Kosilnica z GPS -om RTK: 16 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Ta robotska kosilnica je sposobna popolnoma samodejno pokositi travo po vnaprej določenem poteku. Zahvaljujoč vodenju RTK GPS se tečaj reproducira pri vsaki kositvi z natančnostjo, boljšo od 10 centimetrov.

1. korak: UVOD

Tukaj bomo opisali robotsko kosilnico, ki lahko popolnoma samodejno pokosi travo po vnaprej določenem poteku. Zahvaljujoč vodenju RTK GPS se tečaj pri vsaki košnji reproducira z natančnostjo, boljšo od 10 centimetrov (moje izkušnje). Krmiljenje temelji na Aduino Mega kartici, dopolnjeni z nekaterimi ščitniki za nadzor motorja, merilniki pospeška in kompasom ter pomnilniško kartico.

To je nepoklicni dosežek, vendar mi je omogočil spoznati težave, s katerimi se srečuje kmetijska robotika. Ta zelo mlada disciplina se hitro razvija, spodbujena z novo zakonodajo o zmanjševanju plevela in pesticidov. Tu je na primer povezava do zadnjega sejma kmetijske robotike v Toulouseu (https://www.fira-agtech.com/). Nekatera podjetja, kot je Naio Technologies, že izdelujejo operativne robote (https://www.naio-technologies.com/).

Za primerjavo je moj dosežek zelo skromen, vendar kljub temu omogoča razumevanje zanimanja in izzivov na igriv način. …. In potem res deluje! … In ga je zato mogoče uporabiti za košnjo trave okoli svoje hiše, hkrati pa ohraniti njegov prosti čas…

Tudi če realizacije ne opišem v zadnjih podrobnostih, so navedbe, ki jih podajam, dragocene za tistega, ki bi ga rad zagnal. Ne oklevajte in postavljajte vprašanja ali dajte predloge, kar mi bo omogočilo, da zaključim svojo predstavitev v dobro vseh.

Res bi bil vesel, če bi takšen projekt lahko dal veliko mlajšim ljudem okus za inženiring … da bi bili pripravljeni na veliko robolucijo, ki nas čaka …

Poleg tega bi bila ta vrsta projekta popolnoma primerna za skupino motiviranih mladih ljudi v klubu ali fablabu, ki bi delali kot projektna skupina z mehanskimi, električnimi in programskimi arhitekti, ki jih vodi sistemski inženir, tako kot v industriji.

2. korak: GLAVNE SPECIFIKACIJE

Cilj je izdelati delujočo prototipno kosilnico, ki bi lahko samostojno kosila travo na terenu, ki ima lahko pomembne nepravilnosti (travniki in ne trate).

Omejevanje polja ne more temeljiti na fizični pregradi ali omejitvi zakopane vodilne žice kot pri robotih za košnjo trate. Polja, ki jih je treba kositi, so res variabilna in imajo veliko površino.

Pri rezalni palici je cilj ohraniti rast trave na določeni višini po prvi košnji ali ščetkanju, pridobljenem na drug način.

3. korak: SPLOŠNA PREDSTAVITEV

Sistem je sestavljen iz mobilnega robota in fiksne baze.

Na mobilnem robotu najdemo:

- Armaturna plošča

- Splošna krmilna omarica, vključno s pomnilniško kartico.

- ročna krmilna palica

- GPS, konfiguriran kot "rover" in sprejemnik RTK

- 3 motorna kolesa

- Valjasti motorji koles

- rezalna palica, sestavljena iz 4 vrtljivih diskov, od katerih vsak nosi 3 rezila na obodu (širina rezanja 1 meter)

- škatla za upravljanje rezalnih palic

- baterije

V fiksni bazi najdemo GPS, konfiguriran kot "osnova", kot tudi oddajnik popravkov RTK. Ugotavljamo, da je antena postavljena v višino tako, da seva nekaj sto metrov okoli hiše.

Poleg tega je antena GPS vidna na celotnem nebu, ne da bi jo zaprle zgradbe ali rastlinje.

Načini Roverja in baza GPS bodo opisani in pojasnjeni v razdelku GPS.

4. korak: NAVODILA ZA UPORABO (1/4)

Predlagam, da se z robotom seznanite v njegovem priročniku, ki dobro prikaže vse njegove funkcije.

Opis armaturne plošče:

- Splošno stikalo

- Prvi 3-mestni izbirnik omogoča izbiro načinov delovanja: ročni način vožnje, način snemanja poti, način košnje

- Gumb se uporablja kot označevalec. Videli bomo njegovo uporabo.

