Kosiarka z napędem GPS RTK: 16 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Ta kosiarka robota jest w stanie w pełni automatycznie kosić trawę na wcześniej ustalonym przebiegu. Dzięki nawigacji GPS RTK kurs jest odtwarzany przy każdym koszeniu z precyzją lepszą niż 10 centymetrów.

Krok 1: WPROWADZENIE

Opiszemy tutaj kosiarkę robota, która jest w stanie skosić trawę całkowicie automatycznie po z góry ustalonym kursie. Dzięki nawigacji GPS RTK kurs jest odtwarzany przy każdym koszeniu z dokładnością lepszą niż 10 centymetrów (z mojego doświadczenia). Sterowanie oparte jest na karcie Aduino Mega, uzupełnionej o kilka nakładek sterowania silnikami, akcelerometrami i kompasem oraz kartą pamięci.

Jest to osiągnięcie niezawodowe, ale pozwoliło mi uświadomić sobie problemy napotykane w robotyce rolniczej. Ta bardzo młoda dyscyplina rozwija się szybko, stymulowana przez nowe przepisy dotyczące redukcji chwastów i pestycydów. Na przykład tutaj znajduje się link do najnowszych targów robotyki rolniczej w Tuluzie (https://www.fira-agtech.com/). Niektóre firmy, takie jak Naio Technologies, już produkują roboty operacyjne (https://www.naio-technologies.com/).

W porównaniu moje osiągnięcie jest bardzo skromne, ale mimo to pozwala zrozumieć zainteresowania i wyzwania w zabawny sposób. …. A potem to naprawdę działa! … i dlatego może być używany do koszenia trawy wokół swojego domu, oszczędzając jego wolny czas…

Nawet jeśli nie opisuję realizacji w ostatnich szczegółach, wskazówki, które podaję są cenne dla tego, kto chciałby wystartować. Nie wahaj się zadawać pytań lub zgłaszać sugestie, które pozwolą mi uzupełnić moją prezentację z korzyścią dla wszystkich.

Byłbym naprawdę szczęśliwy, gdyby tego typu projekt mógł dać dużo młodszym ludziom smak inżynierii…. aby być gotowym na wielką robotę, która nas czeka….

Co więcej, tego typu projekt idealnie nadawałby się dla grupy zmotywowanych młodych ludzi w klubie lub fablabie, aby ćwiczyć pracę jako grupa projektowa, z architektami mechanicznymi, elektrycznymi i programistycznymi kierowanymi przez inżyniera systemowego, jak w branży.

Krok 2: GŁÓWNE SPECYFIKACJE

Celem jest wyprodukowanie działającej prototypowej kosiarki zdolnej do samodzielnego koszenia trawy na terenie, który może mieć znaczne nierówności (a nie łąki, a nie trawniki).

Ograniczenie w terenie nie może opierać się na fizycznej barierze lub zakopanym kablu doprowadzającym, jak w przypadku robotów koszących trawniki. Koszone pola są rzeczywiście zmienne i mają dużą powierzchnię.

Celem listwy tnącej jest utrzymanie wzrostu trawy na określonej wysokości po pierwszym koszeniu lub szczotkowaniu uzyskanym w inny sposób.

Krok 3: PREZENTACJA OGÓLNA

System składa się z robota mobilnego i stałej podstawy.

Na robocie mobilnym znajdziemy:

- Deska rozdzielcza

- Ogólna skrzynka sterownicza zawierająca kartę pamięci.

- ręczny joystick

- GPS skonfigurowany jako „łazik” i odbiornik RTK

- 3 zmotoryzowane koła

- Silniki rolkowe kół

- belka tnąca składająca się z 4 obrotowych tarcz, każdy z 3 ostrzami tnącymi na obwodzie (szerokość cięcia 1 metr)

- skrzynka zarządzania listwami tnącymi

- baterie

W bazie stałej znajduje się GPS skonfigurowany jako „baza” oraz nadajnik poprawek RTK. Zauważamy, że antena jest umieszczona na takiej wysokości, aby promieniować na kilkaset metrów wokół domu.

Ponadto antena GPS jest widoczna na całym niebie bez zasłaniania przez budynki lub roślinność.

