RTK GPS -drevet slåmaskin: 16 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

Denne robotklipperen er i stand til å helautomatisk gressklipping på en forhåndsbestemt kurs. Takket være RTK GPS -veiledning gjengis kurset for hver klipping med en presisjon som er bedre enn 10 centimeter.

Trinn 1: INNLEDNING

Vi vil her beskrive en robotklipper som er i stand til å klippe gresset helt automatisk på en kurs bestemt på forhånd. Takket være RTK GPS -veiledning gjengis kurset ved hver klipping med en presisjon bedre enn 10 centimeter (min erfaring). Kontrollen er basert på et Aduino Mega -kort, supplert med noen skjold for motorstyring, akselerometre og kompass, samt et minnekort.

Det er en ikke-profesjonell prestasjon, men det har tillatt meg å innse problemene som oppstår i jordbruksroboter. Denne veldig unge disiplinen utvikler seg raskt, ansporet av ny lovgivning om reduksjon av ugress og plantevernmidler. Her er for eksempel en lenke til den siste jordbruksrobotikkmessen i Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Noen selskaper som Naio Technologies produserer allerede operative roboter (https://www.naio-technologies.com/).

Til sammenligning er prestasjonen min veldig beskjeden, men den gjør det likevel mulig å forstå interesse og utfordringer på en leken måte. …. Og så fungerer det virkelig! … og kan derfor brukes til å klippe gress rundt huset hans, samtidig som han bevarer fritiden …

Selv om jeg ikke beskriver realiseringen i de siste detaljene, er indikasjonene jeg gir verdifulle for den som ønsker å starte. Ikke nøl med å stille spørsmål eller komme med forslag, slik at jeg kan fullføre presentasjonen til fordel for alle.

Jeg ville vært veldig glad hvis denne typen prosjekter kunne gi mye yngre mennesker en smak for ingeniørfag …. for å være klar for den store oppløsningen som venter oss….

Dessuten ville denne typen prosjekter være perfekt egnet for en gruppe motiverte unge mennesker i en klubb eller fablab, for å trene på å jobbe som en prosjektgruppe, med mekaniske, elektriske, programvarearkitekter ledet av en systemingeniør, som i bransjen.

Trinn 2: HOVEDSPESIFIKASJONER

Målet er å produsere en operativ prototypeklipper som er i stand til å klippe gress autonomt på terreng som kan ha betydelige uregelmessigheter (enger i stedet for plener).

Feltinneslutning kan ikke være basert på en fysisk barriere eller begravd guidekabelbegrensning som for gressklipperoboter. Feltene som skal klippes er faktisk varierende og har en stor overflate.

For klippestangen er målet å opprettholde gressets vekst i en viss høyde etter en første slått eller børsting oppnådd på annen måte.

Trinn 3: GENERELL PRESENTASJON

Systemet består av en mobil robot og en fast base.

På mobilroboten finner vi:

- Dashbordet

- Den generelle kontrollboksen inkludert et minnekort.

- den manuelle joysticken

- GPS -en er konfigurert som en "rover" og RTK -mottaker

- 3 motoriserte hjul

- Rullemotorer på hjul

- skjærebøylen består av 4 roterende skiver som hver bærer 3 kutterblad i periferien (klippebredde på 1 meter)

- skjærebjelken

- batteriene

I den faste basen finner vi GPS -en konfigurert som "base", så vel som senderen til RTK -korreksjonene. Vi merker oss at antennen er plassert i høyden slik at den kan utstråle noen hundre meter rundt huset.

I tillegg er GPS -antennen i sikte på hele himmelen uten noen okkultasjon av bygninger eller vegetasjon.

Rover -modusene og GPS -basen vil bli beskrevet og forklart i GPS -delen.

Trinn 4: BRUKSANVISNING (1/4)

Jeg foreslår å bli kjent med roboten gjennom håndboken som gjør at alle funksjonene ser godt ut.

Beskrivelse av dashbordet:

- En generell bryter

- En første 3-stillingsvelger lar deg velge driftsmoduser: manuell reisemodus, sporopptaksmodus, klippemodus

- En trykknapp brukes som markør. Vi vil se bruken av den.

- To andre 3-stillingsvelgere brukes til å velge et filnummer fra 9. Vi har derfor 9 klippefiler eller reiseposter for 9 forskjellige felt.

- En 3-stillingsvelger er dedikert til kontroll av skjærebjelken. AV -posisjon, PÅ -posisjon, programmert kontrollposisjon.

