Косилка с GPS-приводом RTK: 16 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Эта робот-косилка способна полностью автоматизировать стрижку травы по заданному маршруту. Благодаря наведению RTK GPS курс воспроизводится при каждом кошении с точностью лучше 10 сантиметров.

Шаг 1: ВВЕДЕНИЕ

Здесь мы опишем робот-косилку, способную полностью автоматически косить траву по заранее определенному курсу. Благодаря наведению RTK GPS курс воспроизводится при каждом кошении с точностью лучше 10 сантиметров (по моему опыту). Управление основано на карте Aduino Mega, дополненной некоторыми экранами управления двигателем, акселерометрами и компасом, а также картой памяти.

Это непрофессиональное достижение, но оно позволило мне осознать проблемы, с которыми сталкивается сельскохозяйственная робототехника. Эта очень молодая дисциплина быстро развивается благодаря новому законодательству о сокращении количества сорняков и пестицидов. Например, вот ссылка на последнюю выставку сельскохозяйственной робототехники в Тулузе (https://www.fira-agtech.com/). Некоторые компании, такие как Naio Technologies, уже производят действующих роботов (https://www.naio-technologies.com/).

Для сравнения, мои достижения очень скромные, но, тем не менее, они позволяют в игровой форме понять интерес и проблемы. …. И тогда это действительно работает! … и поэтому его можно использовать для стрижки травы вокруг своего дома, экономя при этом свободное время …

Даже если я не буду описывать реализацию в последних деталях, указания, которые я даю, ценны для того, кто хотел бы запустить. Не стесняйтесь задавать вопросы или вносить предложения, которые позволят мне завершить свою презентацию на благо всех.

Я был бы очень счастлив, если бы этот тип проекта мог дать гораздо более молодым людям вкус к инженерии…. чтобы быть готовыми к великой революции, которая нас ждет….

Более того, этот тип проекта идеально подходит для группы мотивированных молодых людей в клубе или фабрике, которые могут практиковаться в работе в проектной группе с механическими, электрическими архитекторами и архитекторами программного обеспечения во главе с системным инженером, как в отрасли.

Шаг 2: ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Цель состоит в том, чтобы создать действующий прототип косилки, способной автономно косить траву на местности, которая может иметь значительные неровности (луг, а не газон).

Ограничение поля не может быть основано на физическом барьере или ограничении заглубленного направляющего провода, как в случае роботов для стрижки газонов. Поля, которые нужно косить, действительно разнообразны и имеют большую площадь.

Задача косилочного бруса - поддерживать рост травы на определенной высоте после первого кошения или чистки другими способами.

Шаг 3: ОБЩАЯ ПРЕЗЕНТАЦИЯ

Система состоит из мобильного робота и стационарной базы.

На мобильном роботе находим:

- Приборная панель

- Общий блок управления, включая карту памяти.

- ручной джойстик

- GPS настроен как «ровер» и приемник RTK

- 3 моторизованных колеса

- Роликовые моторы колес

- режущий брус, состоящий из 4 вращающихся дисков, каждый с 3 режущими лезвиями по периферии (ширина реза 1 метр)

- ящик для управления режущим брусом

- батареи

В фиксированной базе мы находим GPS, настроенный как «базовый», а также передатчик поправок RTK. Отметим, что антенна расположена на такой высоте, чтобы излучать на несколько сотен метров вокруг дома.

Кроме того, антенна GPS находится в зоне видимости всего неба без какого-либо затенения зданиями или растительностью.

Режимы ровера и база GPS будут описаны и объяснены в разделе GPS.

Шаг 4: ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ (1/4)

Предлагаю познакомиться с роботом через его руководство, в котором хорошо представлены все его функции.

Описание дашборда:

- Общий переключатель

- Первый трехпозиционный селектор позволяет выбирать режимы работы: ручной режим движения, режим записи трека, режим кошения.

- Кнопка используется как маркер. Мы увидим его применение.

- Два других трехпозиционных переключателя используются для выбора номера файла из 9. Таким образом, у нас есть 9 файлов кошения или записей поездок для 9 различных полей.