Tryby łazika i baza GPS zostaną opisane i wyjaśnione w sekcji GPS.

Krok 4: INSTRUKCJA OBSŁUGI (1/4)

Proponuję zapoznać się z robotem poprzez jego instrukcję, która dobrze pokazuje wszystkie jego funkcjonalności.

Opis deski rozdzielczej:

- Przełącznik ogólny

- Pierwszy 3-pozycyjny selektor pozwala wybrać tryby pracy: ręczny tryb jazdy, tryb rejestracji trasy, tryb koszenia

- Przycisk służy jako znacznik. Zobaczymy jego zastosowania.

- Dwa inne 3-pozycyjne selektory służą do wybrania numeru pliku od 9. Mamy zatem 9 plików koszenia lub rekordy podróży dla 9 różnych pól.

- 3-pozycyjny selektor przeznaczony jest do sterowania listwą tnącą. Pozycja OFF, pozycja ON, zaprogramowana pozycja sterowania.

-Wyświetlacz dwuwierszowy

- 3-pozycyjny selektor do definiowania 3 różnych wyświetlaczy

- dioda LED wskazująca stan GPS. Diody wyłączone, brak GPS. Diody migają powoli, GPS bez poprawek RTK. Szybko migająca dioda LED, odebrane poprawki RTK. Diody świecące, blokada GPS z najwyższą dokładnością.

Wreszcie joystick ma dwa 3-pozycyjne selektory. Lewy kontroluje lewe koło, prawy kontroluje prawe koło.

Krok 5: INSTRUKCJA OBSŁUGI (2/4)

Tryb pracy ręcznej (GPS nie jest wymagany)

Po włączeniu i wybraniu tego trybu za pomocą selektora trybu, maszyną steruje się joystickiem.

Dwa 3-pozycyjne selektory mają sprężynę powrotną, która zawsze przywraca je do położenia środkowego, odpowiadającego zatrzymaniu kół.

Kiedy lewa i prawa dźwignia są przesunięte do przodu, dwa tylne koła obracają się i maszyna jedzie prosto.

Gdy pociągniesz dwie dźwignie do tyłu, maszyna wróci prosto.

Po przesunięciu dźwigni do przodu maszyna obraca się wokół nieruchomego koła.

Kiedy jedna dźwignia jest przesunięta do przodu, a druga do tyłu, maszyna obraca się wokół siebie w punkcie pośrodku osi łączącej tylne koła.

Napęd przedniego koła automatycznie dostosowuje się do dwóch elementów sterujących umieszczonych na dwóch tylnych kołach.

Wreszcie w trybie ręcznym możliwe jest również koszenie trawy. W tym celu, po upewnieniu się, że nikogo nie ma w pobliżu tarcz tnących, włączamy skrzynkę zarządzającą listwy tnącej ("twardy" przełącznik dla bezpieczeństwa). Przełącznik cięcia tablicy rozdzielczej jest następnie ustawiany na ON. W tym momencie obracają się 4 tarcze listwy tnącej..

Krok 6: INSTRUKCJA OBSŁUGI (3/4)

Tryb nagrywania trasy (wymagany GPS)

- Przed rozpoczęciem rejestrowania biegu, arbitralny punkt odniesienia dla pola jest definiowany i oznaczany małą paliką. Ten punkt będzie początkiem współrzędnych w ramce geograficznej (zdjęcie)

- Następnie wybieramy numer pliku, w którym zostanie zapisana podróż, dzięki dwóm selektorom na desce rozdzielczej.

-Włączona podstawa jest ustawiona

- Sprawdź, czy dioda LED stanu GPS zaczyna szybko migać.

- Wyjdź z trybu ręcznego, ustawiając selektor trybu na tablicy rozdzielczej w pozycji nagrywania.

- Maszyna jest następnie ręcznie przesuwana do pozycji punktu odniesienia. Dokładnie to antena GPS musi znajdować się nad tym punktem orientacyjnym. Ta antena GPS znajduje się powyżej punktu wyśrodkowanego pomiędzy dwoma tylnymi kołami, który jest punktem obrotu maszyny względem samej siebie.