- Display med to linjer

- en 3-stillingsvelger for å definere 3 forskjellige skjermer

- en LED som indikerer GPS -statusen. Lyser av, ingen GPS. Lysdioder blinker sakte, GPS uten RTK -korreksjoner. Rask blinkende LED, RTK -korreksjoner mottatt. Lyser, GPS -lås med høyeste nøyaktighet.

Til slutt har joysticken to velgere med 3 stillinger. Det venstre styrer det venstre hjulet, det høyre styrer det høyre hjulet.

Trinn 5: BRUKSANVISNING (2/4)

Manuell driftsmodus (GPS ikke nødvendig)

Etter at du har slått på og valgt denne modusen med modusvelgeren, styres maskinen med joysticken.

De to 3-stillingsvelgerne har en returfjær som alltid returnerer dem til midtposisjonen, tilsvarende stopp av hjulene.

Når venstre og høyre spak skyves forover, snur de to bakhjulene og maskinen går rett.

Når du trekker de to spakene tilbake, går maskinen rett tilbake.

Når en spak skyves fremover, snur maskinen rundt det stasjonære hjulet.

Når den ene spaken skyves fremover og den andre bakover, roterer maskinen rundt seg selv på et punkt i midten av akselen som forbinder bakhjulene.

Motoriseringen av forhjulet justeres automatisk i henhold til de to kontrollene plassert på de to bakhjulene.

Til slutt, i manuell modus er det også mulig å klippe gress. For dette formålet, etter å ha kontrollert at ingen er i nærheten av skjæreskivene, setter vi PÅ styringsboksen til skjærebøylen ("hard" bryter for sikkerhet). Instrumentpanelets kuttvelger settes deretter på ON. For øyeblikket roterer de fire skivene på skjærebøylen..

Trinn 6: BRUKSANVISNING (3/4)

Sporopptaksmodus (påkrevd GPS)

- Før du begynner å registrere et løp, er et vilkårlig referansepunkt for feltet definert og merket med en liten innsats. Dette punktet vil være opprinnelsen til koordinatene i den geografiske rammen (foto)

- Vi velger deretter filnummeret som reisen skal registreres i, takket være de to velgerne på dashbordet.

- ON -basen er innstilt

- Kontroller at GPS -status -LED -en begynner å blinke raskt.

- Avslutt manuell modus ved å plassere instrumentpanelmodusvelgeren i opptaksposisjonen.

- Maskinen flyttes deretter manuelt til referansepunktposisjonen. Nettopp det er GPS -antennen som må være over dette landemerket. Denne GPS -antennen er plassert over punktet sentrert mellom de to bakhjulene og som er rotasjonspunktet til maskinen på seg selv.

- Vent til GPS -statuslampen lyser uten å blinke. Dette indikerer at GPS har maksimal nøyaktighet ("Fix" GPS).

- Den opprinnelige 0.0 -posisjonen er markert ved å trykke på dashbordmarkøren.

- Vi går deretter til neste punkt som vi vil kartlegge. Så snart den er nådd, signaliserer vi den ved hjelp av markøren.

- For å avslutte innspillingen går vi tilbake til manuell modus.

Trinn 7: BRUKSANVISNING (4/4)

Klippemodus (påkrevd GPS)

Først må du forberede poengfilen som maskinen må gjennom for å klippe hele feltet uten å etterlate en uklippet overflate. For å gjøre dette får vi filen lagret på minnekortet, og fra disse koordinatene, ved hjelp av for eksempel Excel, genererer vi en liste med punkter som på bildet. For hvert av punktene som skal nås, angir vi om skjærebøylen er PÅ eller AV. Siden det er klippestangen som bruker mest strøm (fra 50 til 100 watt avhengig av gresset), er det nødvendig å være forsiktig med å slå av klippestangen når du for eksempel krysser et allerede slått felt.

Når klippebrettet genereres, settes minnekortet tilbake på skjoldet i kontrollskuffen.

Da gjenstår det bare å sette PÅ basen og gå til slåttefeltet, like over referansemerket. Modusvelgeren er deretter satt til "Klippe".

På dette tidspunktet vil maskinen vente av seg selv på GPS RTK -låsen i "Fix" for å nullstille koordinatene og begynne å klippe.

Når slåtten er ferdig, vil den gå tilbake alene til utgangspunktet, med en nøyaktighet på omtrent ti centimeter.

