RTK GPS -ajamiga niiduk: 16 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:47

See robotniiduk on võimeline täisautomaatseks rohu lõikamiseks etteantud rajal. Tänu RTK GPS -i juhtimisele korratakse rada iga niitmise ajal täpsusega üle 10 sentimeetri.

1. samm: SISSEJUHATUS

Kirjeldame siin robotniidukit, mis suudab eelnevalt määratud rajal muru täielikult automaatselt lõigata. Tänu RTK GPS -i juhtimisele korratakse rada igal niitmisel täpsusega üle 10 sentimeetri (minu kogemus). Juhtimisseade põhineb Aduino Mega kaardil, mida täiendavad mõned mootorikontrolli kilbid, kiirendusmõõturid ja kompass ning mälukaart.

See on mitteprofessionaalne saavutus, kuid see on võimaldanud mul aru saada probleemidest, mis põllumajandusrobootikas kokku puutuvad. See väga noor distsipliin areneb kiiresti, seda soodustavad uued õigusaktid umbrohu ja pestitsiidide vähendamise kohta. Näiteks siin on link Toulouse'i viimasele põllumajandusrobootika messile (https://www.fira-agtech.com/). Mõned ettevõtted, näiteks Naio Technologies, juba toodavad operatiivroboteid (https://www.naio-technologies.com/).

Võrdluseks, minu saavutus on väga tagasihoidlik, kuid võimaldab siiski huvist ja väljakutsetest mänguliselt aru saada. …. Ja siis see tõesti toimib! … Ja seetõttu saab seda kasutada maja ümber rohu lõikamiseks, säilitades samal ajal vaba aega…

Isegi kui ma ei kirjeldaks teostust viimastes üksikasjades, on minu antud märgid väärtuslikud selle jaoks, kes sooviks käivitada. Ärge kartke esitada küsimusi või teha ettepanekuid, mis võimaldab mul oma ettekande kõigi huvides lõpule viia.

Oleksin tõesti õnnelik, kui seda tüüpi projekt annaks palju noorematele inimestele insenerimaitse…. et olla valmis suureks rullimiseks, mis meid ees ootab …

Veelgi enam, seda tüüpi projekt sobiks suurepäraselt motiveeritud noorte rühmale klubis või fablabis, et harjutada projektirühmana töötamist koos mehaanika-, elektri-, tarkvaraarhitektidega, keda juhib süsteemiinsener, nagu tööstuses.

2. samm: PÕHISETTEVÕTTED

Eesmärk on toota töökorras niiduki prototüüp, mis on võimeline iseseisvalt muru niitma maastikul, millel võib olla olulisi ebakorrapärasusi (pigem niidud kui muru).

Põllu piiramine ei saa põhineda füüsilisel tõkkel või maetud juhttraadi piirangul nagu muruniitmisrobotite puhul. Niidetavad põllud on tõepoolest muutlikud ja suure pindalaga.

Lõikelaua puhul on eesmärgiks säilitada muru kasv teatud kõrgusel pärast esimest niitmist või muul viisil saadud harjamist.

3. samm: ÜLDINE ESITLUS

Süsteem koosneb mobiilsest robotist ja fikseeritud alusest.

Mobiilrobotilt leiame:

- Armatuurlaud

- Üldine juhtpaneel, sealhulgas mälukaart.

- manuaalne juhtkang

- GPS, mis on konfigureeritud kui "rover" ja RTK vastuvõtja

- 3 mootoriga ratast

- rataste rullmootorid

- lõikelatt, mis koosneb 4 pöörlevast kettast, millest igaüks kannab perifeerias 3 lõiketera (lõikelaius 1 meeter)

- lõikelaua juhtimiskast

- patareid

Fikseeritud baasist leiame "baasiks" konfigureeritud GPS -i ja RTK paranduste saatja. Pange tähele, et antenn on paigutatud kõrgusele nii, et see kiirgaks mõnisada meetrit ümber maja.

