Sekačka poháněná GPS RTK: 16 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Tato robotická sekačka je schopná plně automatického sekání trávy na předem stanoveném kurzu. Díky RTK GPS navádění je kurz reprodukován při každém sečení s přesností lepší než 10 centimetrů.

Krok 1: ÚVOD

Popíšeme zde robotickou sekačku schopnou úplně automaticky sekat trávu na předem určeném kurzu. Díky RTK GPS navádění je kurz reprodukován při každém sečení s přesností lepší než 10 centimetrů (moje zkušenost). Ovládání je založeno na kartě Aduino Mega, doplněné o některé štíty ovládání motoru, akcelerometry a kompas a také paměťovou kartu.

Je to neprofesionální úspěch, ale umožnil mi uvědomit si problémy, se kterými se setkáváme v zemědělské robotice. Tato velmi mladá disciplína se rychle rozvíjí, což je podpořeno novými právními předpisy o omezování plevele a pesticidů. Zde je například odkaz na nejnovější veletrh zemědělské robotiky v Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Některé společnosti, jako je Naio Technologies, již vyrábějí provozní roboty (https://www.naio-technologies.com/).

Ve srovnání je můj úspěch velmi skromný, ale přesto umožňuje hravým způsobem pochopit zájem a výzvy. …. A pak to opravdu funguje! … A lze jej tedy použít k sekání trávy kolem jeho domu, při zachování volného času…

I když nepopisuji realizaci do posledních detailů, indikace, které dávám, jsou cenné pro toho, kdo by chtěl zahájit. Neváhejte klást otázky nebo podávat návrhy, což mi umožní dokončit svou prezentaci ve prospěch všech.

Byl bych opravdu šťastný, kdyby tento typ projektu mohl dát mnohem mladším lidem chuť do strojírenství…. abychom byli připraveni na velkou roboluci, která nás čeká….

Navíc by se tento typ projektu perfektně hodil pro skupinu motivovaných mladých lidí v klubu nebo fablabu, aby si procvičili práci jako projektová skupina s mechanickými, elektrotechnickými a softwarovými architekty v čele se systémovým inženýrem, stejně jako v oboru.

Krok 2: HLAVNÍ SPECIFIKACE

Cílem je vyrobit funkční prototypovou sekačku schopnou autonomně sekat trávu v terénu, který může mít značné nerovnosti (spíše louky než trávníky).

Zachycení pole nemůže být založeno na fyzické bariéře nebo omezení zakopaného naváděcího drátu jako u robotů na sekání trávy. Pole k sečení jsou opravdu variabilní a mají velký povrch.

U žací lišty je cílem udržení růstu trávy v určité výšce po prvním sekání nebo kartáčování získaném jiným způsobem.

Krok 3: OBECNÁ PREZENTACE

Systém se skládá z mobilního robota a pevné základny.

Na mobilním robotu najdeme:

- Palubní deska

- Obecná ovládací skříňka včetně paměťové karty.

- ruční joystick

- GPS nakonfigurován jako „rover“a přijímač RTK

- 3 motorizovaná kola

- Válečkové motory kol

- žací lišta skládající se ze 4 rotujících kotoučů, z nichž každý nese po obvodu 3 žací nože (šířka záběru 1 metr)

- box pro správu žací lišty

- baterie

V pevné základně najdeme GPS nakonfigurovanou jako „základnu“a také vysílač korekcí RTK. Poznamenáváme, že anténa je umístěna na výšku tak, aby vyzařovala několik set metrů kolem domu.

GPS anténa je navíc na dohled od celé oblohy bez jakéhokoli zastínění budovami nebo vegetací.

Režimy Rover a základna GPS budou popsány a vysvětleny v části GPS.

Krok 4: NÁVOD K OBSLUZE (1/4)

Navrhuji seznámit se s robotem prostřednictvím jeho manuálu, díky němuž budou dobře vypadat všechny jeho funkce.

Popis palubní desky:

- Obecný vypínač

- První třípolohový volič umožňuje výběr provozních režimů: manuální režim pojezdu, režim záznamu stopy, režim sečení

- Jako značka se používá tlačítko. Uvidíme jeho využití.

- Dva další 3polohové voliče slouží k výběru čísla souboru od 9. Máme tedy 9 souborů sečení nebo záznamy o jízdě pro 9 různých polí.