Under klippingen beveger maskinen seg i en rett linje mellom to påfølgende punkter i punktfilen. Klippebredden er 1,1 meter Siden maskinen har en bredde mellom hjul på 1 meter og kan rotere rundt et hjul (se video), er det mulig å lage tilstøtende klippestrimler. Dette er veldig effektivt!

Trinn 8: MEKANISK DEL

Strukturen til roboten

Roboten er bygget rundt en gitterstruktur av aluminiumsrør, noe som gir den god stivhet. Dimensjonene er omtrent 1,20 meter lange, 1 meter brede og 80 cm høye.

Hjulene

Den kan bevege seg takket være 3 barnehjul i diameter 20 tommer: To bakhjul og et forhjul som ligner hjulet i supermarkedvogner (bilder 1 og 2). Den relative bevegelsen til de to bakhjulene sikrer orientering

Rullemotorene

På grunn av uregelmessighetene i feltet, er det nødvendig å ha store dreiemomentforhold og derfor et stort reduksjonsforhold. Til dette formålet brukte jeg prinsippet om rulletrykk på hjulet, som på en solex (bilder 3 og 4). Den store reduksjonen gjør det mulig å holde maskinen stabil i en skråning, selv når motoreffekten kuttes. Til gjengjeld går maskinen sakte frem (3 meter/ minutt) … men gresset vokser også sakte ….

For den mekaniske designen brukte jeg tegneprogramvaren Openscad (veldig effektiv skriptprogramvare). Parallelt for detaljplanene brukte jeg Drawing from Openoffice.

Trinn 9: RTK GPS (1/3)

Enkel GPS

Den enkle GPS (foto 1), den i bilen vår har en nøyaktighet på bare noen få meter. Hvis vi for eksempel registrerer posisjonen som er angitt med en slik GPS, fastholdt i en time, vil vi observere svingninger på flere meter. Disse svingningene skyldes forstyrrelser i atmosfæren og ionosfæren, men også feil i satellittenes klokker og feil i selve GPS -en. Det er derfor ikke egnet for vår applikasjon.

RTK GPS

For å forbedre denne nøyaktigheten brukes to GPS i en avstand på mindre enn 10 km (foto 2). Under disse forholdene kan vi vurdere at forstyrrelsene i atmosfæren og ionosfæren er identiske på hver GPS. Dermed blir posisjonsforskjellen mellom de to GPS -ene ikke lenger forstyrret (differensial). Hvis vi nå fester en av GPS -en (basen) og plasserer den andre på et kjøretøy (roveren), vil vi oppnå nøyaktig bevegelse av kjøretøyet fra basen uten forstyrrelser. Dessuten utfører disse GPSene en tid for flymåling mye mer presis enn den enkle GPS (fasemålinger på bæreren).

Takket være disse forbedringene vil vi oppnå en sentimetrisk måle nøyaktighet for roverens bevegelse i forhold til basen.

Det er dette RTK -systemet (Real Time Kinematic) som vi har valgt å bruke.

Trinn 10: RTK GPS (2/3)

Jeg kjøpte 2 RTK GPS -kretser (bilde 1) fra selskapet Navspark.

Disse kretsene er montert på en liten PCB utstyrt med 2,54 mm pitch pins, som derfor monteres direkte på testplatene.

Siden prosjektet ligger i det sørvestlige Frankrike, valgte jeg kretser som jobbet med stjernebildene av amerikanske GPS-satellitter, så vel som den russiske stjernebildet Glonass.

Det er viktig å ha maksimalt antall satellitter for å dra nytte av den beste nøyaktigheten. I mitt tilfelle har jeg for tiden mellom 10 og 16 satellitter.

Vi må også kjøpe

- 2 USB -adaptere, nødvendig for å koble GPS -kretsen til en PC (tester og konfigurasjon)

- 2 GPS -antenner + 2 adapterkabler

- et par 3DR-sender-mottakere slik at basen kan utstede sine korreksjoner til roveren og roveren motta dem.

Trinn 11: RTK GPS (3/3)

GPS -merknaden som finnes på Navspark -nettstedet, gjør at kretsene kan implementeres gradvis.

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

På Navspark -nettstedet finner vi også

- programvaren som skal installeres på Windows -PCen for å se GPS -utganger og programkretser i base og rover.

