RTK GPS pogonska kosilica: 16 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

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

Korak 1: UVOD

Ovdje ćemo opisati robotsku kosilicu koja može potpuno automatski kositi travu na unaprijed utvrđenom kursu. Zahvaljujući RTK GPS navođenju kurs se reproducira pri svakoj košnji s preciznošću boljom od 10 centimetara (moje iskustvo). Upravljanje se temelji na Aduino Mega kartici, dopunjenoj nekim oklopima za kontrolu motora, 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, evo veze do najnovijeg sajma poljoprivredne robotike u Toulouseu (https://www.fira-agtech.com/). Neke kompanije, 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 zaigran način. …. I onda zaista funkcionira! … 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 zaista sretan kada bi ova vrsta projekta mogla dati mlađim ljudima ukus za inženjering … kako bismo bili spremni za veliku roboluciju koja nas očekuje …

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

Korak 2: GLAVNE SPECIFIKACIJE

Cilj je proizvesti operativni prototip kosilice sposobne za samostalnu kosidbu trave 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 su zaista promjenjiva i velike površine.

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

Korak 3: OPĆA PREZENTACIJA

Sistem se sastoji od mobilnog robota i fiksne baze.

Na mobilnom robotu nalazimo:

- Kontrolna tabla

- Opća kontrolna kutija, uključujući memorijsku karticu.

- ručni džojstik

- GPS konfiguriran kao "rover" i RTK prijemnik

- 3 motorna točka

- Valjkasti motori točkova

- 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 vegetacije.

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

Korak 4: UPUTSTVO ZA RAD (1/4)

Predlažem da se upoznate s robotom kroz njegov priručnik koji čini dostupnim sve njegove funkcionalnosti.

Opis nadzorne ploče:

- Opšti prekidač

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

- Taster se koristi kao marker. 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 sa 3 položaja je posvećen kontroli rezne šipke. OFF položaj, ON položaj, programirani upravljački položaj.

- Dvoredni prikaz

- birač u 3 položaja za definiranje 3 različita prikaza

- LED dioda koja pokazuje status GPS -a. Svijetli, 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 preciznosti.

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

Korak 5: UPUTSTVO 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 palice.

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

Kada se lijeva i desna poluga gurnu prema naprijed, dva zadnja kotača se okreću i mašina ide ravno.

Kada povučete dvije poluge unatrag, mašina se vraća unazad.

Kada se poluga gurne prema naprijed, mašina se okreće oko nepomičnog kotača.

Kada se jedna poluga gurne prema naprijed, a druga prema natrag, mašina 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, UKLJUČUJEMO upravljačku kutiju rezne šipke ("tvrdi" prekidač radi sigurnosti). Birač za rezanje ploče s instrumentima tada se stavlja na ON. U ovom trenutku rotiraju se 4 diska noža za rezanje..

Korak 6: UPUTSTVO 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 geografskom okviru (fotografija)

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

- UKLJUČENA baza je podešena

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

- 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 ovog orijentira. Ova GPS antena nalazi se iznad tačke u sredini između dva zadnja točka i koja je tačka rotacije mašine na njoj samoj.

- Pričekajte dok LED status GPS -a ne zasvijetli bez treptanja. Ovo ukazuje na to da je GPS maksimalno precizan ("Popravi" GPS).

- Originalna pozicija 0,0 označena je pritiskom na marker na instrument tabli.

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

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

Korak 7: UPUTSTVO ZA RAD (4/4)

Način košnje (potreban GPS)

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

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

Ostaje samo staviti ON na podlogu i otići na polje za košenje, neposredno iznad referentnog orijentira. Birač načina rada tada je postavljen na "Kositi".

U ovom trenutku mašina će sama čekati zaključavanje GPS RTK -a u "Popravi" da izbriše koordinate i počne kositi.

