RTK GPS -drevet plæneklipper: 16 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Denne robotklipper er i stand til fuldautomatisk græsslåning på en forudbestemt bane. Takket være RTK GPS -vejledning gengives banen med hver klipning med en præcision, der er bedre end 10 centimeter.

Trin 1: INTRODUKTION

Vi vil her beskrive en robotklipper, der er i stand til at klippe græsset helt automatisk på en på forhånd bestemt kurs. Takket være RTK GPS -vejledning gengives banen ved hver slåning med en præcision, der er bedre end 10 centimeter (min erfaring). Betjeningen er baseret på et Aduino Mega -kort, suppleret med nogle skærme af motorstyring, accelerometre og kompas samt et hukommelseskort.

Det er en ikke-professionel præstation, men det har givet mig mulighed for at indse problemerne i landbrugsrobotik. Denne meget unge disciplin udvikler sig hurtigt, ansporet af ny lovgivning om reduktion af ukrudt og pesticider. For eksempel er her et link til den seneste landbrugsrobotmesse i Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Nogle virksomheder som Naio Technologies fremstiller allerede operationelle robotter (https://www.naio-technologies.com/).

Til sammenligning er min præstation meget beskeden, men den gør det ikke desto mindre muligt at forstå interesse og udfordringer på en legende måde. …. Og så virker det virkelig! … og kan derfor bruges til at klippe græs rundt om hans hus, samtidig med at han bevarer sin fritid …

Selvom jeg ikke beskriver erkendelsen i de sidste detaljer, er de indikationer, jeg giver, værdifulde for den, der gerne vil starte. Tøv ikke med at stille spørgsmål eller komme med forslag, som gør det muligt for mig at fuldføre min præsentation til gavn for alle.

Jeg ville være rigtig glad, hvis denne type projekter kunne give langt yngre mennesker smag for teknik…. for at være klar til den store løsning, der venter os….

Desuden ville denne type projekter være perfekt egnet til en gruppe motiverede unge i en klub eller fablab, til at øve sig i at arbejde som en projektgruppe med mekaniske, elektriske, software arkitekter ledet af en systemingeniør, som i branchen.

Trin 2: HOVEDSPECIFIKATIONER

Målet er at producere en operationel prototypeklipper, der er i stand til at slå græs selvstændigt på terræn, der kan have betydelige uregelmæssigheder (enge frem for græsplæner).

Markindeslutning kan ikke være baseret på en fysisk barriere eller begravet guidekabelbegrænsning som for græsslåmaskiner. Markerne, der skal klippes, er faktisk variable og har en stor overflade.

For klippestangen er målet at opretholde græsets vækst i en bestemt højde efter en første slåning eller børstning opnået på anden måde.

Trin 3: GENEREL PRÆSENTATION

Systemet består af en mobil robot og en fast base.

På den mobile robot finder vi:

- Instrumentbrættet

- Den generelle kontrolboks inklusive et hukommelseskort.

- det manuelle joystick

- GPS'en konfigureret som en "rover" og RTK -modtageren

- 3 motoriserede hjul

- Roller motorer af hjul

- skærebjælken består af 4 roterende skiver, der hver bærer 3 knive i periferien (klippebredde på 1 meter)

- skærehåndteringsboksen

- batterierne

I den faste base finder vi GPS'en konfigureret som "base" samt sender af RTK -korrektionerne. Vi bemærker, at antennen er placeret i højden for at stråle et par hundrede meter rundt i huset.

Derudover er GPS -antennen i syne af hele himlen uden nogen okkultation af bygninger eller vegetation.

Rover -tilstande og GPS -base vil blive beskrevet og forklaret i GPS -afsnittet.

Trin 4: BETJENINGSINSTRUKTIONER (1/4)

Jeg foreslår at stifte bekendtskab med robotten gennem dens manual, der får alle dets funktioner til at se godt ud.

Beskrivelse af instrumentbrættet:

- En generel switch

- En første 3-positionsvælger gør det muligt at vælge driftstilstande: manuel kørselstilstand, sporoptagelsestilstand, klipningstilstand

- En trykknap bruges som markør. Vi vil se dens anvendelser.

- To andre 3-positions vælgere bruges til at vælge et filnummer fra 9. Vi har derfor 9 klipfiler eller rejseoptegnelser til 9 forskellige felter.

- En 3-positionsvælger er dedikeret til styring af skærebjælken. OFF position, ON position, programmeret kontrolposition.