- Dva druga 3-mestna izbirnika uporabljata za izbiro številke datoteke od 9. Zato imamo 9 datotek za košnjo ali zapise poti za 9 različnih polj.

- 3-mestni izbirnik je namenjen nadzoru rezalne palice. OFF položaj, ON položaj, programiran krmilni položaj.

- Zaslon v dveh vrsticah

- 3-mestni izbirnik za določitev 3 različnih prikazov

- LED, ki označuje stanje GPS. Lučke ugasnejo, GPS ni. Lučke utripajo počasi, GPS brez popravkov RTK. Hitro utripajoča LED, prejeti popravki RTK. Led sveti, GPS zaklepanje na najvišji natančnosti.

Nazadnje, krmilna ročica ima dva izbirnika s tremi položaji. Levo upravlja levo kolo, desno pa desno.

5. korak: NAVODILA ZA UPORABO (2/4)

Ročni način delovanja (GPS ni potreben)

Ko vklopite in izberete ta način z izbirnikom načina, stroj upravljate s krmilno palčko.

Dva 3-mestna izbirnika imata povratno vzmet, ki ju vedno vrne v srednji položaj, kar ustreza zaustavitvi koles.

Ko potisnete levo in desno ročico naprej, se zadnji dve kolesi obračata in stroj gre naravnost.

Ko povlečete obe ročici nazaj, se stroj vrne naravnost nazaj.

Ko ročico potisnete naprej, se stroj obrne okoli mirujočega kolesa.

Ko je ena ročica potisnjena naprej, druga pa nazaj, se stroj vrti okoli sebe na točki na sredini osi, ki povezuje zadnja kolesa.

Motorizacija sprednjega kolesa se samodejno prilagodi glede na dve upravljalni enoti na dveh zadnjih kolesih.

Nazadnje, v ročnem načinu je mogoče tudi kositi travo. V ta namen, potem ko smo preverili, da ni nikogar v bližini rezalnih plošč, vKLOPIMO krmilno omarico rezalne palice ("trdo" stikalo za varnost). Izbirnik reza na armaturni plošči je nato vklopljen. V tem trenutku se vrtijo 4 diski rezalne palice..

6. korak: NAVODILA ZA UPORABO (3/4)

Način snemanja skladb (potreben GPS)

- Preden začnete beležiti tek, je poljubno referenčno mesto za polje opredeljeno in označeno z majhnim vložkom. Ta točka bo izvor koordinat v geografskem okviru (fotografija)

- Nato po izbiri dveh izbirnikov na armaturni plošči izberemo številko datoteke, v kateri bo potovanje zabeleženo.

- Vklopljena osnova je nastavljena

- Preverite, ali LED -lučka stanja GPS začne hitro utripati.

- Zaprite ročni način, tako da izbirnik načina armaturne plošče postavite v položaj za snemanje.

- Stroj se nato ročno premakne v položaj referenčne točke. Ravno antena GPS mora biti nad tem mejnikom. Ta antena GPS se nahaja nad točko, ki je med dvema zadnjima kolesoma in je točka vrtenja stroja na sebi.

- Počakajte, da LED -lučka stanja GPS -a zasveti, ne da bi utripala. To kaže, da je GPS pri največji natančnosti (GPS »Popravi«).

- Prvotni položaj 0,0 je označen s pritiskom na oznako armaturne plošče.

- Nato se premaknemo na naslednjo točko, ki jo želimo preslikati. Takoj, ko je dosežen, ga označimo z označevalcem.

- Za prekinitev snemanja se vrnemo v ročni način.

7. korak: NAVODILA ZA UPORABO (4/4)

Način košnje (potreben GPS)

Najprej morate pripraviti datoteko točk, skozi katero mora stroj iti, da pokosi celotno polje, ne da bi pustil nepokošeno površino. Če želite to narediti, shranimo datoteko na pomnilniško kartico in iz teh koordinat na primer v Excelu ustvarimo seznam točk, kot je na fotografiji. Za vsako od doseženih točk označimo, ali je rezalna palica VKLOPLJENA ali IZKLOPLJENA. Ker je rezalna palica tista, ki porabi največ energije (od 50 do 100 vatov, odvisno od trave), je treba paziti, da na primer prečkate rezalno palico, ko na primer prečkate že pokošeno polje.

Ko se plošča za košnjo ustvari, se pomnilniška kartica postavi nazaj na ščit v krmilnem predalu.

Vse, kar ostane, je, da postavite na podlago in se odpravite na polje za košnjo, tik nad referenčno točko. Izbirnik načina je nato nastavljen na "Mow".