Lisaks on GPS -antenn kogu taeva vaateväljas ilma hoonete või taimestiku varjatud.

Roveri režiime ja GPS -i baasi kirjeldatakse ja selgitatakse GPS -i osas.

4. samm: KASUTUSJUHISED (1/4)

Teen ettepaneku tutvuda robotiga selle kasutusjuhendi kaudu, mis näeb hästi välja kõik selle funktsioonid.

Armatuurlaua kirjeldus:

- Üldine lüliti

- Esimene 3-asendiline valija võimaldab valida töörežiime: käsitsi sõidurežiim, raja salvestusrežiim, niitmisrežiim

- Markerina kasutatakse surunuppu. Me näeme selle kasutamist.

- Failinumbri valimiseks 9-st kasutatakse kahte teist 3-positsioonilist valijat. Seetõttu on meil 9 niitmisfaili või sõiduregistrit 9 erineva välja jaoks.

- Lõikevarda juhtimiseks on ette nähtud 3-asendiline valija. OFF asend, ON asend, programmeeritud juhtimisasend.

- Kaherealine ekraan

- 3-asendiline valija 3 erineva kuva määramiseks

- LED, mis näitab GPS -i olekut. Led väljas, GPS puudub. LED -id vilguvad aeglaselt, GPS ilma RTK parandusteta. Kiirelt vilkuv LED, RTK parandused vastu võetud. LED -id põlevad, GPS -lukk on ülima täpsusega.

Lõpuks on juhtkangil kaks 3-asendilist valijat. Vasakpoolne juhib vasakut ratast, parempoolne juhib paremat ratast.

5. samm: KASUTUSJUHISED (2/4)

Käsitsi töörežiim (GPS pole vajalik)

Pärast selle režiimi sisselülitamist ja režiimivalijaga valimist juhitakse masinat juhtkangiga.

Kahel 3-asendilisel valikul on tagasivooluvedru, mis tagastab need alati keskmisesse asendisse, mis vastab rataste peatumisele.

Kui vasak ja parem hoob ettepoole lükatakse, pöörduvad kaks tagumist ratast ja masin läheb otse.

Kui tõmbate kaks hooba tagasi, läheb masin otse tagasi.

Kui hooba ettepoole lükatakse, pöörab masin ümber seisva ratta.

Kui üks hoob lükatakse ette ja teine tagasi, pöörleb masin enda ümber kohas, mis asub tagarattaid ühendava telje keskel.

Esiratta mootor reguleerub automaatselt vastavalt kahele tagarattale asetatud juhtnupule.

Lõpuks on käsitsi režiimis võimalik ka muru niita. Sel eesmärgil, pärast seda, kui oleme kontrollinud, et lõikeketaste läheduses pole kedagi, panime lõikamisvarda juhtkasti SISSE (turvalisuse tagamiseks "kõva" lüliti). Seejärel lülitatakse armatuurlaua lõikelüliti sisse. Praegu pöörlevad lõikelaua 4 ketast..

6. samm: KASUTUSJUHISED (3/4)

Raja salvestusrežiim (vajalik GPS)

- Enne jooksu salvestamise alustamist määratakse väljale suvaline võrdluspunkt ja tähistatakse see väikese panusega. See punkt on geograafilise raami koordinaatide päritolu (foto)

- Seejärel valime tänu armatuurlaua kahele valijale faili numbri, kuhu teekond salvestatakse.

- Sees on baas

- Kontrollige, kas GPS -i oleku LED hakkab kiiresti vilkuma.

- Väljuge käsitsi režiimist, asetades armatuurlaua režiimivalija salvestusasendisse.

- Seejärel viiakse masin käsitsi võrdluspunkti. Just GPS -antenn peab olema sellest maamärgist kõrgemal. See GPS -antenn asub kahe tagumise ratta vahel asetseva punkti kohal, mis on masina enda pöörlemiskoht.