- Třípolohový volič je určen k ovládání žací lišty. Poloha OFF, poloha ON, naprogramovaná řídicí poloha.

- Dvouřádkový displej

- třípolohový volič pro definování 3 různých displejů

- LED dioda, která indikuje stav GPS. Nesvítí, žádné GPS. LED bliká pomalu, GPS bez korekcí RTK. Rychle blikající LED, přijaty opravy RTK. Kontrolky svítí, zámek GPS na nejvyšší přesnost.

Nakonec má joystick dva třípolohové voliče. Levé ovládá levé kolo, pravé ovládá pravé kolo.

Krok 5: NÁVOD K OBSLUZE (2/4)

Režim ručního provozu (GPS není vyžadován)

Po zapnutí a výběru tohoto režimu voličem režimů se stroj ovládá joystickem.

Dva třípolohové voliče mají vratnou pružinu, která je vždy vrací do střední polohy, což odpovídá zastavení kol.

Při zatlačení levé a pravé páky dopředu se dvě zadní kola otočí a stroj jede rovně.

Když zatáhnete obě páky zpět, stroj se vrátí přímo zpět.

Při zatlačení páky dopředu se stroj otočí kolem nehybného kola.

Když je jedna páka zatlačena dopředu a druhá dozadu, stroj se kolem sebe otáčí v bodě uprostřed nápravy spojujícího zadní kola.

Motorizace předního kola se automaticky nastavuje podle dvou ovládacích prvků umístěných na dvou zadních kolech.

Konečně v manuálním režimu je také možné sekat trávu. Za tímto účelem, poté, co jsme zkontrolovali, že se v blízkosti řezacích kotoučů nikdo nenachází, zapnuli ovládací skříňku žací lišty („pevný“spínač pro zabezpečení). Volič střihu na přístrojové desce se poté zapne. V tuto chvíli se otáčejí 4 kotouče žací lišty..

Krok 6: NÁVOD K OBSLUZE (3/4)

Režim záznamu trasy (vyžaduje GPS)

- Před zahájením záznamu běhu je definován libovolný referenční bod pro pole a označen malým kolíkem. Tento bod bude počátkem souřadnic v geografickém rámci (foto)

- Poté vybereme číslo souboru, do kterého bude cesta zaznamenána, díky dvěma voličům na palubní desce.

- Je nastavena základna ON

- Zkontrolujte, zda stavová LED dioda GPS rychle bliká.

- Ukončete manuální režim umístěním voliče režimů na přístrojové desce do polohy pro záznam.

- Stroj se poté ručně přesune do polohy referenčního bodu. Přesně je to anténa GPS, která musí být nad tímto orientačním bodem. Tato GPS anténa je umístěna nad bodem se středem mezi dvěma zadními koly a který je bodem otáčení stroje na sobě.

- Počkejte, dokud se stavová LED dioda GPS nerozsvítí bez blikání. To znamená, že GPS má maximální přesnost („Opravit“GPS).

- Původní poloha 0,0 se označí stisknutím značky na palubní desce.

- Poté se přesuneme k dalšímu bodu, který chceme mapovat. Jakmile je dosaženo, signalizujeme to pomocí značky.

- Aby bylo nahrávání ukončeno, přepneme se zpět do manuálního režimu.

Krok 7: NÁVOD K OBSLUZE (4/4)

Režim sečení (vyžaduje GPS)

Nejprve si musíte připravit soubor bodů, kterým musí stroj projít, aby posekal celé pole, aniž by zanechal nepokosenou plochu. K tomu získáme soubor uložený na paměťové kartě a z těchto souřadnic, například pomocí Excelu, vygenerujeme seznam bodů jako na fotografii. U každého z bodů, kterých má být dosaženo, udáváme, zda je žací lišta ZAPNUTA nebo VYPNUTA. Protože je to žací lišta, která spotřebovává nejvíce energie (od 50 do 100 wattů v závislosti na trávě), je třeba dávat pozor, abyste například při přecházení již posečeného pole VYPNĚLI žací lištu.

Při generování žací desky se paměťová karta vloží zpět na štít v ovládací zásuvce.

Pak už jen zbývá nasadit základnu a jít na pole sečení, těsně nad referenční orientační bod. Volič režimů je poté nastaven na „Mow“.

V tomto okamžiku bude stroj sám čekat na zámek GPS RTK v „Opravit“, vynuluje souřadnice a zahájí sekání.

