RTK GPS -aangedrewe maaier: 16 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

Hierdie robotmaaier kan ten volle outomaties gras sny op 'n voorafbepaalde baan. Danksy RTK GPS -begeleiding word die kursus weergegee met elke maai met 'n akkuraatheid van beter as 10 sentimeter.

Stap 1: INLEIDING

Ons sal hier 'n robotmaaier beskryf wat die gras heeltemal outomaties kan sny op 'n baan wat vooraf bepaal is. Danksy RTK GPS -begeleiding word die kursus by elke maai weergegee met 'n presisie van meer as 10 sentimeter (my ervaring). Die bediening is gebaseer op 'n Aduino Mega -kaart, aangevul met 'n paar skilde van motorbeheer, versnellingsmeters en kompas, sowel as 'n geheue kaart.

Dit is 'n nie-professionele prestasie, maar dit het my in staat gestel om die probleme in landbou-robotika te ondervind. Hierdie baie jong dissipline ontwikkel vinnig, aangespoor deur nuwe wetgewing oor die vermindering van onkruid en plaagdoders. Hier is byvoorbeeld 'n skakel na die nuutste landbou-robotika-beurs in Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Sommige ondernemings, soos Naio Technologies, vervaardig reeds operasionele robotte (https://www.naio-technologies.com/).

In vergelyking hiermee is my prestasie baie beskeie, maar dit maak dit tog moontlik om belangstelling en uitdagings op 'n speelse manier te verstaan. …. En dan werk dit regtig! … en kan dus gebruik word om gras om sy huis te sny, terwyl sy vrye tyd behoue bly …

Selfs al beskryf ek nie die besef in die laaste besonderhede nie, is die aanduidings wat ek gee waardevol vir die een wat wil begin. Moenie huiwer om vrae te stel of voorstelle te maak nie, waarmee ek my voorlegging ten bate van almal kan voltooi.

Ek sal baie bly wees as hierdie tipe projek baie jonger mense 'n voorsmakie van ingenieurswese kan gee … om gereed te wees vir die groot ontploffing wat op ons wag …

Boonop sou hierdie tipe projek perfek geskik wees vir 'n groep gemotiveerde jongmense in 'n klub of fablab, om as 'n projekgroep te werk, saam met meganiese, elektriese, sagteware -argitekte onder leiding van 'n stelselingenieur, soos in die bedryf.

Stap 2: HOOFSPESIFIKASIES

Die doel is om 'n operasionele prototipe grassnyer te vervaardig wat gras op 'n terrein outonoom kan sny met beduidende onreëlmatighede (weide eerder as grasperke).

Die insluiting van die veld kan nie gebaseer wees op 'n fisiese versperring of 'n begrawe leidraadbeperking soos vir grasmaai -robotte nie. Die velde wat gesny moet word, is inderdaad veranderlik en groot.

Vir die snystaaf is die doel om die gras se groei op 'n sekere hoogte te behou na die eerste maai of borsel wat op 'n ander manier verkry is.

Stap 3: ALGEMENE AANBIEDING

Die stelsel bestaan uit 'n mobiele robot en 'n vaste basis.

Op die mobiele robot vind ons:

- Die paneelbord

- Die algemene beheerkas, insluitend 'n geheue kaart.

- die handmatige joystick

- Die GPS is gekonfigureer as 'n "rover" en die RTK -ontvanger

- 3 gemotoriseerde wiele

- Rolmotors van wiele

- die snystaaf bestaan uit 4 roterende skywe wat elk 3 snyblaaie aan die omtrek dra (snywydte van 1 meter)

- die snystaaf -bestuurskas

- die batterye

In die vaste basis vind ons die GPS wat as 'basis' gekonfigureer is, sowel as die sender van die RTK -regstellings. Ons let op dat die antenna in hoogte geplaas is om 'n paar honderd meter rondom die huis uit te straal.

Daarbenewens is die GPS -antenna in die gesig van die hele lug sonder om te besweer deur geboue of plantegroei.

Die Rover -modusse en die GPS -basis sal in die GPS -afdeling beskryf en verduidelik word.