- Oodake, kuni GPS -i oleku LED süttib nüüd vilkumata. See näitab, et GPS on oma maksimaalse täpsusega ("Fix" GPS).

- Algne 0.0 asend märgitakse armatuurlaua markerit vajutades.

- Seejärel liigume järgmise punkti juurde, mida soovime kaardistada. Niipea kui see on saavutatud, anname sellest märgi abil märku.

- Salvestamise lõpetamiseks lülitume tagasi käsitsi režiimi.

7. samm: KASUTUSJUHISED (4/4)

Niitmisrežiim (vajalik GPS)

Esiteks peate ette valmistama punktifaili, mille masin peab läbima, et niita kogu põld ilma lõikamata pinda jätmata. Selleks salvestame faili mälukaardile ja nendest koordinaatidest koostame näiteks Exceli abil punktide loendi nagu fotol. Iga saavutatava punkti puhul näitame, kas lõikelaud on SEES või VÄLJAS. Kuna just lõikelatt tarbib kõige rohkem energiat (50 kuni 100 vatti, olenevalt rohust), tuleb näiteks niidetud põllu ületamisel olla ettevaatlik niitmislüliti väljalülitamisel.

Niitmisplaadi genereerimisel pannakse mälukaart juhtkapi sahtlile tagasi.

Jääb vaid alus sisse panna ja minna niitmisväljale, otse võrdlusmaamärgi kohale. Seejärel lülitatakse režiimivalija asendisse "Niitma".

Sel hetkel ootab masin ise, kuni GPS RTK lukustus parameetris "Fix" nullib koordinaadid ja hakkab niitma.

Kui niitmine on lõpetatud, naaseb see üksi alguspunkti, täpsusega umbes kümme sentimeetrit.

Niitmise ajal liigub masin sirgjooneliselt punktifaili kahe järjestikuse punkti vahel. Lõikelaius on 1,1 meetrit Kuna masina laius rataste vahel on 1 meeter ja see võib ümber ratta pöörata (vt videot), on võimalik teha kõrvuti asetsevad niitmisribad. See on väga tõhus!

8. samm: MEHAANILINE OSA

Roboti struktuur

Robot on ehitatud alumiiniumtorude võrestiku ümber, mis annab sellele hea jäikuse. Selle mõõtmed on umbes 1,20 meetrit pikad, 1 meetrit laiad ja 80 cm kõrged.

Rattad

See saab liikuda tänu kolmele lapserattale läbimõõduga 20 tolli: kaks tagumist ratast ja esiratas, mis sarnaneb supermarketikärude rattaga (fotod 1 ja 2). Kahe tagaratta suhteline liikumine tagab selle orientatsiooni

Rullmootorid

Põllu ebakorrapärasuste tõttu on vaja suuri pöördemomendi suhteid ja seega suurt vähendamissuhet. Sel eesmärgil kasutasin rattale vajutamise põhimõtet, nagu solexil (fotod 3 ja 4). Suur vähendus võimaldab hoida masinat stabiilsena kallakul isegi siis, kui mootori võimsus on katkenud. Vastutasuks liigub masin aeglaselt (3 meetrit minutis), kuid ka rohi kasvab aeglaselt….

Mehaanilise disaini jaoks kasutasin joonistustarkvara Openscad (väga tõhus skriptitarkvara). Detailplaanide jaoks kasutasin paralleelselt joonistamist Openoffice'ist.

9. samm: RTK GPS (1/3)

Lihtne GPS

Lihtne GPS (foto 1), meie autos olev, on vaid mõne meetri täpsusega. Kui registreerime sellise GPS -i poolt näidatud asukoha, näiteks tund aega fikseerituna, jälgime mitme meetri kõikumisi. Need kõikumised on tingitud häiretest atmosfääris ja ionosfääris, aga ka satelliitide kellade ja GPS -i vigade tõttu. Seetõttu ei sobi see meie rakenduseks.