- Трехпозиционный переключатель предназначен для управления режущей балкой. Положение ВЫКЛ, положение ВКЛ, запрограммированное положение управления.

- Двухстрочный дисплей

- 3-позиционный селектор для определения 3 различных дисплеев

- светодиод, показывающий состояние GPS. Светодиоды выключены, GPS нет. Светодиоды мигают медленно, GPS без поправок RTK. Светодиод быстро мигает, поправки RTK получены. Светодиоды горят, GPS фиксируется на высочайшей точности.

Наконец, на джойстике есть два трехпозиционных переключателя. Левый управляет левым колесом, правый - правым.

Шаг 5: ИНСТРУКЦИИ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ (2/4)

Ручной режим работы (GPS не требуется)

После включения и выбора этого режима с помощью переключателя режимов, машина управляется джойстиком.

Два трехпозиционных переключателя имеют возвратную пружину, которая всегда возвращает их в среднее положение, соответствующее остановке колес.

Когда левый и правый рычаги перемещаются вперед, два задних колеса поворачиваются, и машина едет прямо.

Когда вы потянете назад два рычага, машина сразу же вернется назад.

Когда рычаг выдвигается вперед, машина вращается вокруг неподвижного колеса.

Когда один рычаг толкается вперед, а другой назад, машина вращается вокруг себя в точке в середине оси, соединяющей задние колеса.

Моторизация переднего колеса автоматически регулируется в соответствии с двумя органами управления, расположенными на двух задних колесах.

Наконец, в ручном режиме также можно косить траву. Для этого, убедившись, что рядом с режущими дисками никого нет, включаем блок управления режущего бруса («жесткий» переключатель для безопасности). После этого переключатель обрезки панели приборов переводится в положение ВКЛ. В этот момент вращаются 4 диска режущего бруса..

Шаг 6: ИНСТРУКЦИИ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ (3/4)

Режим записи трека (требуется GPS)

- Перед началом записи пробега определяется произвольная контрольная точка для поля и отмечается небольшой долей. Эта точка будет началом координат в географической рамке (фото).

- Затем мы выбираем номер файла, в котором будет записана поездка, благодаря двум селекторам на панели инструментов.

- На базе установлена

- Убедитесь, что светодиодный индикатор состояния GPS начинает быстро мигать.

- Выйдите из ручного режима, установив переключатель режимов на приборной панели в положение записи.

- Затем станок вручную перемещают в положение референтной точки. Именно антенна GPS должна быть выше этого ориентира. Эта антенна GPS расположена над точкой, расположенной по центру между двумя задними колесами и являющейся точкой вращения самой машины.

- Подождите, пока светодиод состояния GPS не загорится, не мигая. Это означает, что GPS работает с максимальной точностью ("Fix" GPS).

- Исходное положение 0,0 отмечается нажатием маркера на приборной панели.

- Затем мы переходим к следующей точке, которую хотим отобразить. Как только он будет достигнут, мы сигнализируем об этом маркером.

- Чтобы прекратить запись, мы возвращаемся в ручной режим.

Шаг 7: ИНСТРУКЦИИ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ (4/4)

Режим кошения (требуется GPS)

Во-первых, вы должны подготовить файл точек, который должна пройти машина, чтобы косить все поле, не оставляя неразрезанной поверхности. Для этого мы получаем файл, сохраненный на карте памяти, и по этим координатам, используя, например, Excel, генерируем список точек, как на фотографии. Для каждой точки, которую необходимо достичь, мы указываем, включена или выключена полоса резки. Так как режущий брус потребляет больше всего энергии (от 50 до 100 Вт в зависимости от травы), необходимо быть осторожным, чтобы выключить режущий брус, например, при пересечении уже скошенного поля.

По мере создания косилочной доски карта памяти кладется обратно на щиток в блоке управления.

Все, что остается, - это установить базу и перейти к косилке чуть выше контрольного ориентира. Затем переключатель режима устанавливается в положение «Косить».