Na tej točki bo stroj sam počakal na zaklepanje GPS RTK v "Popravi", da izniči koordinate in začne kositi.

Ko se košnja konča, se bo sam vrnil na izhodišče z natančnostjo približno deset centimetrov.

Med košnjo se stroj premika po ravni črti med dvema zaporednima točkama datotečne datoteke. Širina košnje je 1,1 metra. Ker ima stroj širino med kolesi 1 meter in se lahko vrti okoli kolesa (glej video), je mogoče narediti sosednje kosilne trakove. To je zelo učinkovito!

8. korak: MEHANIČNI DEL

Struktura robota

Robot je zgrajen okoli rešetkaste konstrukcije iz aluminijastih cevi, kar mu daje dobro togost. Njegove dimenzije so dolge približno 1,20 metra, široke 1 meter in visoke 80 cm.

Kolesa

Lahko se premika zahvaljujoč 3 otroškim kolesnim kolesom s premerom 20 palcev: dvema zadnjima kolesoma in sprednjim kolesom, podobnim kolesu vozičkov supermarketov (fotografiji 1 in 2). Relativno gibanje zadnjih koles zagotavlja njegovo orientacijo

Valjčni motorji

Zaradi nepravilnosti na terenu je potrebno imeti velika razmerja navora in zato veliko razmerje zmanjšanja. V ta namen sem uporabil princip valjanja na kolesu, kot na solexu (fotografiji 3 in 4). Veliko zmanjšanje omogoča, da stroj ostane stabilen v pobočju, tudi če je moč motorja zmanjšana. V zameno stroj počasi napreduje (3 metre/ minuto) … vendar tudi trava počasi raste ….

Za mehansko zasnovo sem uporabil programsko opremo za risanje Openscad (zelo učinkovita programska oprema za skripte). Vzporedno za podrobne načrte sem uporabil Drawing from Openoffice.

9. korak: RTK GPS (1/3)

Preprost GPS

Preprost GPS (fotografija 1), tisti v našem avtomobilu, ima natančnost le nekaj metrov. Če na primer zabeležimo položaj, ki ga označuje tak GPS, ki je fiksno urejen, bomo opazili nihanja za več metrov. Ta nihanja so posledica motenj v ozračju in ionosferi, pa tudi napak v urah satelitov in napak v samem GPS -u. Zato ni primeren za našo uporabo.

RTK GPS

Za izboljšanje te natančnosti se uporabljata dva GPS -ja na razdalji manj kot 10 km (fotografija 2). V teh pogojih lahko menimo, da so motnje atmosfere in ionosfere na vsakem GPS enake. Tako razlika v položaju med dvema GPS -jema ni več motena (razlika). Če zdaj pritrdimo enega od GPS (podnožje) in drugega postavimo na vozilo (rover), bomo brez motenj dosegli natančno premikanje vozila od podstavka. Poleg tega ti GPS izvajajo meritve časa letenja veliko natančneje kot preprosti GPS (fazne meritve na nosilcu).

Zahvaljujoč tem izboljšavam bomo dosegli centimetrično merilno natančnost gibanja roverja glede na podlago.

Prav ta RTK (Real Time Kinematic) sistem smo izbrali za uporabo.

10. korak: RTK GPS (2/3)

Od podjetja Navspark sem kupil 2 vezja GPS RTK (fotografija 1).

Ta vezja so nameščena na majhnem tiskanem vezju, opremljenem z zatiči 2,54 mm, ki se zato pritrdi neposredno na preskusne plošče.

Ker se projekt nahaja na jugozahodu Francije, sem izbral vezja, ki delujejo tako z ozvezdji ameriških satelitov GPS kot tudi z ruskim ozvezdjem Glonass.

Pomembno je, da imate največje število satelitov, da lahko izkoristite najboljšo natančnost. V mojem primeru imam trenutno med 10 in 16 satelitov.

Moramo tudi kupiti

- 2 USB vmesnika, potrebna za povezavo vezja GPS z osebnim računalnikom (testi in konfiguracija)

- 2 GPS anteni + 2 adapter kabla

- par oddajnikov-sprejemnikov 3DR, tako da lahko baza izda popravke roverju, rover pa jih sprejme.

11. korak: RTK GPS (3/3)

Obvestilo GPS, ki ga najdete na spletnem mestu Navspark, omogoča postopno izvajanje vezij.

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

Na spletni strani Navspark bomo našli tudi

- programsko opremo, ki jo je treba namestiti na računalnik z operacijskim sistemom Windows za ogled izhodov GPS in programskih vezij v bazi in roverju.