RTK GPS

Selle täpsuse parandamiseks kasutatakse vähem kui 10 km kaugusel kahte Gps -i (foto 2). Nendes tingimustes võime arvestada, et atmosfääri ja ionosfääri häired on igal GPS -il identsed. Seega ei ole kahe GPS -i asukoha erinevus enam häiritud (diferentsiaal). Kui kinnitame nüüd ühe GPS -i (aluse) ja asetame teise sõidukile (roverile), saame täpselt sõiduki liikumise baasilt ilma häireteta. Lisaks teostavad need GPS -id lennuaja mõõtmist palju täpsemalt kui lihtne GPS (faasimõõtmised kandjal).

Tänu nendele täiustustele saame ruuteri liikumise aluse suhtes sentimeetrise mõõtetäpsuse.

Just seda RTK (reaalajas kinemaatilist) süsteemi oleme valinud kasutada.

10. samm: RTK GPS (2/3)

Ostsin firmalt Navspark 2 RTK GPS -ahelat (foto 1).

Need vooluahelad on paigaldatud väikesele trükkplaadile, mis on varustatud 2,54 mm sammuga tihvtidega, mis seetõttu kinnitatakse otse testplaatidele.

Kuna projekt asub Prantsusmaa edelaosas, valisin ahelad, mis töötasid nii Ameerika GPS-satelliitide kui ka Vene Glonass-tähtkuju tähtkujudega.

Parima täpsuse saavutamiseks on oluline maksimaalne satelliitide arv. Minu puhul on mul praegu 10–16 satelliiti.

Peame ka ostma

- 2 USB -adapterit, mis on vajalikud GPS -ahela ühendamiseks arvutiga (testid ja konfiguratsioon)

- 2 GPS -antenni + 2 adapterkaablit

- paar 3DR saatja-vastuvõtjat, et baas saaks roverile oma parandused väljastada ja rover need vastu võtta.

11. samm: RTK GPS (3/3)

Navsparki saidilt leitud GPS -teade võimaldab ahelaid järk -järgult rakendada.

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

Navsparki veebisaidilt leiame ka

- tarkvara, mis tuleb installida oma Windowsi arvutisse GPS -väljundite ja programmeerimisahelate vaatamiseks baasis ja roveris.

- GPS -vormingu kirjeldus (NMEA fraasid)

Kõik need dokumendid on inglise keeles, kuid neist on suhteliselt lihtne aru saada. Esialgu toimub teostus ilma vähimagi elektroonilise vooluahelata tänu USB -adapteritele, mis pakuvad ka kõiki elektrilisi toiteallikaid.

Edenemine on järgmine:

- Üksikute ahelate testimine, mis toimivad lihtsa GPS -ina. Pilvede vaade sildadele näitab mõne meetri stabiilsust.

- Ühe ahela programmeerimine ROVERis ja teine BASE -s

- RTK -süsteemi ehitamine, ühendades kaks moodulit ühe juhtmega. Sildade pilvevaade näitab ROVER/BASE suhtelist stabiilsust paar sentimeetrit!

- BASE ja ROVER ühendusjuhtme asendamine 3DR transiiveritega. Ka siin võimaldab operatsioon RTK -s mõne sentimeetri stabiilsust. Kuid seekord pole BASE ja ROVER enam füüsilise lingiga ühendatud …

- Arvuti visualiseerimise asendamine Arduino plaadiga, mis on programmeeritud GPS -andmete vastuvõtmiseks jadasisendisse … (vt allpool)

12. samm: ELEKTRIOSA (1/2)

Elektriline juhtkast

Foto 1 näitab peamisi juhtpaneeli plaate, mida kirjeldatakse allpool.

GPS -i juhtmestik

Aluse ja niiduki GPS -juhtmestik on näidatud joonisel 2.