Po dokončení sečení se vrátí sám do výchozího bodu s přesností asi deset centimetrů.

Během sečení se stroj pohybuje v přímce mezi dvěma po sobě následujícími body souboru bodů. Šířka záběru je 1,1 metru Protože stroj má šířku mezi koly 1 metr a může se otáčet kolem kola (viz video), je možné vyrobit sousední žací lišty. To je velmi účinné!

Krok 8: MECHANICKÁ ČÁST

Struktura robota

Robot je postaven na příhradové konstrukci z hliníkových trubek, což mu dává dobrou tuhost. Jeho rozměry jsou asi 1,20 metru na délku, 1 metr na šířku a 80 cm na výšku.

Kola

Může se pohybovat díky 3 dětským kolům o průměru 20 palců: dvě zadní kola a přední kolo podobné kolečku supermarketových vozíků (fotografie 1 a 2). Relativní pohyb dvou zadních kol zajišťuje jeho orientaci

Válečkové motory

Kvůli nerovnostem v poli je nutné mít velké poměry točivého momentu a tedy velký redukční poměr. Za tímto účelem jsem použil princip přítlačného válečku na kolo, jako na solexu (fotografie 3 a 4). Velká redukce umožňuje udržovat stroj stabilní ve svahu, i když je snížen výkon motoru. Na oplátku stroj postupuje pomalu (3 metry za minutu)… ale tráva také pomalu roste….

Pro mechanický návrh jsem použil kreslící software Openscad (velmi účinný skriptový software). Souběžně jsem pro detailní plány použil Drawing from Openoffice.

Krok 9: RTK GPS (1/3)

Jednoduché GPS

Jednoduchý GPS (foto 1), ten v našem autě, má přesnost jen pár metrů. Pokud zaznamenáme polohu indikovanou takovým GPS udržovaným například po dobu jedné hodiny, budeme pozorovat kolísání několika metrů. Tyto výkyvy jsou způsobeny poruchami v atmosféře a ionosféře, ale také kvůli chybám v hodinách satelitů a chybám v samotném GPS. Není proto vhodný pro naši aplikaci.

RTK GPS

Pro zlepšení této přesnosti jsou použity dva GPS na vzdálenost menší než 10 km (foto 2). Za těchto podmínek můžeme uvažovat o tom, že poruchy atmosféry a ionosféry jsou na každém GPS totožné. Rozdíl v poloze mezi těmito dvěma GPS tak již není narušen (rozdíl). Pokud nyní připojíme jeden z GPS (základna) a druhý umístíme na vozidlo (rover), získáme přesně pohyb vozidla ze základny bez rušení. Tyto GPS navíc provádějí měření času letu mnohem přesněji než jednoduché GPS (fázové měření na nosiči).

Díky těmto vylepšením získáme centimetrickou přesnost měření pro pohyb roveru vzhledem k základně.

Právě tento systém RTK (Real Time Kinematic) jsme se rozhodli použít.

Krok 10: RTK GPS (2/3)

Koupil jsem 2 RTK GPS obvody (foto 1) od firmy Navspark.

Tyto obvody jsou namontovány na malé desce plošných spojů vybavené roztečovými piny 2,54 mm, které se proto montují přímo na testovací desky.

Jelikož se projekt nachází na jihozápadě Francie, vybral jsem obvody pracující se souhvězdími amerických satelitů GPS i ruského souhvězdí Glonass.

Abyste mohli těžit z nejlepší přesnosti, je důležité mít maximální počet satelitů. V mém případě mám aktuálně 10 až 16 satelitů.

Také musíme koupit

- 2 USB adaptéry, potřebné pro připojení obvodu GPS k PC (testy a konfigurace)

- 2 antény GPS + 2 kabely adaptéru

- dvojice přijímačů vysílače a přijímače 3DR, aby základna mohla vydávat své opravy roveru a rover je přijímal.

Krok 11: RTK GPS (3/3)

Oznámení GPS nalezené na webu Navspark umožňuje postupnou implementaci obvodů.

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

Na webu Navspark také najdeme

- software, který se má nainstalovat do počítače se systémem Windows, aby zobrazoval výstupy GPS a programové obvody v základně a vozítku.