- Opis oblike podatkov GPS (stavki NMEA)

Vsi ti dokumenti so v angleščini, vendar so razmeroma enostavni za razumevanje. Sprva se izvedba izvaja brez najmanjšega elektronskega vezja, zahvaljujoč vmesnikom USB, ki zagotavljajo tudi vse električne vire energije.

Napredovanje je naslednje:

- Testiranje posameznih vezij, ki delujejo kot preprost GPS. Pogled na mostove v oblaku kaže stabilnost nekaj metrov.

- Programiranje enega vezja v ROVERju, drugega pa v BASE

- Zgradite sistem RTK tako, da oba modula povežete z eno žico. Pogled na mostove v oblaku kaže relativno stabilnost ROVER/BASE nekaj centimetrov!

- Zamenjava priključne žice BASE in ROVER z oddajniki 3DR. Tudi tu operacija v RTK omogoča stabilnost nekaj centimetrov. Tokrat pa BASE in ROVER nista več povezana s fizično povezavo ….

- Zamenjava vizualizacije računalnika z Arduino ploščo, programirano za sprejem podatkov GPS na serijski vhod … (glej spodaj)

Korak: ELEKTRIČNI DEL (1/2)

Električna krmilna omarica

Fotografija 1 prikazuje glavne plošče krmilnih omar, ki bodo podrobno opisane spodaj.

Ožičenje GPS

Osnovno in kosilniško ožičenje GPS je prikazano na sliki 2.

To ožičenje se seveda doseže z upoštevanjem napredka navodil GPS (glejte poglavje GPS). V vseh primerih obstaja vmesnik USB, ki vam omogoča programiranje vezij v bazi ali v roverju zahvaljujoč računalniški programski opremi, ki jo ponuja Navspark. Zahvaljujoč temu programu imamo tudi vse informacije o položaju, število satelitov itd.

V delu kosilnice je pin Tx1 GPS povezan z 19 (Rx1) zaporednim vhodom plošče ARDUINO MEGA za sprejem stavkov NMEA.

V bazi se Tx1 pin GPS pošlje na Rx pin 3DR radia za pošiljanje popravkov. V kosilnici se popravki, ki jih prejme radio 3DR, pošljejo na pin Rx2 vezja GPS.

Opozoriti je treba, da te popravke in njihovo upravljanje v celoti zagotavljajo vezja GPS RTK. Tako plošča Aduino MEGA prejme le popravljene vrednosti položaja.

13. korak: ELEKTRIČNI DEL (2/2)

Plošča Arduino MEGA in njeni ščiti

- MEGA arduino plošča

- Ščit motorjev zadnjih koles

- Ščit motorja prednjih koles

- Ščit arte SD

Na sliki 1 je prikazano, da so vtični konektorji nameščeni med ploščami, tako da je toplota, ki se odvaja v motornih ploščah, lahko odtekala. Poleg tega ti vložki omogočajo rezanje neželenih povezav med karticami, ne da bi jih morali spreminjati.

Na slikah 2 in 3 je prikazano, kako se bereta položaji pretvornikov na armaturni plošči in krmilne palice.

14. korak: PROGRAM VOŽNJE ARDUINO

Plošča mikrokrmilnika je Arduino MEGA (UNO nima dovolj pomnilnika). Program vožnje je zelo preprost in klasičen. Razvil sem funkcijo za vsako osnovno operacijo, ki jo je treba izvesti (branje armaturne plošče, zajem podatkov GPS, LCD zaslon, nadzor napredovanja stroja ali vrtenja itd.). Te funkcije se nato zlahka uporabljajo v glavnem programu. Počasna hitrost stroja (3 metre/ minuto) olajša stvari.

Rezalne palice pa ne upravlja ta program, ampak program deske UNO, ki se nahaja v posebnem polju.

V delu SETUP programa najdemo

- Koristne inicializacije pin MEGA plošče v vhodih ali izhodih;

- Inicializacija LCD zaslona

- Inicializacija pomnilniške kartice SD

- inicializacija hitrosti prenosa s serijskega vmesnika strojne opreme na GPS;

- inicializacija hitrosti prenosa iz serijskega vmesnika v IDE;

- Zaustavitev motorjev in rezalne palice

V LOOP delu programa najdemo na začetku

- odčitki instrumentne plošče in krmilne palice, GPS, kompasa in merilnika pospeška;

- 3-žilni izbirnik, odvisno od stanja izbirnika načina armaturne plošče (ročno, snemanje, košnja)

Zanko LOOP loči asinhrono branje GPS, kar je najpočasnejši korak. Tako se vrnemo na začetek zanke približno vsake 3 sekunde.