На этом этапе машина сама будет ждать, пока фиксация GPS RTK в режиме «Fix» обнулит координаты и начнет кошение.

По окончании кошения он вернется в исходную точку один с точностью до десяти сантиметров.

Во время кошения машина движется по прямой между двумя последовательными точками файла точек. Ширина кошения составляет 1,1 метра. Так как машина имеет ширину между колесами 1 метр и может вращаться вокруг колеса (см. Видео), можно делать смежные косящие полосы. Это очень эффективно!

Шаг 8: МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Строение робота

Робот построен вокруг решетчатой конструкции из алюминиевых труб, что придает ему хорошую жесткость. Его размеры составляют около 1,20 метра в длину, 1 метр в ширину и 80 см в высоту.

Колеса

Он может двигаться благодаря 3 колесам детского велосипеда диаметром 20 дюймов: двум задним колесам и переднему колесу, аналогичному колесу тележек в супермаркете (фото 1 и 2). Относительное движение двух задних колес обеспечивает его ориентацию.

Роликовые двигатели

Из-за неровностей поля необходимо иметь большие передаточные числа крутящего момента и, следовательно, большое передаточное число. Для этого я использовал принцип прижима ролика к колесу, как на солексе (фото 3 и 4). Большое уменьшение позволяет сохранять устойчивость машины на склоне даже при пониженной мощности двигателя. В свою очередь, машина движется медленно (3 метра в минуту)… но трава также растет медленно….

Для механического проектирования я использовал программное обеспечение для рисования Openscad (очень эффективное программное обеспечение для создания сценариев). Параллельно с детальными планами я использовал чертеж из Openoffice.

Шаг 9: RTK GPS (1/3)

Простой GPS

Простой GPS (фото 1), который есть в нашей машине, имеет точность всего несколько метров. Если мы запишем положение, указанное таким GPS, например, фиксированным в течение часа, мы будем наблюдать колебания на несколько метров. Эти колебания вызваны возмущениями в атмосфере и ионосфере, а также ошибками в часах спутников и ошибками самого GPS. Поэтому он не подходит для нашего приложения.

RTK GPS

Для повышения этой точности используются два GPS на расстоянии менее 10 км (фото 2). В этих условиях можно считать, что возмущения атмосферы и ионосферы идентичны на каждой GPS. Таким образом, разница в положении между двумя GPS больше не нарушается (дифференциал). Если мы теперь подключим один из GPS (база) и поместим другой на транспортное средство (вездеход), мы получим точное движение транспортного средства от базы без помех. Более того, эти GPS выполняют измерение времени полета намного точнее, чем простой GPS (измерения фазы на несущей).

Благодаря этим улучшениям мы получим сантиметровую точность измерения движения марсохода относительно базы.

Именно эту систему RTK (кинематика в реальном времени) мы выбрали для использования.

Шаг 10: RTK GPS (2/3)

Купил 2 схемы RTK GPS (фото 1) в компании Navspark.

Эти схемы устанавливаются на небольшую печатную плату, оснащенную выводами с шагом 2,54 мм, которые поэтому устанавливаются непосредственно на тестовые пластины.

Поскольку проект находится на юго-западе Франции, я выбрал схемы, работающие с созвездиями американских спутников GPS, а также с российской группировкой Глонасс.

Чтобы получить максимальную точность, важно иметь максимальное количество спутников. В моем случае у меня сейчас от 10 до 16 спутников.

Мы также должны покупать

- 2 USB-адаптера, необходимые для подключения схемы GPS к ПК (тесты и настройка)

- 2 антенны GPS + 2 переходных кабеля

- пара передатчиков-приемников 3DR, чтобы база могла выдавать свои поправки марсоходу, а марсоход их получать.

Шаг 11: RTK GPS (3/3)

Уведомление о GPS, которое можно найти на сайте Navspark, позволяет внедрять схемы постепенно.

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

На сайте Navspark мы также найдем

- программное обеспечение, которое будет установлено на его ПК с Windows для просмотра выходных сигналов GPS и программных цепей в базе и ровере.