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

Tokom košnje, mašina se kreće pravolinijski između dvije uzastopne tačke turpije. Širina košenja je 1,1 metar Budući da mašina ima širinu između kotača od 1 metra i može se okretati oko kotača (pogledajte video), moguće je napraviti susjedne trake za košnju. Ovo je vrlo efikasno!

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 kretati zahvaljujući 3 dječja biciklistička kotača promjera 20 inča: dva stražnja i prednji kotač sličan kotaču kolica supermarketa (fotografije 1 i 2). Relativno kretanje dva stražnja kotača osigurava njegovu orijentaciju

Motori sa valjcima

Zbog nepravilnosti u polju, potrebno je imati velike omjere zakretnog momenta, a time i veliki omjer smanjenja. U tu svrhu koristio sam princip pritiskanja valjka na točku, kao na solexu (fotografije 3 i 4). Veliko smanjenje omogućuje održavanje mašine stabilnom na nagibu, čak i kad je snaga motora prekinuta. Zauzvrat, mašina sporo napreduje (3 metra/ minutu) … ali i trava raste sporo ….

Za mehanički dizajn koristio sam softver za crtanje Openscad (vrlo efikasan softver za skripte). Paralelno za detaljne planove koristio sam Drawing from Openoffice.

Korak 9: RTK GPS (1/3)

Jednostavan GPS

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

RTK GPS

Da bi se poboljšala ta preciznost, koriste se dva GPS -a na udaljenosti manjoj od 10 km (fotografija 2). Pod ovim uvjetima, možemo smatrati da su poremećaji atmosfere i ionosfere identični 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. Štaviše, ovi GPS -i izvode mjerenje vremena leta mnogo preciznije od jednostavnog GPS -a (fazna mjerenja na nosaču).

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

Upravo smo ovaj RTK (Real Time Kinematic) sistem odabrali za korištenje.

Korak 10: RTK GPS (2/3)

Kupio sam 2 RTK GPS kola (fotografija 1) od kompanije Navspark.

Ovi krugovi su montirani na malu tiskanu ploču opremljenu iglama koraka 2,54 mm, koja se stoga montira izravno na testne ploče.

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

Važno je imati maksimalan broj satelita kako biste iskoristili najbolju preciznost. U mom slučaju trenutno imam između 10 i 16 satelita.

Takođe moramo kupiti

- 2 USB adaptera, potrebna za povezivanje GPS kola sa računarom (testovi i konfiguracija)

- 2 GPS antene + 2 adapterska kabla

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

Korak 11: RTK GPS (3/3)

GPS obavijest koja se nalazi na web lokaciji Navspark omogućava postupno postavljanje kola.

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

Na web stranici Navspark također ćemo pronaći

- softver koji će biti instaliran na Windows računaru za pregled GPS izlaza i programskih krugova u bazi i roveru.

- Opis formata GPS podataka (NMEA izrazi)

Svi ovi dokumenti su na engleskom jeziku, ali ih je relativno lako razumjeti. U početku se implementacija odvija bez i najmanjeg elektroničkog kruga zahvaljujući USB adapterima koji pružaju i sva električna napajanja.

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

- Zamjena BASE i ROVER priključne žice 3DR primopredajnicima. I ovdje operacija u RTK -u omogućava stabilnost od nekoliko centimetara. Ali 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 detaljno navedene u nastavku.

Ožičenje GPS -a

GPS ožičenje osnove i kosilice prikazano je na slici 2.

Ovo kabliranje se prirodno postiže praćenjem napretka GPS uputa (vidi odjeljak GPS). U svim slučajevima postoji USB adapter koji vam omogućuje programiranje kola bilo u bazi ili u roveru zahvaljujući računarskom 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 ARDUINO MEGA ploče za prijem NMEA fraza.

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

Napominje se da su ove ispravke i njihovo upravljanje u potpunosti osigurani GPS RTK krugovima. Dakle, Aduino MEGA ploča 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 točkova

- Štit arte SD

Na slici 1 je zabilježeno 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 instrumentnoj ploči i upravljačke palice.