See kaabeldus saavutatakse loomulikult GPS -juhiste edenemist jälgides (vt GPS -i jaotis). Kõikidel juhtudel on olemas USB -adapter, mis võimaldab programmeerida ahelaid kas baasis või roveris tänu Navsparki pakutavale arvutitarkvarale. Tänu sellele programmile on meil ka kogu asukohateave, satelliitide arv jne …

Niiduki sektsioonis on GPS -i Tx1 tihvt ühendatud NMEA -fraaside vastuvõtmiseks ARDUINO MEGA -plaadi 19 (Rx1) jadasisendiga.

Aluses saadetakse GPS -i Tx1 tihvt paranduste saatmiseks 3DR -raadio Rx -pessa. Niidukis saadetakse 3DR -raadio poolt vastuvõetud parandused GPS -ahela tihvtile Rx2.

Tuleb märkida, et need parandused ja nende haldamine on täielikult tagatud GPS RTK ahelatega. Seega saab Aduino MEGA plaat ainult korrigeeritud positsiooni väärtusi.

13. samm: ELEKTRIOSA (2/2)

Arduino MEGA plaat ja selle kilbid

- MEGA arduino plaat

- tagarataste mootorite kilp

- esiratta mootorikilp

- Shield arte SD

Joonisel 1 on märgitud, et laudade vahele paigutati pistikühendused, nii et mootoriplaatides hajutatud soojus saaks õhku lasta. Lisaks võimaldavad need sisestused lõigata soovimatuid linke kaartide vahel, ilma et peaksite neid muutma.

Joonistel 2 ja 3 on näidatud, kuidas loetakse armatuurlaua inverterite ja juhtkangi positsioone.

14. samm: ARDUINO SÕIDUPROGRAMM

Mikrokontrolleri plaat on Arduino MEGA (UNO -l pole piisavalt mälu). Sõiduprogramm on väga lihtne ja klassikaline. Olen iga põhitoimingu jaoks välja töötanud funktsiooni (armatuurlaua lugemine, GPS -i andmete kogumine, LCD -ekraan, masina edasiliikumine või pöörlemise juhtimine jne …). Neid funktsioone saab seejärel hõlpsasti kasutada põhiprogrammis. Masina aeglane kiirus (3 meetrit minutis) teeb asja palju lihtsamaks.

Lõikelatti ei halda aga see programm, vaid UNO juhatuse programm, mis asub konkreetses kastis.

Programmi SETUP osas leiame

- MEGA -plaadi kasulik pin -initsialiseerimine sisendites või väljundites;

- LCD -ekraani lähtestamine

- SD -mälukaardi lähtestamine

- edastuskiiruse lähtestamine riistvara jadaliideselt GPS -ile;

- edastuskiiruse initsialiseerimine jadaliideselt IDE -le;

- Mootorite ja lõikelaua väljalülitamine

Programmi LOOP osas leiame alguses

- armatuurlaud ja juhtkang, GPS, kompass ja kiirendusmõõtur;

- 3-juhtmeline valija, sõltuvalt armatuurlaua režiimivalija olekust (käsitsi, salvestamine, niitmine)

LOOP -tsüklit tähistab GPS -i asünkroonne lugemine, mis on kõige aeglasem samm. Nii läheme tagasi tsükli algusesse umbes iga 3 sekundi järel.

Tavalises režiimis möödaviigu korral juhitakse liikumisfunktsiooni vastavalt juhtkangile ja ekraani uuendatakse ligikaudu iga 3 sekundi järel (asukoht, GPS -i olek, kompassi suund, kalle …). Markeri BP vajutamine nullib asukoha koordinaadid, mida geograafilises maamärgis meetrites väljendatakse.

Salvestusrežiimi šundis salvestatakse kõik liikumise ajal mõõdetud positsioonid SD -kaardile (umbes 3 -sekundiline periood). Huvipunkti saavutamisel salvestatakse markeri vajutamine. SD -kaardil. Masina asukoht kuvatakse iga 3 sekundi järel meetrites geograafilises orientiiris, mille keskpunkt on lähtepunkt.

