja shunt: Stroj je prethodno pomaknut iznad referentne točke. Prilikom prebacivanja birača načina rada na "košenje", program promatra GPS izlaze, a posebno vrijednost zastave statusa. Kad se zastavica statusa promijeni u "Popravi", program izvodi položaj nula. Prva točka do koje se dolazi tada se čita u datoteci za košnju SD memorije. Kad se dosegne ova točka, okretanje stroja se vrši kako je navedeno u datoteci za košnju, bilo oko kotača, bilo oko središta dva kotača.

Postupak se ponavlja sve dok se ne dosegne posljednja točka (obično početna točka). U ovom trenutku program zaustavlja stroj i reznu traku.

Korak 15: TRAKA ZA REZANJE I NJEGOVO UPRAVLJANJE

Rezna traka sastoji se od 4 diska koji se okreću brzinom od 1200 o / min. Svaki disk opremljen je s 3 noža za rezanje. Ti su diskovi raspoređeni tako da čine kontinuiranu traku za rezanje široku 1,2 metra.

Motori se moraju kontrolirati kako bi se ograničila struja

- pri pokretanju, zbog inercije diskova

- tijekom košenja zbog začepljenja uzrokovanih previše trave

U tu se svrhu struja u krugu svakog motora mjeri pomoću namotanih otpornika male vrijednosti. UNO ploča je ožičena i programirana za mjerenje ovih struja i slanje PWM naredbe prilagođene motorima.

Tako se pri pokretanju brzina postupno povećava do najveće vrijednosti za 10 sekundi. U slučaju začepljenja travom, motor se zaustavlja na 10 sekundi i pokušava ponovno 2 sekunde. Ako se problem nastavi, ciklus odmora od 10 sekundi i ponovnog pokretanja od 2 sekunde ponovno započinju. U tim uvjetima zagrijavanje motora ostaje ograničeno, čak i u slučaju trajnog blokiranja.

Motori se pokreću ili zaustavljaju kada UNO ploča primi signal iz pilot programa. Međutim, tvrdi prekidač omogućuje pouzdano isključivanje napajanja radi sigurnog servisnog rada

Korak 16: ŠTO TREBA UČINITI? KAKVA POBOLJŠANJA?

Na GPS razini

Vegetacija (drveće) može ograničiti broj satelita u pogledu vozila i smanjiti točnost ili spriječiti zaključavanje RTK -a. Stoga nam je u interesu koristiti što više satelita u isto vrijeme. Stoga bi bilo zanimljivo upotpuniti sazviježđa GPS i Glonass sazviježđem Galileo.

Trebalo bi biti moguće imati koristi od više od 20 satelita umjesto maksimalnih 15, što omogućuje da se riješite listanja vegetacijom.

Arduino RTK štitovi počinju postojati radeći istovremeno s ova 3 sazviježđa:

Štoviše, ti su štitovi vrlo kompaktni (fot. 1) jer uključuju i GPS krug i primopredajnik na istoj podršci.

…. No, cijena je mnogo veća od one sklopova koje smo koristili

Korištenje LIDAR -a za nadopunu GPS -a

Nažalost, u arbokulturi se događa da je vegetacijski pokrov vrlo važan (polje lijeske na primjer). U tom slučaju zaključavanje RTK -a čak i sa 3 sazviježđa možda neće biti moguće.

Stoga je potrebno uvesti senzor koji bi omogućio održavanje položaja čak i u trenutačnoj odsutnosti GPS -a.

Čini mi se (nemam iskustva) da bi upotreba LIDAR -a mogla ispuniti ovu funkciju. Debla drveća u ovom su slučaju vrlo lako uočljiva i mogu se koristiti za promatranje napretka robota. GPS bi nastavio svoju funkciju na kraju reda, na izlazu iz vegetacijskog pokrova.

Primjer prikladne vrste LIDAR -a je sljedeći (Fotografija2):

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