- Display med to linjer

- en 3-positionsvælger til at definere 3 forskellige skærme

- en LED, der angiver GPS -status. Lyser, ingen GPS. Lysdioder blinker langsomt, GPS uden RTK -korrektioner. Hurtigt blinkende LED, RTK -korrektioner modtaget. Lysdioder tændt, GPS -lås med højeste nøjagtighed.

Endelig har joysticket to vælger med 3 positioner. Det venstre styrer det venstre hjul, det højre styrer det højre hjul.

Trin 5: BETJENINGSINSTRUKTIONER (2/4)

Manuel betjeningstilstand (GPS ikke påkrævet)

Efter at have tændt og valgt denne tilstand med funktionsvælgeren, styres maskinen med joysticket.

De to 3-positions vælgere har en returfjeder, der altid returnerer dem til midterpositionen, svarende til stop af hjulene.

Når venstre og højre håndtag skubbes fremad, drejer de to baghjul, og maskinen går lige.

Når du trækker de to håndtag tilbage, går maskinen lige tilbage.

Når en håndtag skubbes fremad, vender maskinen rundt om det stationære hjul.

Når det ene håndtag skubbes frem og det andet tilbage, roterer maskinen rundt om sig selv på et punkt i midten af akslen, der forbinder baghjulene.

Motoriseringen af forhjulet justeres automatisk i henhold til de to betjeningselementer på de to baghjul.

Endelig er det i manuel tilstand også muligt at slå græs. Til dette formål, efter at have kontrolleret, at ingen er i nærheden af skæreskiverne, satte vi TIL styringsboksen på skærebjælken ("hård" switch for sikkerheden). Instrumentpanelets skærevælger placeres derefter på ON. I dette øjeblik roterer skærebjælkens 4 skiver..

Trin 6: BETJENINGSINSTRUKTIONER (3/4)

Sporoptagelsestilstand (GPS påkrævet)

- Inden du begynder at registrere et løb, defineres et vilkårligt referencepunkt for feltet og markeres med en lille indsats. Dette punkt vil være koordinaternes oprindelse i den geografiske ramme (foto)

- Vi vælger derefter det filnummer, som rejsen vil blive registreret i, takket være de to vælgere på instrumentbrættet.

- ON -basen er indstillet

- Kontroller, at GPS -status -LED'en begynder at blinke hurtigt.

- Afslut manuel tilstand ved at placere instrumentpanelvælgeren i optagepositionen.

- Maskinen flyttes derefter manuelt til referencepunktets position. Netop det er GPS -antennen, der skal være over dette vartegn. Denne GPS -antenne er placeret over det punkt, der er centreret mellem de to baghjul, og som er maskinens rotationspunkt på sig selv.

- Vent, indtil GPS -status -LED'en nu lyser uden at blinke. Dette indikerer, at GPS'en har den maksimale nøjagtighed ("Fix" GPS).

- Den originale 0,0 -position markeres ved at trykke på instrumentbrættets markør.

- Vi går derefter til det næste punkt, som vi vil kortlægge. Så snart den er nået, signalerer vi den ved hjælp af markøren.

- For at afslutte optagelsen skifter vi tilbage til manuel tilstand.

Trin 7: BETJENINGSINSTRUKTIONER (4/4)

Klipningstilstand (påkrævet GPS)

Først skal du forberede den punktfil, som maskinen skal igennem for at klippe hele feltet uden at efterlade en ubeskåret overflade. For at gøre dette får vi filen gemt på hukommelseskortet, og fra disse koordinater, ved hjælp af f.eks. Excel, genererer vi en liste med punkter som på billedet. For hvert af de punkter, der skal nås, angiver vi, om skærebjælken er ON eller OFF. Da det er klippebjælken, der bruger mest strøm (fra 50 til 100 watt afhængigt af græsset), er det nødvendigt at være forsigtig med at slukke klippebjælken, når man f.eks. Krydser et allerede slået felt.

Når klippebordet genereres, sættes hukommelseskortet tilbage på sit skjold i kontrolskuffen.

Det eneste, der er tilbage, er at sætte ON på basen og gå til slåfeltet, lige over referencemærket. Modevælgeren er derefter indstillet til "Mow".

På dette tidspunkt venter maskinen af sig selv på GPS RTK -låsen i "Fix" for at nulstille koordinaterne og begynde at klippe.