Niitmisrežiimi šunt: masin viidi eelnevalt võrdluspunktist kõrgemale. Režiimivalija lülitamisel "niitmisele" jälgib programm GPS -väljundeid ja eriti oleku lipu väärtust. Kui oleku lipp muutub "Fix", täidab programm positsiooni null. Esimene punkt, milleni jõuda, loetakse SD mälu niitmisfailist. Kui see punkt on saavutatud, tehakse masina pööre niitmisfailis näidatud viisil, kas ratta ümber või kahe ratta keskosa ümber.

Protsess kordub kuni viimase punkti saavutamiseni (tavaliselt lähtepunktini). Sel hetkel peatab programm masina ja lõikelaua.

15. samm: lõikelõik ja selle juhtimine

Lõikelaud koosneb 4 kettast, mis pöörlevad kiirusel 1200 p / min. Iga ketas on varustatud 3 lõiketeraga. Need kettad on paigutatud nii, et neist saaks 1,2 meetri laiuse pideva lõikelindi.

Voolu piiramiseks tuleb mootoreid juhtida

- käivitamisel ketaste inertsi tõttu

- lõikamise ajal, kuna rohi on ummistunud

Sel eesmärgil mõõdetakse iga mootori vooluahelas voolu väikese väärtusega mähitud takistite abil. UNO plaat on juhtmega ühendatud ja programmeeritud neid voolusid mõõtma ja mootoritele kohandatud PWM käsku saatma.

Seega suureneb käivitamisel kiirus järk-järgult 10 sekundi jooksul maksimaalse väärtuseni. Kui rohi ummistub, peatub mootor 10 sekundiks ja proovib 2 sekundit uuesti. Kui probleem püsib, algab 10-sekundiline puhke- ja 2-sekundiline taaskäivitustsükkel uuesti. Nendes tingimustes jääb mootori soojendamine isegi püsiva blokeerimise korral piiratuks.

Mootorid käivituvad või seiskuvad, kui UNO plaat saab pilootprogrammi signaali. Kuid kõva lüliti võimaldab teenindustegevuse tagamiseks toite usaldusväärselt välja lülitada

16. samm: MIDA TEHA? MILLISED PARANDUSED?

GPS tasemel

Taimestik (puud) võib piirata satelliitide arvu sõidukit silmas pidades ja vähendada täpsust või takistada RTK lukustumist. Seetõttu on meie huvides kasutada korraga võimalikult palju satelliite. Seetõttu oleks huvitav täiendada GPS ja Glonass tähtkujud Galileo tähtkujuga.

Peaks saama kasu saada rohkem kui 20 satelliidist maksimaalse 15 asemel, mis võimaldab taimestiku abil koorimisest lahti saada.

Arduino RTK kilbid hakkavad eksisteerima samaaegselt nende kolme tähtkujuga:

Lisaks on need kilbid väga kompaktsed (foto 1), kuna need sisaldavad nii GPS -ahelat kui ka transiiverit samal toel.

…. Kuid hind on palju kõrgem kui meie kasutatud ahelate hind

LIDARi kasutamine GPS -i täiendamiseks

Arboristikas juhtub kahjuks, et taimkate on väga oluline (näiteks sarapuuväli). Sel juhul ei pruugi isegi kolme tähtkuju korral olla RTK lukustamine võimalik.

Seetõttu on vaja kasutusele võtta andur, mis võimaldaks positsiooni säilitada ka GPS -i hetkelise puudumise korral.

Mulle tundub (mul pole seda kogemust olnud), et LIDARi kasutamine võiks seda funktsiooni täita. Puude tüvesid on sel juhul väga lihtne märgata ja neid saab kasutada roboti arengu jälgimiseks. GPS jätkaks oma funktsiooni rea lõpus, taimkatte väljapääsu juures.

Sobiva tüüpi LIDARi näide on järgmine (Foto2):

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