Stap 4: GEBRUIKSAANWYSINGS (1/4)

Ek stel voor om kennis te maak met die robot deur middel van die handleiding wat al sy funksies goed laat verskyn.

Beskrywing van die paneelbord:

- 'n Algemene skakelaar

- Met 'n eerste 3-posisie-kieser kan u die bedryfsmetodes kies: handmatige reis, spooropname, snymodus

- 'n Drukknoppie word as 'n merker gebruik. Ons sal die gebruike daarvan sien.

- Twee ander kiesers met drie posisies word gebruik om 'n lêernommer uit 9. Ons kies dus 9 maai lêers of reisrekords vir 9 verskillende velde.

- 'n Keuse met 3 posisies is toegewy aan die beheer van die snystaaf. AF -posisie, AAN -posisie, geprogrammeerde bedieningsposisie.

- Twee reëls vertoon

- 'n keuselys met drie posisies om drie verskillende skerms te definieer

- 'n LED wat die status van die GPS aandui. Led af, geen GPS nie. LED's flits stadig, GPS sonder RTK -regstellings. Vinnig flikkerende LED, RTK -regstellings ontvang. LED's aangesteek, GPS -slot met die hoogste akkuraatheid.

Uiteindelik het die joystick twee keurders met drie posisies. Die linkerkant beheer die linkerwiel, die regterkant die regterwiel.

Stap 5: GEBRUIKSAANWYSINGS (2/4)

Handbedieningsmodus (GPS nie nodig nie)

Nadat u hierdie modus met die moduskeuse aangeskakel en gekies het, word die masjien met die joystick bestuur.

Die twee kiesers met drie posisies het 'n terugkeerveer wat hulle altyd terugbring na die middelste posisie, wat ooreenstem met die stop van die wiele.

As die linker en regter hefbome vorentoe gestoot word, draai die twee agterwiele en die masjien gaan reguit.

As u die twee hefbome terugtrek, gaan die masjien reguit terug.

As 'n hefboom vorentoe gestoot word, draai die masjien om die stilstaande wiel.

As die een hefboom vorentoe en die ander agtertoe gestoot word, draai die masjien om homself op 'n punt in die middel van die as wat by die agterwiele aansluit.

Die motorisering van die voorwiel pas outomaties aan volgens die twee bedieningselemente op die twee agterwiele.

Ten slotte, in die handmatige modus, is dit ook moontlik om gras te sny. Vir hierdie doel, nadat ons seker gemaak het dat niemand naby die snyskyfies is nie, plaas ons die bestuurskas van die snystaaf ('harde' skakelaar vir veiligheid). Die keuselys van die instrumentpaneel word dan op AAN geplaas. Op die oomblik draai die 4 skywe van die snystaaf..

Stap 6: GEBRUIKSAANWYSINGS (3/4)

Volg opnamemodus (GPS benodig)

- Voordat 'n lopie begin word, word 'n arbitrêre verwysingspunt vir die veld gedefinieer en gemerk met 'n klein aandeel. Hierdie punt is die oorsprong van die koördinate in die geografiese raam (foto)

- Danksy die twee keurders op die paneelbord kies ons dan die lêernommer waarin die reis aangeteken sal word.

- AAN basis is ingestel

- Kyk of die GPS -status -LED vinnig begin flikker.

- Verlaat die handmatige modus deur die keuselys van die instrumentpaneel in die opnameposisie te plaas.

- Die masjien word dan met die hand na die verwysingspuntposisie verskuif. Dit is presies die GPS -antenna wat bo hierdie baken moet wees. Hierdie GPS -antenna is geleë bo die punt wat tussen die twee agterwiele gesentreer is, en dit is die draaipunt van die masjien op sigself.

- Wag totdat die GPS -status -LED nou brand sonder om te flikker. Dit dui aan dat die GPS sy maksimum akkuraatheid ("Fix" GPS) het.

- Die oorspronklike 0.0 -posisie word gemerk deur op die dashboardmerker te druk.

- Ons gaan dan na die volgende punt wat ons wil karteer. Sodra dit bereik is, gee ons 'n teken met die merker.