Når klipningen er færdig, vender den alene tilbage til udgangspunktet med en nøjagtighed på cirka ti centimeter.

Under slåning bevæger maskinen sig i en lige linje mellem to på hinanden følgende punkter i punktfilen. Klippebredden er 1,1 meter Da maskinen har en bredde mellem hjul på 1 meter og kan rotere rundt om et hjul (se video), er det muligt at lave tilstødende klippestrimler. Dette er meget effektivt!

Trin 8: MEKANISK DEL

Robotens struktur

Robotten er bygget op omkring en gitterstruktur af aluminiumsrør, hvilket giver den god stivhed. Dens dimensioner er omkring 1,20 meter lange, 1 meter brede og 80 cm høje.

Hjulene

Det kan bevæge sig takket være 3 børnehjul i diameter 20 tommer: To baghjul og et forhjul, der ligner hjulet i supermarkedsvogne (fotos 1 og 2). Den relative bevægelse af de to baghjul sikrer dens orientering

Rullemotorerne

På grund af uregelmæssighederne i feltet er det nødvendigt at have store momentforhold og derfor et stort reduktionsforhold. Til dette formål brugte jeg princippet om rulletryk på hjulet, som på en solex (fotos 3 og 4). Den store reduktion gør det muligt at holde maskinen stabil i en hældning, selv når motoreffekten afbrydes. Til gengæld går maskinen langsomt frem (3 meter/ minut)… men græsset vokser også langsomt….

Til det mekaniske design brugte jeg tegningssoftwaren Openscad (meget effektiv scriptsoftware). Parallelt med detaljeplanerne brugte jeg Drawing from Openoffice.

Trin 9: RTK GPS (1/3)

Simpel GPS

Den enkle GPS (foto 1), den i vores bil har en nøjagtighed på kun få meter. Hvis vi registrerer den position, der er angivet med en sådan GPS, der f.eks. Fastholdes i en time, vil vi observere udsving på flere meter. Disse udsving skyldes forstyrrelser i atmosfæren og ionosfæren, men også fejl i satelliternes ure og fejl i selve GPS'en. Det er derfor ikke egnet til vores anvendelse.

RTK GPS

For at forbedre denne nøjagtighed bruges to GPS'er i en afstand på mindre end 10 km (foto 2). Under disse forhold kan vi overveje, at forstyrrelserne i atmosfæren og ionosfæren er identiske på hver GPS. Således er forskellen i position mellem de to GPS'er ikke længere forstyrret (differential). Hvis vi nu vedhæfter den ene af GPS'en (basen) og placerer den anden på et køretøj (roveren), får vi præcist køretøjets bevægelse fra basen uden forstyrrelser. Desuden udfører disse GPS et tidspunkt for flyvningsmåling meget mere præcist end den simple GPS (fasemålinger på transportøren).

Takket være disse forbedringer opnår vi en centimetrisk målenøjagtighed for roverens bevægelse i forhold til basen.

Det er dette RTK (Real Time Kinematic) system, som vi har valgt at bruge.

Trin 10: RTK GPS (2/3)

Jeg købte 2 RTK GPS kredsløb (foto 1) fra firmaet Navspark.

Disse kredsløb er monteret på et lille printkort udstyret med 2,54 mm pitch pins, som derfor monteres direkte på testpladerne.

Da projektet er placeret i det sydvestlige Frankrig, valgte jeg kredsløb, der arbejdede med stjernebillederne af amerikanske GPS-satellitter samt det russiske stjernebillede Glonass.

Det er vigtigt at have det maksimale antal satellitter for at drage fordel af den bedste nøjagtighed. I mit tilfælde har jeg i øjeblikket mellem 10 og 16 satellitter.

Vi skal også købe

- 2 USB -adaptere, nødvendige for at slutte GPS -kredsløbet til en pc (test og konfiguration)

- 2 GPS -antenner + 2 adapterkabler

- et par 3DR-sender-modtagere, så basen kan udstede sine rettelser til roveren, og roveren kan modtage dem.

Trin 11: RTK GPS (3/3)

GPS -meddelelsen, der findes på Navspark -webstedet, gør det muligt at implementere kredsløbene gradvist.

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

På Navspark -webstedet finder vi også

- softwaren, der skal installeres på sin Windows -pc til at se GPS -output og programkredsløb i base og rover.