V obvodu običajnega načina je funkcija gibanja krmiljena v skladu s krmilno palčko, zaslon pa se posodablja približno vsake 3 sekunde (položaj, stanje GPS, smer kompasa, nagib …). Pritisk na označevalnik BP izniči koordinate položaja, ki bodo izražene v metrih v geografski točki.

Pri shranitvi načina shranjevanja se vsi položaji, izmerjeni med premikanjem, zabeležijo na kartico SD (obdobje približno 3 sekunde). Ko dosežete zanimivo točko, se pritisne oznaka shrani. v kartici SD. Položaj stroja je prikazan vsake 3 sekunde v metrih na zemljepisni točki, centrirani na izvorno točko.

V načinu košnje shunt: Stroj je bil predhodno premaknjen nad referenčno točko. Pri preklopu izbirnika načina na "košnjo" program opazuje izhode GPS in zlasti vrednost zastave stanja. Ko se zastavica stanja spremeni v "Popravi", program izvede položaj nič. Prva dosežena točka se nato prebere v datoteki za košnjo pomnilnika SD. Ko je ta točka dosežena, se stroj obrne, kot je navedeno v datoteki za košnjo, bodisi okoli kolesa bodisi okoli središča obeh koles.

Postopek se ponavlja, dokler ni dosežena zadnja točka (običajno izhodišče). Na tej točki program ustavi stroj in rezalno palico.

15. korak: REZALNA PLOŠČA IN NJENO UPRAVLJANJE

Rezalna palica je sestavljena iz 4 diskov, ki se vrtijo s hitrostjo 1200 vrt / min. Vsak disk je opremljen s 3 rezili. Ti diski so razporejeni tako, da naredijo neprekinjen rezalni trak širine 1,2 metra.

Motorje je treba nadzorovati, da se omeji tok

- ob zagonu zaradi vztrajnosti diskov

- med košenjem zaradi blokad zaradi prevelike trave

V ta namen se tok v tokokrogu vsakega motorja izmeri z navitji majhne vrednosti. Plošča UNO je ožičena in programirana za merjenje teh tokov in pošiljanje ukaza PWM, prilagojenega motorjem.

Tako se ob zagonu hitrost postopoma poveča do največje vrednosti v 10 sekundah. V primeru zamašitve s travo se motor ustavi za 10 sekund in poskusi za 2 sekundi. Če težave ne odpravite, se 10-sekundni cikel počitka in 2-sekundni ponovni zagon znova zažene. V teh pogojih ostaja ogrevanje motorja omejeno, tudi v primeru trajne blokade.

Motorji se zaženejo ali ustavijo, ko plošča UNO sprejme signal iz pilotnega programa. Vendar pa trdno stikalo omogoča zanesljiv izklop napajanja za varno servisiranje

16. korak: KAJ JE TREBA NAPRAVITI? KAKŠNE IZBOLJŠANJA?

Na ravni GPS

Vegetacija (drevesa) lahko omeji število satelitov glede na vozilo in zmanjša natančnost ali prepreči zaklepanje RTK. Zato je v našem interesu, da hkrati uporabimo čim več satelitov. Zato bi bilo zanimivo dopolniti ozvezdja GPS in Glonass z ozvezdjem Galileo.

Mogoče bi bilo treba izkoristiti več kot 20 satelitov namesto največ 15, kar omogoča, da se znebite posnemanja z vegetacijo.

Arduino RTK ščiti začenjajo obstojati hkrati s temi tremi ozvezdji:

Poleg tega so ti ščiti zelo kompaktni (fot 1), ker vključujejo tako vezje GPS kot oddajnik na istem nosilcu.

…. Toda cena je veliko višja kot pri vezjih, ki smo jih uporabljali

Uporaba LIDAR -ja za dopolnitev GPS -a

Na žalost se v drevesnicah dogaja, da je vegetacijski pokrov zelo pomemben (na primer lešnik). V tem primeru tudi pri treh ozvezdjih zaklepanje RTK morda ne bo mogoče.

Zato je treba uvesti senzor, ki bi omogočal ohranjanje položaja tudi v trenutni odsotnosti GPS -a.

Zdi se mi (nimam izkušenj), da bi uporaba LIDAR -a lahko izpolnila to funkcijo. Debla dreves v tem primeru zelo enostavno opazimo in jih lahko uporabimo za opazovanje napredka robota. GPS bi ponovno začel delovati na koncu vrstice, na izhodu rastlinskega pokrova.

Primer primerne vrste LIDAR je naslednji (Fotografija2):

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