Korak 14: ARDUINO VOŽNI PROGRAM

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 izvršiti (očitavanje nadzorne ploče, prikupljanje GPS podataka, LCD zaslon, kontrola unaprijed ili rotacije stroja, itd …). Ove se funkcije tada lako koriste u glavnom programu. Mala brzina mašine (3 metra/ minutu) čini stvari mnogo lakšim.

Međutim, trakom za rezanje ne upravlja ovaj program, već program UNO ploče koja se nalazi u posebnoj kutiji.

U dijelu programa SETUP nalazimo

- Korisne inicijalizacije pinova MEGA ploče na ulazima ili izlazima;

- Inicijalizacija LCD ekrana

- Inicijalizacija SD memorijske kartice

- Inicijalizacija brzine prijenosa sa hardverskog serijskog sučelja na GPS;

- Inicijalizacija brzine prenosa sa serijskog interfejsa na IDE;

- Gašenje motora i šipke za rezanje

U LOOP dijelu programa nalazimo na početku

- Očitavanja instrument table i džojstika, GPS -a, kompasa i akcelerometra;

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

LOOP petlja je isprekidana asinhronim očitavanjem GPS -a, što je najsporiji korak. Vraćamo se na početak petlje otprilike svake 3 sekunde.

U normalnom načinu rada zaobilaznicom, funkcijom kretanja upravlja se prema upravljačkoj palici, a zaslon se ažurira otprilike svake 3 sekunde (položaj, GPS status, smjer kompasa, nagib …). Pritiskom na marker BP nuliraju se koordinate položaja koje će biti izražene u metrima u geografskom orijentiru.

U režimu spremanja u režimu spremanja, svi položaji izmjereni tokom kretanja bilježe se na SD karticu (period od oko 3 sekunde). Kada se dostigne interesantna tačka, pritisak na marker se memoriše. u SD kartici. Položaj mašine prikazuje se svake 3 sekunde, u metrima, u geografskom orijentiru centriranom na početnu tačku.

U načinu košenja shunt: Mašina je prethodno pomaknuta iznad referentne točke. Prilikom prebacivanja birača načina rada na "košenje", program promatra GPS izlaze, a posebno vrijednost statusne zastavice. Kada se statusna zastavica promijeni u "Popravi", program izvodi poziciju nula. Prva točka do koje se dolazi tada se čita u datoteci za košnju SD memorije. Kada se postigne ova točka, okretanje stroja se vrši kako je navedeno u datoteci za košnju, bilo oko kotača, bilo oko središta dva kotača.

Proces se ponavlja sve dok se ne postigne posljednja točka (obično početna tačka). U ovom trenutku program zaustavlja mašinu i reznu traku.

Korak 15: TRAKA ZA REZANJE I NJEGOVO UPRAVLJANJE

Rezna traka se sastoji od 4 diska koji se okreću brzinom od 1200 o / min. Svaki disk opremljen je s 3 oštrice. Ovi diskovi su 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

- tokom košenja zbog začepljenja uzrokovanih previše trave

U tu svrhu se 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 na maksimalnu vrijednost za 10 sekundi. U slučaju začepljenja travom, motor se zaustavlja na 10 sekundi i pokušava ponovo na 2 sekunde. Ako problem potraje, 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 servisiranja

Korak 16: ŠTA TREBA UČINITI? KAKVA POBOLJŠANJA?

Na GPS nivou

Vegetacija (drveće) može ograničiti broj satelita u pogledu vozila i smanjiti tačnost 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 sklizanja vegetacijom.

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

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

…. Ali cijena je mnogo veća od onih kola koja smo koristili

Upotreba LIDAR -a za dopunu GPS -a

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

Zbog toga je potrebno uvesti senzor koji bi omogućio održavanje položaja čak i u trenutku nedostatka 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 praćenje napredovanja robota. GPS bi nastavio svoju funkciju na kraju reda, na izlazu iz vegetacijskog pokrivača.

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

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