- En beskrivelse af GPS -dataformatet (NMEA -sætninger)

Alle disse dokumenter er på engelsk, men er relativt lette at forstå. I første omgang foretages implementeringen uden det mindste elektroniske kredsløb takket være USB -adapterne, der også forsyner alle elektriske strømforsyninger.

Forløbet er som følger:

- Test af individuelle kredsløb, der fungerer som simpel GPS. Skyudsigt over broer viser stabilitet på et par meter.

- Programmering af det ene kredsløb i ROVER og det andet i BASE

- Opbygning af et RTK -system ved at forbinde de to moduler med en enkelt ledning. Skyens udsigt over broer viser en relativ stabilitet af ROVER/BASE på et par centimeter!

- Udskiftning af BASE- og ROVER -tilslutningskablet med 3DR -transceiverne. Også her tillader operationen i RTK en stabilitet på et par centimeter. Men denne gang er BASE og ROVER ikke længere forbundet med et fysisk link…..

- Udskiftning af pc -visualisering med et Arduino -kort programmeret til at modtage GPS -data på en seriel indgang … (se nedenfor)

Trin 12: ELEKTRISK DEL (1/2)

Den elektriske kontrolboks

Foto 1 viser de vigtigste styrebokse, som vil blive beskrevet detaljeret nedenfor.

Kabelføring af GPS

Base- og plæneklipperens GPS -ledninger er vist i figur 2.

Denne kabelføring opnås naturligvis ved at følge udviklingen i GPS -instruktionerne (se GPS -afsnittet). I alle tilfælde er der en USB -adapter, der giver dig mulighed for at programmere kredsløbene enten i basen eller i rover takket være pc -softwaren fra Navspark. Takket være dette program har vi også alle positionsoplysninger, antal satellitter osv …

I plæneklippersektionen er GPS'ens Tx1 -pin forbundet til 19 (Rx1) seriel indgang på ARDUINO MEGA -kortet for at modtage NMEA -sætningerne.

I basen sendes GPS'ens Tx1 -pin til Rx -pin på 3DR -radioen for at sende korrektionerne. I plæneklipperen sendes de korrektioner, der modtages af 3DR -radioen, til pin Rx2 i GPS -kredsløbet.

Det bemærkes, at disse korrektioner og deres håndtering er fuldt ud sikret af GPS RTK -kredsløbene. Således modtager Aduino MEGA -kortet kun korrigerede positionsværdier.

Trin 13: ELEKTRISK DEL (2/2)

Arduino MEGA -pladen og dens skjolde

- MEGA arduino bord

- Baghjulsmotorer skærm

- Forhjuls motorskærm

- Skjold art SD

I figur 1 bemærkes det, at plug-in-stik blev placeret mellem brædderne, så den varme, der spredes i motorbrædderne, kunne udluftes. Derudover giver disse indsatser dig mulighed for at skære uønskede links mellem kortene uden at skulle ændre dem.

Figur 2 og figur 3 viser, hvordan positionerne på instrumentpanelomformerne og joysticket læses.

Trin 14: ARDUINO -KØREPROGRAMMET

Mikrocontrollerkortet er et Arduino MEGA (UNO har ikke nok hukommelse). Køreprogrammet er meget enkelt og klassisk. Jeg har udviklet en funktion for hver grundlæggende operation, der skal udføres (læsning af instrumentbræt, GPS -dataindsamling, LCD -display, maskinfremføring eller rotationskontrol osv.). Disse funktioner bruges derefter let i hovedprogrammet. Maskinens langsomme hastighed (3 meter/ minut) gør tingene meget lettere.

Skærebjælken styres imidlertid ikke af dette program, men af programmet for UNO -kortet, der er placeret i den specifikke boks.

I SETUP -delen af programmet finder vi

- Nyttige pin -initialiseringer af MEGA -kortet i input eller output;

- Initialisering af LCD -display

- Initialisering af SD -hukommelseskort

- Initialisering af overførselshastigheden fra hardware seriel grænseflade til GPS;

- Initialisering af overførselshastigheden fra det serielle interface til IDE;

- Nedlukning af motorer og skærestang

I LOOP -delen af programmet finder vi i begyndelsen

- Instrumentpanel og joystick, GPS, kompas og accelerometermålinger;

- en 3-leder vælger, afhængigt af status for instrumentpanel mode vælger (manuel, optagelse, slåning)

LOOP -sløjfen punkteres af den asynkrone læsning af GPS'en, som er det langsomste trin. Så vi går tilbage til begyndelsen af sløjfen cirka hvert 3. sekund.