- Popis datového formátu GPS (fráze NMEA)

Všechny tyto dokumenty jsou v angličtině, ale jsou poměrně snadno srozumitelné. Zpočátku se implementace provádí bez sebemenšího elektronického obvodu díky USB adaptérům, které také zajišťují veškeré zdroje elektrického napájení.

Průběh je následující:

- Testování jednotlivých obvodů, které fungují jako jednoduché GPS. Cloudový pohled na mosty ukazuje stabilitu několika metrů.

- Programování jednoho obvodu v ROVER a druhého v BASE

- Budování systému RTK propojením dvou modulů jediným vodičem. Cloudový pohled na mosty ukazuje relativní stabilitu ROVER/BASE na několik centimetrů!

- Výměna propojovacího vodiče BASE a ROVER za přijímače a přijímače 3DR. Zde opět operace v RTK umožňuje stabilitu několika centimetrů. Ale tentokrát BASE a ROVER již nejsou spojeny fyzickým spojením…..

- Výměna vizualizace počítače za desku Arduino naprogramovanou pro příjem dat GPS na sériovém vstupu … (viz níže)

Krok 12: ELEKTRICKÁ ČÁST (1/2)

Elektrická ovládací skříňka

Fotografie 1 ukazuje hlavní desky ovládací skříně, které budou podrobně popsány níže.

Zapojení GPS

Zapojení GPS základny a sekačky je znázorněno na obrázku 2.

Tato kabeláž je přirozeně dosažena sledováním postupu pokynů GPS (viz část GPS). Ve všech případech existuje USB adaptér, který vám umožňuje programovat obvody buď v základně, nebo v roveru díky PC softwaru poskytovanému Navsparkem. Díky tomuto programu máme také všechny informace o poloze, počet satelitů atd …

V sekci sekačky je kolík Tx1 GPS připojen k sériovému vstupu 19 (Rx1) desky ARDUINO MEGA pro příjem frází NMEA.

V základně je pin Tx1 GPS odeslán na pin Rx rádia 3DR pro odeslání oprav. V sekačce jsou opravy přijaté rádiem 3DR odeslány na pin Rx2 obvodu GPS.

Je třeba poznamenat, že tyto opravy a jejich správa jsou plně zajištěny obvody GPS RTK. Deska Aduino MEGA tedy přijímá pouze opravené hodnoty polohy.

Krok 13: ELEKTRICKÁ ČÁST (2/2)

Deska Arduino MEGA a její štíty

- Deska MEGA arduino

- Štít motorů zadních kol

- Štít motoru předního kola

- Štít arte SD

Na obrázku 1 je uvedeno, že mezi desky byly umístěny zásuvné konektory tak, aby teplo odváděné v deskách motoru mohlo odvětrat. Kromě toho vám tyto vložky umožňují vyjmout nežádoucí odkazy mezi kartami, aniž byste je museli upravovat.

Obrázek 2 a obrázek 3 ukazují, jak se čtou polohy měničů na přístrojové desce a joysticku.

Krok 14: ŘÍDÍCÍ PROGRAM ARDUINO

Deska mikrokontroléru je Arduino MEGA (UNO nemá dostatek paměti). Jízdní program je velmi jednoduchý a klasický. Vyvinul jsem funkci pro každou základní operaci, kterou je třeba provést (čtení palubní desky, získávání dat GPS, LCD displej, ovládání pohybu stroje nebo otáčení atd.). Tyto funkce jsou pak snadno použitelné v hlavním programu. Pomalá rychlost stroje (3 metry za minutu) vše velmi usnadňuje.

Žací lišta však není řízena tímto programem, ale programem desky UNO, která je umístěna v konkrétním poli.

V části SETUP programu najdeme

- Užitečné inicializace pinů desky MEGA na vstupech nebo výstupech;

- Inicializace LCD displeje

- Inicializace paměťové karty SD

- Inicializace přenosové rychlosti z hardwarového sériového rozhraní na GPS;

- Inicializace přenosové rychlosti ze sériového rozhraní do IDE;

- Vypnutí motorů a žací lišty

V části programu LOOP najdeme na začátku

- Hodnoty na přístrojové desce a joysticku, GPS, kompasu a akcelerometru;

- třívodičový volič, v závislosti na stavu voliče režimů na přístrojové desce (manuální, nahrávání, sečení)

Smyčka LOOP je přerušována asynchronním čtením GPS, což je nejpomalejší krok. Vracíme se tedy na začátek smyčky zhruba každé 3 sekundy.