- Описание формата данных GPS (фразы NMEA)

Все эти документы на английском языке, но их относительно легко понять. Первоначально реализация осуществляется без малейшей электронной схемы благодаря адаптерам USB, которые также обеспечивают все источники электропитания.

Прогресс выглядит следующим образом:

- Тестирование отдельных цепей, функционирующих как простой GPS. Облачность мостов показывает устойчивость на несколько метров.

- Программирование одной схемы в ROVER, а другой в BASE

- Построение системы RTK путем соединения двух модулей одним проводом. Облачное изображение мостов показывает относительную стабильность ROVER / BASE в несколько сантиметров!

- Замена соединительного провода BASE и ROVER на трансиверы 3DR. Здесь снова работа в режиме RTK обеспечивает стабильность в несколько сантиметров. Но на этот раз BASE и ROVER больше не связаны физической связью…..

- Замена компьютерной визуализации на плату Arduino, запрограммированную на получение данных GPS на последовательный вход… (см. Ниже)

Шаг 12: ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ (1/2)

Электрический блок управления

На фото 1 показаны платы основного блока управления, которые будут подробно описаны ниже.

Подключение GPS

Схема подключения GPS к основанию и косилке показана на Рисунке 2.

Эта кабельная разводка, естественно, достигается за счет выполнения инструкций GPS (см. Раздел GPS). Во всех случаях имеется USB-адаптер, который позволяет программировать схемы на базе или в вездеходе с помощью программного обеспечения для ПК, предоставляемого Navspark. Благодаря этой программе у нас также есть вся информация о местоположении, количестве спутников и т. Д.

В секции косилки контакт Tx1 GPS подключен к последовательному входу 19 (Rx1) платы ARDUINO MEGA для приема фраз NMEA.

В базе контакт Tx1 GPS отправляется на контакт Rx радио 3DR для отправки поправок. В газонокосилке поправки, полученные радиомодулем 3DR, отправляются на контакт Rx2 схемы GPS.

Следует отметить, что эти корректировки и управление ими полностью обеспечивается схемами GPS RTK. Таким образом, плата Aduino MEGA получает только скорректированные значения положения.

Шаг 13: ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ (2/2)

Плата Arduino MEGA и ее щиты

- плата MEGA arduino

- Щит мотора заднего колеса

- Моторный щит переднего колеса

- Щит Арте СД

На рисунке 1 видно, что разъемы были размещены между платами так, чтобы тепло, рассеиваемое платами двигателя, могло выходить. Кроме того, эти вставки позволяют вырезать ненужные связи между картами, не изменяя их.

На рисунках 2 и 3 показано, как считываются положения инверторов панели приборов и джойстика.

Шаг 14: ПРОГРАММА ARDUINO DRIVING

Плата микроконтроллера представляет собой Arduino MEGA (UNO не имеет достаточно памяти). Программа вождения очень простая и классическая. Я разработал функцию для каждой основной операции, которую необходимо выполнить (считывание приборной панели, сбор данных GPS, ЖК-дисплей, управление движением или вращением машины и т. Д.). Эти функции затем легко использовать в основной программе. Малая скорость машины (3 метра в минуту) значительно упрощает задачу.

Однако режущая планка управляется не этой программой, а программой платы UNO, которая находится в соответствующем поле.

В части программы НАСТРОЙКА находим

- Полезные инициализации контактов платы MEGA на входах или выходах;

- Инициализация ЖК-дисплея

- Инициализация карты памяти SD

- Инициализация скорости передачи от аппаратного последовательного интерфейса к GPS;

- Инициализация скорости передачи от последовательного интерфейса к IDE;

- Выключение двигателей и режущего бруса

В LOOP-части программы мы находим в начале

- Панель приборов и джойстик, показания GPS, компаса и акселерометра;

- трехпозиционный селектор, в зависимости от состояния переключателя режимов на панели приборов (ручной, запись, кошение)

Цикл LOOP прерывается асинхронным считыванием GPS, что является самым медленным шагом. Итак, мы возвращаемся к началу цикла примерно каждые 3 секунды.