I bypass ved normal tilstand styres bevægelsesfunktionen i henhold til joysticket, og displayet opdateres cirka hvert 3. sekund (position, GPS -status, kompasretning, tilt …). Et tryk på markøren BP nulstiller de positionskoordinater, der vil blive udtrykt i meter i det geografiske vartegn.

I shunt -tilstanden gemmes alle positioner målt under flytningen på SD -kortet (periode på ca. 3 sekunder). Når et interessepunkt er nået, gemmes et tryk på markøren. i SD -kortet. Maskinens position vises hvert 3. sekund i meter i det geografiske vartegn centreret om udgangspunktet.

I klippefunktionen shunt: Maskinen blev tidligere flyttet over referencepunktet. Når funktionsvælgeren skiftes til "klipning", observerer programmet GPS -output og især værdien af statusflaget. Når statusflaget ændres til "Fix", udfører programmet positionen nul. Det første punkt, der skal nås, læses derefter i klippefilen i SD -hukommelsen. Når dette punkt er nået, foretages maskinens drejning som angivet i klippefilen, enten omkring et hjul eller omkring midten af de to hjul.

Processen gentager sig selv, indtil det sidste punkt er nået (normalt udgangspunktet). På dette tidspunkt stopper programmet maskinen og skærebjælken.

Trin 15: SKÆREBAREN OG DENNES LEDELSE

Skærebjælken består af 4 skiver, der roterer med en hastighed på 1200 omdr./min. Hver skive er udstyret med 3 knive. Disse skiver er arrangeret således, at der dannes et kontinuerligt skærebånd på 1,2 meter bredt.

Motorer skal styres for at begrænse strømmen

- ved opstart på grund af diskenes inerti

- under klipning på grund af blokeringer forårsaget af for meget græs

Til dette formål måles strømmen i kredsløbet for hver motor ved hjælp af spiralmodstande med lav værdi. UNO -kortet er kablet og programmeret til at måle disse strømme og sende en PWM -kommando tilpasset motorerne.

Ved opstart øges hastigheden gradvist til sin maksimale værdi på 10 sekunder. I tilfælde af blokering af græs stopper motoren i 10 sekunder og prøver igen i 2 sekunder. Hvis problemet fortsætter, starter 10-sekunders hvile og 2-sekunders genstartscyklus igen. Under disse forhold forbliver motorvarme begrænset, selv i tilfælde af permanent blokering.

Motorerne starter eller stopper, når UNO -kortet modtager signalet fra pilotprogrammet. Men en hård switch gør det muligt pålideligt at slukke for strømmen for at sikre servicedrift

Trin 16: HVAD SKAL GØR? HVILKE FORBEDRINGER?

På GPS -niveau

Vegetation (træer) kan begrænse antallet af satellitter i betragtning af køretøjet og reducere nøjagtigheden eller forhindre RTK -låsning. Det er derfor i vores interesse at bruge så mange satellitter som muligt på samme tid. Det ville derfor være interessant at fuldføre GPS- og Glonass -stjernebillederne med Galileo -stjernebilledet.

Det skal være muligt at drage fordel af mere end 20 satellitter i stedet for maksimalt 15, hvilket gør det muligt at slippe af med skimmelsen ved vegetation.

Arduino RTK-skjolde begynder at eksistere samtidig med disse 3 konstellationer:

Desuden er disse afskærmninger meget kompakte (fot 1), fordi de inkluderer både GPS -kredsløbet og transceiveren på den samme understøttelse.

…. Men prisen er meget højere end for de kredsløb, vi brugte

Brug af en LIDAR til at supplere GPS'en

Desværre sker det i træbrug, at vegetationsdækket er meget vigtigt (f.eks. Hasselmark). I dette tilfælde er selv med de 3 konstellationer RTK -låsning muligvis ikke mulig.

Det er derfor nødvendigt at indføre en sensor, der gør det muligt at opretholde positionen, selv i øjeblikket fravær af GPS.

Det forekommer mig (jeg har ikke haft oplevelsen), at brugen af et LIDAR kunne opfylde denne funktion. Træernes stammer er meget lette at få øje på i dette tilfælde og kan bruges til at observere robotens fremskridt. GPS'en genoptager sin funktion i slutningen af rækken ved udgangen af vegetationsdækslet.

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

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