V normálním režimu bypass je pohybová funkce ovládána podle joysticku a displej je aktualizován přibližně každé 3 sekundy (poloha, stav GPS, směr kompasu, náklon …). Zatlačení na značku BP vynuluje souřadnice polohy, které budou vyjádřeny v metrech v geografickém orientačním bodu.

V bočníku režimu uložení jsou všechny polohy změřené během pohybu zaznamenány na kartu SD (přibližně 3 sekundy). Po dosažení bodu zájmu se stisknutí značky uloží. na SD kartě. Poloha stroje se zobrazuje každé 3 sekundy v metrech na zeměpisném orientačním bodu se středem v počátečním bodě.

V bočníku režimu sečení: Stroj byl dříve přesunut nad referenční bod. Při přepnutí voliče režimů na „sekání“program sleduje výstupy GPS a zejména hodnotu stavového příznaku. Když se stavový příznak změní na „Opravit“, program provede pozici nula. První bod k dosažení je poté načten v sekacím souboru paměti SD. Po dosažení tohoto bodu se stroj otočí tak, jak je uvedeno v sekacím souboru, buď kolem kola, nebo kolem středu obou kol.

Proces se opakuje, dokud není dosaženo posledního bodu (obvykle počátečního bodu). V tomto okamžiku program zastaví stroj a žací lištu.

Krok 15: ŘEZACÍ LIŠTA A JEHO ŘÍZENÍ

Žací lišta se skládá ze 4 kotoučů otáčejících se rychlostí 1 200 ot./min. Každý kotouč je vybaven 3 žacími noži. Tyto kotouče jsou uspořádány tak, aby vytvářely souvislý řezací pás o šířce 1,2 metru.

Motory musí být řízeny tak, aby omezovaly proud

- při spuštění kvůli setrvačnosti disků

- během sekání kvůli zablokování způsobenému příliš velkým množstvím trávy

Za tímto účelem je proud v obvodu každého motoru měřen spirálovými odpory nízké hodnoty. Deska UNO je zapojena a naprogramována tak, aby měřila tyto proudy a vysílala příkaz PWM přizpůsobený motorům.

Při spuštění se tedy rychlost postupně zvyšuje na maximální hodnotu za 10 sekund. V případě zablokování trávou se motor zastaví na 10 sekund a zkusí to znovu na 2 sekundy. Pokud problém přetrvává, znovu začne cyklus 10 sekund odpočinku a 2 sekundy restartu. Za těchto podmínek zůstává zahřívání motoru omezené, a to i v případě trvalého zablokování.

Motory se spustí nebo zastaví, když deska UNO přijme signál z pilotního programu. Pevný přepínač však umožňuje spolehlivě vypnout napájení zabezpečených servisních operací

Krok 16: CO BY SE MĚLO DĚLAT? JAKÁ VYLEPŠENÍ?

Na úrovni GPS

Vegetace (stromy) může omezit počet satelitů ve výhledu na vozidlo a snížit přesnost nebo zabránit uzamčení RTK. Je proto v našem zájmu používat co nejvíce satelitů současně. Bylo by proto zajímavé doplnit souhvězdí GPS a Glonass o souhvězdí Galilea.

Mělo by být možné těžit z více než 20 satelitů namísto maximálně 15, což umožňuje zbavit se skimmingu vegetací.

Štíty Arduino RTK začínají existovat současně s těmito 3 souhvězdími:

Tyto štíty jsou navíc velmi kompaktní (foto 1), protože obsahují obvod GPS i vysílač na stejné podpoře.

…. Cena je ale mnohem vyšší než u obvodů, které jsme použili

Doplnění GPS pomocí LIDAR

V arboristice se bohužel stává, že vegetační kryt je velmi důležitý (například lískové pole). V takovém případě nemusí být RTK možné ani při 3 souhvězdích.

Je proto nutné zavést senzor, který by umožňoval udržovat polohu i v momentální nepřítomnosti GPS.

Zdá se mi (nemám zkušenost), že použití LIDARU by mohlo tuto funkci plnit. Kmeny stromů jsou v tomto případě velmi snadno rozpoznatelné a lze je použít k pozorování postupu robota. GPS by obnovilo svoji funkci na konci řady, na výstupu z vegetačního krytu.

Příklad vhodného typu LIDAR je následující (Foto2):

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