В обычном режиме обхода функция движения управляется с помощью джойстика, и дисплей обновляется примерно каждые 3 секунды (положение, статус GPS, направление компаса, наклон…). Нажатие на маркер BP обнуляет координаты местоположения, которые будут выражены в метрах в географическом ориентире.

В шунте в режиме сохранения все положения, измеренные во время движения, записываются на SD-карту (период около 3 секунд). Когда точка интереса достигнута, нажатие на маркер сохраняется. на SD-карте. Положение машины отображается каждые 3 секунды в метрах на географическом ориентире с центром в исходной точке.

В шунтирующем режиме кошения: машина была ранее перемещена выше контрольной точки. При переключении переключателя режима на «кошение» программа наблюдает за выходными сигналами GPS и, в частности, за значением флага состояния. Когда флаг состояния меняется на «Исправить», программа выполняет нулевую позицию. Затем первая достижимая точка считывается в файле кошения на SD-памяти. По достижении этой точки машина поворачивается, как указано в файле кошения, либо вокруг колеса, либо вокруг центра двух колес.

Процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнута последняя точка (обычно начальная точка). На этом этапе программа останавливает машину и режущий брус.

Шаг 15: РЕЖУЩАЯ БРУСКА И ЕЕ УПРАВЛЕНИЕ

Режущий брус состоит из 4-х дисков, вращающихся со скоростью 1200 об / мин. Каждый диск оснащен 3 режущими лезвиями. Эти диски расположены так, чтобы образовывать непрерывную режущую ленту шириной 1,2 метра.

Двигатели должны контролироваться для ограничения тока.

- при запуске из-за инерции дисков

- во время кошения из-за засоров из-за слишком большого количества травы

Для этого ток в цепи каждого двигателя измеряется маломощными обмоточными резисторами. Плата UNO подключена и запрограммирована для измерения этих токов и отправки команды ШИМ, адаптированной к двигателям.

Таким образом, при запуске скорость постепенно увеличивается до максимального значения за 10 секунд. В случае забивания травой двигатель останавливается на 10 секунд и повторяет попытку в течение 2 секунд. Если проблема не исчезнет, снова начнется 10-секундный цикл отдыха и 2-секундный цикл перезапуска. В этих условиях нагрев двигателя остается ограниченным даже в случае постоянной блокировки.

Двигатели запускаются или останавливаются, когда плата UNO получает сигнал от пилотной программы. Однако аппаратный выключатель позволяет надежно отключить питание для обеспечения безопасности операций обслуживания.

Шаг 16: ЧТО СЛЕДУЕТ СДЕЛАТЬ? КАКИЕ УЛУЧШЕНИЯ?

На уровне GPS

Растительность (деревья) может ограничить количество спутников в поле зрения транспортного средства и снизить точность или предотвратить блокировку RTK. Поэтому в наших интересах использовать как можно больше спутников одновременно. Поэтому было бы интересно дополнить созвездия GPS и Глонасс созвездием Галилео.

Должна быть возможность использовать более 20 спутников вместо максимум 15, что позволяет избавиться от скимминга растительности.

Щиты Arduino RTK начинают работать одновременно с этими тремя созвездиями:

Более того, эти экраны очень компактны (фото 1), потому что они включают в себя как схему GPS, так и трансивер на одной опоре.

…. Но цена намного выше, чем у схем, которые мы использовали.

Использование лидара в качестве дополнения к GPS

К сожалению, в садоводстве очень важен растительный покров (например, лещина). В этом случае даже с 3 созвездиями блокировка RTK может быть невозможна.

Поэтому необходимо ввести датчик, который позволял бы сохранять позицию даже при кратковременном отсутствии GPS.

Мне кажется (у меня не было опыта), что использование LIDAR могло бы выполнить эту функцию. В этом случае стволы деревьев очень легко обнаружить, и их можно использовать для наблюдения за движением робота. GPS возобновит свою работу в конце ряда, на выходе из растительного покрова.

Пример подходящего типа лидара следующий (Фото2):

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