- En beskrivelse av GPS -dataformatet (NMEA -setninger)

Alle disse dokumentene er på engelsk, men er relativt enkle å forstå. I utgangspunktet er implementeringen gjort uten den minste elektroniske kretsen takket være USB -adaptere som også gir alle elektriske strømforsyninger.

Utviklingen er som følger:

- Testing av individuelle kretser som fungerer som enkel GPS. Skyutsikt over broer viser stabilitet på noen få meter.

- Programmering av den ene kretsen i ROVER og den andre i BASE

- Å bygge et RTK -system ved å koble de to modulene med en enkelt ledning. Skysikten over broer viser en relativ stabilitet på ROVER/BASE på noen få centimeter!

- Utskifting av BASE- og ROVER -tilkoblingskabelen med 3DR -mottakere. Også her tillater operasjonen i RTK en stabilitet på noen få centimeter. Men denne gangen er BASE og ROVER ikke lenger forbundet med en fysisk lenke ….

- Erstatning av PC -visualisering med et Arduino -kort programmert til å motta GPS -data på en seriell inngang … (se nedenfor)

Trinn 12: ELEKTRISK DEL (1/2)

Den elektriske kontrollboksen

Foto 1 viser de viktigste kontrollboksene som vil bli beskrevet nedenfor.

Kabling av GPS

Basen og klipperen GPS -ledninger er vist i figur 2.

Denne kablingen oppnås naturligvis ved å følge fremdriften i GPS -instruksjonene (se GPS -delen). I alle tilfeller er det en USB -adapter som lar deg programmere kretsene enten i basen eller i rover takket være PC -programvaren fra Navspark. Takket være dette programmet har vi også all posisjonsinformasjon, antall satellitter osv …

I gressklipperen er Tx1 -pinnen på GPSen koblet til 19 (Rx1) seriell inngang på ARDUINO MEGA -kortet for å motta NMEA -setningene.

I basen sendes Tx1 -pinnen på GPS -en til Rx -pinnen på 3DR -radioen for å sende korreksjonene. I klipperen blir korreksjonene mottatt av 3DR -radioen sendt til pin Rx2 i GPS -kretsen.

Det bemerkes at disse korreksjonene og deres håndtering er fullt ut sikret av GPS RTK -kretsene. Dermed mottar Aduino MEGA -kortet bare korrigerte posisjonsverdier.

Trinn 13: ELEKTRISK DEL (2/2)

Arduino MEGA -brettet og skjoldene

- MEGA arduino bord

- Bakhjulsmotorer skjerm

- Forhjuls motorskjerm

- Skjold art SD

I figur 1 er det bemerket at plug-in-kontakter ble plassert mellom platene slik at varmen som ble avledet i motorbrettene kunne lufte ut. I tillegg lar disse innsatsene kutte uønskede koblinger mellom kortene, uten å måtte endre dem.

Figur 2 og figur 3 viser hvordan posisjonene til instrumentpanelomformerne og styrespaken leses.

Trinn 14: ARDUINO DRIVING PROGRAM

Mikrokontrollerkortet er et Arduino MEGA (UNO har ikke nok minne). Kjøreprogrammet er veldig enkelt og klassisk. Jeg har utviklet en funksjon for hver grunnleggende operasjon som skal utføres (dashbordlesing, GPS -datainnsamling, LCD -skjerm, maskinfremføring eller rotasjonskontroll, etc …). Disse funksjonene brukes deretter enkelt i hovedprogrammet. Maskinens lave hastighet (3 meter/ minutt) gjør ting mye lettere.

Skjærebjelken administreres imidlertid ikke av dette programmet, men av programmet til UNO -kortet som ligger i den spesifikke boksen.

I SETUP -delen av programmet finner vi

- Nyttige pin -initialiseringer av MEGA -kortet i innganger eller utganger;

- Initialisering av LCD -skjerm

- Initialisering av SD -minnekort

- Initialisering av overføringshastigheten fra det serielle maskinvaregrensesnittet til GPS -en;

- Initialisering av overføringshastigheten fra det serielle grensesnittet til IDE;

- Slå av motorer og skjærebjelke

I LOOP -delen av programmet finner vi i begynnelsen

- Instrumentpanel og joystick, GPS, kompass og akselerometeravlesninger;

- en 3-leder velger, avhengig av statusen til instrumentpanelmodusvelgeren (manuell, innspilling, klipping)

LOOP -sløyfen skilles av asynkron lesing av GPS -en som er det tregeste trinnet. Så vi går tilbake til begynnelsen av løkken omtrent hvert tredje sekund.