- Poczekaj, aż dioda LED stanu GPS zaświeci się bez migania. Wskazuje to, że GPS jest z maksymalną dokładnością ("Fix" GPS).

- Pierwotna pozycja 0.0 jest zaznaczana przez naciśnięcie znacznika na desce rozdzielczej.

- Następnie przechodzimy do kolejnego punktu, który chcemy zmapować. Gdy tylko zostanie osiągnięty, sygnalizujemy to za pomocą znacznika.

- Aby zakończyć nagrywanie, wracamy do trybu ręcznego.

Krok 7: INSTRUKCJA OBSŁUGI (4/4)

Tryb koszenia (wymagany GPS)

Najpierw należy przygotować kartotekę punktów, przez które maszyna musi przejść, aby skosić całe pole bez pozostawiania nieskoszonej powierzchni. W tym celu otrzymujemy plik zapisany na karcie pamięci iz tych współrzędnych, korzystając np. z Excela, generujemy listę punktów jak na zdjęciu. Dla każdego z punktów do osiągnięcia wskazujemy, czy listwa tnąca jest WŁĄCZONA, czy WYŁĄCZONA. Ponieważ to listwa tnąca zużywa najwięcej energii (od 50 do 100 watów w zależności od trawy), należy uważać, aby odłożyć listwę tnącą na przykład podczas przechodzenia przez już skoszone pole.

Podczas generowania płyty koszącej karta pamięci jest odkładana na osłonę w szufladzie kontrolnej.

Pozostaje tylko założyć bazę i udać się na pole koszenia, tuż nad punktem odniesienia. Przełącznik trybu jest wtedy ustawiony na „Kosić”.

W tym momencie maszyna sama zaczeka, aż blokada GPS RTK w „Fix” wyzeruje współrzędne i rozpocznie koszenie.

Po zakończeniu koszenia sam wróci do punktu startowego z dokładnością do około dziesięciu centymetrów.

Podczas koszenia maszyna porusza się w linii prostej pomiędzy dwoma kolejnymi punktami pliku punktów. Szerokość koszenia wynosi 1,1 metra Ponieważ maszyna ma szerokość między kołami wynoszącą 1 metr i może obracać się wokół koła (patrz wideo), możliwe jest wykonanie sąsiednich pasów koszących. To bardzo skuteczne!

Krok 8: CZĘŚĆ MECHANICZNA

Struktura robota

Robot zbudowany jest na konstrukcji kratowej z rur aluminiowych, co zapewnia mu dobrą sztywność. Jego wymiary to około 1,20 metra długości, 1 metr szerokości i 80 cm wysokości.

Koła

Może się poruszać dzięki trzem kółkom roweru dziecięcego o średnicy 20 cali: dwóm tylnym i przednim podobnym do koła wózków sklepowych (zdjęcia 1 i 2). Względny ruch dwóch tylnych kół zapewnia jego orientację

Silniki rolkowe

Ze względu na nieregularności na polu konieczne jest posiadanie dużych przełożeń momentu obrotowego, a tym samym dużego przełożenia redukcyjnego. W tym celu zastosowałem zasadę docisku rolkowego na kole, jak na soleksie (zdjęcia 3 i 4). Duża redukcja pozwala utrzymać maszynę stabilnie na zboczu, nawet przy odcięciu mocy silnika. W zamian maszyna porusza się powoli (3 metry/minutę)…ale trawa też rośnie powoli….

Do projektowania mechanicznego wykorzystałem oprogramowanie do rysowania Openscad (bardzo wydajne oprogramowanie skryptowe). Równolegle do szczegółowych planów wykorzystałem Rysunek z Openoffice.

Krok 9: GPS RTK (1/3)

Prosty GPS

Prosty GPS (zdjęcie 1), ten w naszym aucie ma dokładność zaledwie kilku metrów. Jeśli zarejestrujemy pozycję wskazaną przez taki GPS utrzymywany na stałe np. przez godzinę, zaobserwujemy kilkumetrowe wahania. Wahania te są spowodowane zakłóceniami w atmosferze i jonosferze, ale także błędami w zegarach satelitów i błędami samego GPS. Dlatego nie nadaje się do naszej aplikacji.