- Om die opname te beëindig, skakel ons terug na die handmatige modus.

Stap 7: GEBRUIKSAANWYSINGS (4/4)

Maaimodus (GPS benodig)

Eerstens moet u die puntelêer wat die masjien moet deurmaak, voorberei om die hele veld te sny sonder om 'n ongesnyde oppervlak te laat. Om dit te kan doen, word die lêer op die geheuekaart gestoor, en uit hierdie koördinate, met behulp van byvoorbeeld Excel, maak ons 'n lys punte soos op die foto. Vir elk van die punte wat bereik moet word, dui ons aan of die snystaaf AAN of UIT is. Aangesien dit die snystaaf is wat die meeste krag verbruik (van 50 tot 100 watt, afhangende van die gras), moet u versigtig wees om die snystaaf af te sit wanneer u byvoorbeeld 'n reeds gesnyde veld kruis.

Terwyl die maaibord gegenereer word, word die geheue kaart in die bedieningslaai op sy skild teruggesit.

Al wat dan oorbly, is om die basis aan te sit en na die maaiveld, net bokant die verwysingsmerk, te gaan. Die moduskeuse word dan op "Maai" gestel.

Op hierdie punt wag die masjien self op die GPS RTK -slot in "Fix" om die koördinate te nul en te begin maai.

As die maai klaar is, sal dit alleen terugkeer na die beginpunt, met 'n akkuraatheid van ongeveer tien sentimeter.

Tydens maai beweeg die masjien in 'n reguit lyn tussen twee opeenvolgende punte van die puntlêer. Die snywydte is 1,1 meter Aangesien die masjien 'n breedte tussen wiele van 1 meter het en om 'n wiel kan draai (sien video), is dit moontlik om aangrensende snystroke te maak. Dit is baie effektief!

Stap 8: MEGANIESE DEEL

Die struktuur van die robot

Die robot is gebou rondom 'n roosterstruktuur van aluminiumbuise, wat dit goeie styfheid gee. Die afmetings is ongeveer 1,20 meter lank, 1 meter breed en 80 cm hoog.

Die wiele

Dit kan beweeg danksy 3 kinderfietswiele met 'n deursnee van 20 duim: Twee agterwiele en 'n voorwiel soortgelyk aan die wiel van supermarkkarre (foto's 1 en 2). Die relatiewe beweging van die twee agterwiele verseker sy oriëntasie

Die rolmotors

As gevolg van die onreëlmatighede in die veld, is dit nodig om groot wringkragverhoudings en dus 'n groot verminderingsverhouding te hê. Vir hierdie doel het ek die beginsel van rolpers op die wiel gebruik, soos op 'n solex (foto's 3 en 4). Die groot vermindering maak dit moontlik om die masjien stabiel in 'n helling te hou, selfs as die enjinkrag verminder word. In ruil daarvoor vorder die masjien stadig (3 meter/ minuut) … maar die gras groei ook stadig ….

Vir die meganiese ontwerp gebruik ek die tekenprogrammatuur Openscad (baie doeltreffende scriptprogrammatuur). Parallel vir die detailplanne gebruik ek Drawing from Openoffice.

Stap 9: RTK GPS (1/3)

Eenvoudige GPS

Die eenvoudige GPS (foto 1), die een in ons motor, het 'n akkuraatheid van slegs 'n paar meter. As ons byvoorbeeld die posisie wat deur so 'n GPS aangedui word, opneem, byvoorbeeld, sal ons skommelinge van etlike meters waarneem. Hierdie skommelinge is te wyte aan steurnisse in die atmosfeer en ionosfeer, maar ook aan foute in die satelliete se horlosies en foute in die GPS self. Dit is dus nie geskik vir ons toepassing nie.

RTK GPS

Om hierdie akkuraatheid te verbeter, word twee GPS's op 'n afstand van minder as 10 km gebruik (foto 2). Onder hierdie omstandighede kan ons in ag neem dat die versteurings van die atmosfeer en die ionosfeer op elke GPS identies is. Die posisieverskil tussen die twee GPS word dus nie meer versteur nie (differensiaal). As ons nou een van die GPS (die basis) aanbring en die ander op 'n voertuig (die rover) plaas, kry ons presies die beweging van die voertuig sonder versteurings van die basis af. Boonop voer hierdie GPS 'n vlugmetingstyd uit wat baie meer presies is as die eenvoudige GPS (fasemetings op die draer).