I bypass -modus for normal modus styres bevegelsesfunksjonen i henhold til joysticken og displayet oppdateres omtrent hvert tredje sekund (posisjon, GPS -status, kompassretning, tilt …). Et trykk på markøren BP nuller posisjonskoordinatene som vil bli uttrykt i meter i det geografiske landemerket.

I shunt -modus shunt blir alle posisjoner målt under flyttingen registrert på SD -kortet (periode på ca. 3 sekunder). Når et interessepunkt er nådd, lagres et trykk på markøren. på SD -kortet. Maskinens posisjon vises hvert 3. sekund, i meter i det geografiske landemerket sentrert på opprinnelsespunktet.

I klippemodus shunt: Maskinen ble tidligere flyttet over referansepunktet. Når du bytter modusvelger til "klipping", observerer programmet GPS -utgangene og spesielt verdien av statusflagget. Når statusflagget endres til "Fix", utfører programmet posisjonen null. Det første punktet å nå blir deretter lest i klippefilen til SD -minnet. Når dette punktet er nådd, blir maskinen svinget som angitt i klippefilen, enten rundt et hjul eller rundt midten av de to hjulene.

Prosessen gjentar seg til det siste punktet er nådd (vanligvis utgangspunktet). På dette tidspunktet stopper programmet maskinen og skjærebøylen.

Trinn 15: KLIPPEBAREN OG DENNES LEDELSE

Skjærebjelken består av 4 skiver som roterer med en hastighet på 1200 o / min. Hver plate er utstyrt med 3 knivblader. Disse skivene er arrangert for å lage et kontinuerlig skjærebånd på 1,2 meter bredt.

Motorer må kontrolleres for å begrense strømmen

- ved oppstart, på grunn av treghet på platene

- under kutting, på grunn av blokkeringer forårsaket av for mye gress

For dette formålet måles strømmen i kretsen til hver motor ved hjelp av spiralmotstander med lav verdi. UNO -styret er kablet og programmert til å måle disse strømningene og sende en PWM -kommando tilpasset motorene.

Ved oppstart øker hastigheten gradvis til maksimal verdi på 10 sekunder. Ved gressstopp stopper motoren i 10 sekunder og prøver igjen i 2 sekunder. Hvis problemet vedvarer, starter 10-sekunders hvile og 2-sekunders omstartssyklus igjen. Under disse forholdene forblir motoroppvarmingen begrenset, selv ved permanent blokkering.

Motorene starter eller stopper når UNO -styret mottar signalet fra pilotprogrammet. Imidlertid tillater en hard bryter pålitelig å slå av strømmen for å sikre servicedriften

Trinn 16: HVA SKAL GJØRE? HVA FORBEDRINGER?

På GPS -nivå

Vegetasjon (trær) kan begrense antall satellitter med tanke på kjøretøyet og redusere nøyaktigheten eller forhindre RTK -låsing. Det er derfor i vår interesse å bruke så mange satellitter som mulig samtidig. Det ville derfor være interessant å fullføre GPS- og Glonass -stjernebildene med Galileo -stjernebildet.

Det bør være mulig å dra nytte av mer enn 20 satellitter i stedet for maksimalt 15, noe som gjør det mulig å bli kvitt skimming av vegetasjon.

Arduino RTK-skjold begynner å eksistere og fungerer samtidig med disse tre stjernebildene:

Dessuten er disse skjoldene veldig kompakte (fot 1) fordi de inkluderer både GPS -kretsen og mottakeren på samme støtte.

…. Men prisen er mye høyere enn kretsene vi brukte

Bruker en LIDAR for å utfylle GPS -en

Dessverre, i trearbeid skjer det at vegetasjonsdekket er veldig viktig (hasselfelt for eksempel). I dette tilfellet er det ikke sikkert at selv med de tre stjernebildene RTK -låsing er mulig.

Det er derfor nødvendig å introdusere en sensor som gjør det mulig å opprettholde posisjonen selv i øyeblikkelig fravær av GPS.

Det virker for meg (jeg har ikke hatt erfaring) at bruk av et LIDAR kunne oppfylle denne funksjonen. Stammene på trærne er veldig enkle å se i dette tilfellet og kan brukes til å observere robotens fremgang. GPS -en vil fortsette sin funksjon på slutten av raden, ved utgangen av vegetasjonsdekket.

Et eksempel på en passende type LIDAR er som følger (Foto2):

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