RTK GPS

Aby poprawić tę dokładność, w odległości mniejszej niż 10 km używane są dwa GPSy (zdjęcie 2). W tych warunkach możemy uznać, że zaburzenia atmosfery i jonosfery są identyczne na każdym GPS. W ten sposób różnica pozycji między dwoma GPS nie jest już zakłócana (różnica). Jeśli teraz podłączymy jeden z GPS (bazę) a drugi umieścimy na pojeździe (łaziku), uzyskamy precyzyjny ruch pojazdu z bazy bez zakłóceń. Co więcej, te GPS wykonują pomiar czasu lotu znacznie dokładniej niż prosty GPS (pomiary fazy na nośniku).

Dzięki tym usprawnieniom uzyskamy centymetrową dokładność pomiaru ruchu łazika względem bazy.

Wybraliśmy ten system RTK (Real Time Kinematic).

Krok 10: GPS RTK (2/3)

Kupiłem 2 obwody GPS RTK (zdjęcie 1) od firmy Navspark.

Obwody te są montowane na małej płytce drukowanej wyposażonej w piny o rastrze 2,54 mm, dzięki czemu montuje się je bezpośrednio na płytkach testowych.

Ponieważ projekt znajduje się w południowo-zachodniej Francji, wybrałem obwody współpracujące z konstelacjami amerykańskich satelitów GPS oraz rosyjskim gwiazdozbiorem Glonassa.

Aby uzyskać najlepszą dokładność, ważne jest, aby mieć maksymalną liczbę satelitów. W moim przypadku mam obecnie od 10 do 16 satelitów.

Musimy też kupić

- 2 adaptery USB potrzebne do podłączenia układu GPS do komputera PC (testy i konfiguracja)

- 2 anteny GPS + 2 kable przejściowe

- para nadajników-odbiorników 3DR, aby baza mogła wysyłać poprawki do łazika, a łazik je odbierać.

Krok 11: GPS RTK (3/3)

Powiadomienie GPS znalezione na stronie Navspark umożliwia stopniowe wdrażanie obwodów.

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

Na stronie Navspark znajdziemy również

- oprogramowanie do zainstalowania na komputerze z systemem Windows do przeglądania wyjść GPS i programowania obwodów w bazie i łaziku.

- Opis formatu danych GPS (frazy NMEA)

Wszystkie te dokumenty są w języku angielskim, ale są stosunkowo łatwe do zrozumienia. Początkowo implementacja odbywa się bez najmniejszego układu elektronicznego dzięki przejściówkom USB, które dostarczają również wszystkie źródła zasilania elektrycznego.

Postęp jest następujący:

- Testowanie poszczególnych obwodów, które działają jak prosty GPS. Widok chmur z mostów pokazuje stabilność kilku metrów.

- Programowanie jednego obwodu w ROVER, a drugiego w BASE

- Budowanie systemu RTK poprzez połączenie dwóch modułów jednym przewodem. Widok mostów w chmurach pokazuje względną stabilność łazika/bazy rzędu kilku centymetrów!

- Zastąpienie przewodu łączącego BASE i ROVER przez transceivery 3DR. Tutaj znowu operacja w RTK pozwala na kilkucentymetrową stabilność. Ale tym razem BASE i ROVER nie są już połączone fizycznym łączem…..

- Zastąpienie wizualizacji PC płytką Arduino zaprogramowaną do odbioru danych GPS na wejściu szeregowym… (patrz niżej)

Krok 12: CZĘŚĆ ELEKTRYCZNA (1/2)

Elektryczna skrzynka sterownicza

Zdjęcie 1 pokazuje główne tablice skrzynek sterowniczych, które zostaną szczegółowo opisane poniżej.

Okablowanie GPS

Okablowanie GPS podstawy i kosiarki pokazano na rysunku 2.

To okablowanie jest naturalnie realizowane poprzez podążanie za instrukcjami GPS (patrz rozdział GPS). We wszystkich przypadkach istnieje adapter USB, który umożliwia programowanie obwodów w bazie lub w łaziku dzięki oprogramowaniu komputerowemu dostarczonemu przez Navspark. Dzięki temu programowi mamy również wszystkie informacje o pozycji, liczbie satelitów itp…

W sekcji kosiarki pin Tx1 GPS jest podłączony do wejścia szeregowego 19 (Rx1) płyty ARDUINO MEGA w celu odbierania fraz NMEA.

W bazie pin Tx1 GPS jest wysyłany do pinu Rx radia 3DR w celu wysłania poprawek. W kosiarce korekty odbierane przez radio 3DR wysyłane są na pin Rx2 układu GPS.

Należy zauważyć, że te poprawki i zarządzanie nimi są w pełni zapewnione przez obwody GPS RTK. W ten sposób płyta Aduino MEGA otrzymuje tylko skorygowane wartości pozycji.

Krok 13: CZĘŚĆ ELEKTRYCZNA (2/2)

Płytka Arduino MEGA i jej osłony

- Płytka MEGA arduino

- Osłona silników tylnych kół

- Osłona silnika przedniego koła

- Tarcza arte SD

Na rysunku 1 zauważono, że złącza wtykowe zostały umieszczone między płytami, aby ciepło rozpraszane w płytach silnika mogło się odprowadzać. Dodatkowo wkładki te pozwalają na wycięcie niechcianych połączeń pomiędzy kartami, bez konieczności ich modyfikacji.

Rysunek 2 i rysunek 3 pokazują, jak odczytywane są pozycje falowników na tablicy rozdzielczej i joysticka.

Krok 14: PROGRAM JAZDY ARDUINO

Płytka mikrokontrolera to Arduino MEGA (UNO nie ma wystarczającej ilości pamięci). Program jazdy jest bardzo prosty i klasyczny. Opracowałem funkcję dla każdej podstawowej operacji do wykonania (odczyt deski rozdzielczej, akwizycja danych GPS, wyświetlacz LCD, sterowanie posuwem lub obrotem maszyny itp.). Funkcje te można następnie łatwo wykorzystać w programie głównym. Mała prędkość maszyny (3 metry/minutę) znacznie ułatwia pracę.

Jednak listwa tnąca nie jest zarządzana przez ten program, ale przez program płytki UNO, która znajduje się w określonym pudełku.

W części SETUP programu znajdujemy

- Przydatne inicjalizacje pinów płyty MEGA na wejściach lub wyjściach;

- Inicjalizacja wyświetlacza LCD

- Inicjalizacja karty pamięci SD

- Inicjalizacja prędkości transferu ze sprzętowego interfejsu szeregowego do GPS;

- Inicjalizacja szybkości transferu z interfejsu szeregowego do IDE;

- Wyłączanie silników i belki tnącej

W części LOOP programu znajdujemy się na początku

- Tablica przyrządów i joystick, odczyty GPS, kompasu i akcelerometru;

- 3-przewodowy selektor, w zależności od stanu selektora trybu tablicy przyrządów (ręczny, rejestracja, koszenie)

Pętla LOOP jest przerywana asynchronicznym odczytem GPS, który jest najwolniejszym krokiem. Wracamy więc do początku pętli mniej więcej co 3 sekundy.

W trybie obejścia normalnego funkcja ruchu jest sterowana za pomocą joysticka, a wyświetlacz jest aktualizowany co około 3 sekundy (pozycja, status GPS, kierunek kompasu, nachylenie…). Naciśnięcie znacznika BP zeruje współrzędne pozycji, które będą wyrażone w metrach w geograficznym punkcie orientacyjnym.

W przetaczaniu w trybie zapisu wszystkie pozycje zmierzone podczas ruchu są zapisywane na karcie SD (okres około 3 sekund). Po dojściu do interesującego miejsca naciśnięcie znacznika zostaje zapisane. na karcie SD. Pozycja maszyny jest wyświetlana co 3 sekundy, w metrach w geograficznym punkcie orientacyjnym wyśrodkowanym na punkcie początkowym.

W przetaczaniu w trybie koszenia: Maszyna została wcześniej przesunięta nad punkt odniesienia. Po przełączeniu przełącznika trybu pracy na „koszenie” program obserwuje wyjścia GPS, a w szczególności wartość flagi stanu. Gdy flaga stanu zmieni się na „Napraw”, program wykona pozycję zero. Pierwszy punkt do osiągnięcia jest następnie odczytywany w pliku koszenia w pamięci SD. Po osiągnięciu tego punktu obrót maszyny odbywa się zgodnie z opisem w pilniku koszenia, wokół koła lub wokół środka dwóch kół.

Proces powtarza się aż do osiągnięcia ostatniego punktu (zwykle punktu początkowego). W tym momencie program zatrzymuje maszynę i listwę tnącą.

Krok 15: LISTWA DO KROJENIA I JEJ ZARZĄDZANIE

Listwa tnąca składa się z 4 dysków obracających się z prędkością 1200 obr/min. Każda tarcza wyposażona jest w 3 noże tnące. Dyski te są ułożone tak, aby tworzyły ciągłą taśmę tnącą o szerokości 1,2 metra.

Silniki muszą być kontrolowane, aby ograniczyć prąd

- przy rozruchu, ze względu na bezwładność tarcz

- podczas koszenia z powodu zatorów spowodowanych zbyt dużą ilością trawy

W tym celu prąd w obwodzie każdego silnika jest mierzony przez niskowartościowe rezystory cewkowe. Płytka UNO jest okablowana i zaprogramowana do pomiaru tych prądów i wysyłania polecenia PWM dostosowanego do silników.

Tak więc przy rozruchu prędkość stopniowo wzrasta do maksymalnej wartości w ciągu 10 sekund. W przypadku zablokowania przez trawę silnik zatrzymuje się na 10 sekund i ponawia próbę na 2 sekundy. Jeśli problem będzie się powtarzał, cykl 10-sekundowego odpoczynku i 2-sekundowego ponownego uruchomienia rozpoczyna się od nowa. W tych warunkach nagrzewanie silnika pozostaje ograniczone, nawet w przypadku trwałej blokady.

Silniki uruchamiają się lub zatrzymują, gdy płyta UNO otrzyma sygnał z programu pilotażowego. Jednak przełącznik sprzętowy pozwala niezawodnie wyłączyć zasilanie w celu zabezpieczenia operacji serwisowych

Krok 16: CO NALEŻY ZROBIĆ? JAKIE ULEPSZENIA?

Na poziomie GPS

Roślinność (drzewa) może ograniczać liczbę satelitów w polu widzenia pojazdu i zmniejszać dokładność lub zapobiegać blokowaniu RTK. Dlatego w naszym interesie jest wykorzystanie jak największej liczby satelitów jednocześnie. Interesujące byłoby zatem uzupełnienie konstelacji GPS i Glonass o konstelację Galileo.

Powinno być możliwe korzystanie z więcej niż 20 satelitów zamiast maksymalnie 15, co pozwoli pozbyć się szumu przez roślinność.

Tarcze Arduino RTK zaczynają działać jednocześnie z tymi 3 konstelacjami:

Co więcej, ekrany te są bardzo zwarte (fot. 1), ponieważ zawierają zarówno obwód GPS, jak i nadajnik-odbiornik na tej samej podstawie.

…. Ale cena jest znacznie wyższa niż w przypadku obwodów, z których korzystaliśmy

Korzystanie z LIDAR jako uzupełnienie GPS

Niestety w sadownictwie zdarza się, że bardzo ważna jest szata roślinna (np. pole leszczyny). W takim przypadku, nawet przy 3 konstelacjach, blokowanie RTK może nie być możliwe.

Niezbędne jest zatem wprowadzenie czujnika, który pozwoli utrzymać pozycję nawet przy chwilowym braku GPS.

Wydaje mi się (nie mam doświadczenia), że zastosowanie LIDARU mogłoby tę funkcję pełnić. W tym przypadku pnie drzew są bardzo łatwe do zauważenia i można je wykorzystać do obserwowania postępów robota. GPS wznowiłby swoją funkcję na końcu rzędu, przy wyjściu z pokrywy roślinnej.

Przykład odpowiedniego typu LIDARu jest następujący (Fot.2):

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