Danksy hierdie verbeterings kry ons 'n sentimetriese akkuraatheid van die meting vir die beweging van die rover ten opsigte van die basis.

Dit is hierdie RTK (Real Time Kinematic) stelsel wat ons gekies het om te gebruik.

Stap 10: RTK GPS (2/3)

Ek het 2 RTK GPS -stroombane (foto 1) van die onderneming Navspark gekoop.

Hierdie stroombane is gemonteer op 'n klein PCB wat toegerus is met penne van 2,54 mm, wat dus direk op die toetsplate gemonteer word.

Aangesien die projek in die suidweste van Frankryk geleë is, het ek stroombane gekies wat werk met die sterrebeelde van Amerikaanse GPS-satelliete sowel as die Russiese sterrebeeld Glonass.

Dit is belangrik om die maksimum aantal satelliete te hê om voordeel te trek uit die beste akkuraatheid. In my geval het ek tans tussen 10 en 16 satelliete.

Ons moet ook koop

- 2 USB -adapters, nodig om die GPS -kring aan 'n rekenaar te koppel (toetse en opset)

- 2 GPS -antennas + 2 adapterkabels

- 'n paar 3DR-sender-ontvangers sodat die basis die korreksies daarvan aan die rover kan uitreik en die rover dit kan ontvang.

Stap 11: RTK GPS (3/3)

Met die GPS -kennisgewing op die Navspark -webwerf kan die stroombane geleidelik geïmplementeer word.

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

Op die Navspark -webwerf vind ons ook

- die sagteware wat op sy Windows -rekenaar geïnstalleer moet word om GPS -uitsette en programbane in die basis en rover te sien.

- 'n Beskrywing van die GPS -dataformaat (NMEA -frases)

Al hierdie dokumente is in Engels, maar is relatief maklik om te verstaan. Aanvanklik geskied die implementering sonder die geringste elektroniese stroombaan danksy die USB -adapters wat ook alle elektriese kragtoevoer verskaf.

Die vordering is soos volg:

- Toets individuele stroombane wat as eenvoudige GPS funksioneer. Wolk -aansig van brûe toon stabiliteit van 'n paar meter.

- Die programmering van een kring in ROVER en die ander in BASE

- Bou 'n RTK -stelsel deur die twee modules met 'n enkele draad te verbind. Die wolk -aansig van brûe toon 'n relatiewe stabiliteit van ROVER/BASE van 'n paar sentimeter!

- Vervanging van die BASE- en ROVER -aansluitdraad deur die 3DR -ontvangers. Ook hier laat die werking in RTK 'n stabiliteit van 'n paar sentimeter toe. Maar hierdie keer is BASE en ROVER nie meer verbind deur 'n fisiese skakel nie ….

- Vervanging van rekenaarvisualisering deur 'n Arduino -bord wat geprogrammeer is om GPS -data op 'n seriële invoer te ontvang … (sien hieronder)

Stap 12: ELEKTRIESE DEEL (1/2)

Die elektriese beheer boks

Foto 1 toon die hoofborde wat hieronder beskryf word.

Bedrading van die GPS

Die basis- en grassnyer -GPS -bedrading word in figuur 2 getoon.

Hierdie kabels word natuurlik verkry deur die vordering van die GPS -instruksies te volg (sien GPS -afdeling). In alle gevalle is daar 'n USB -adapter waarmee u die stroombane in die basis of in die rover kan programmeer danksy die rekenaarprogrammatuur wat deur Navspark verskaf word. Danksy hierdie program het ons ook al die posisies, aantal satelliete, ens.

In die maaiergedeelte is die Tx1 -pen van die GPS gekoppel aan die 19 (Rx1) seriële invoer van die ARDUINO MEGA -bord om die NMEA -frases te ontvang.

In die basis word die Tx1 -pen van die GPS na die Rx -pen van die 3DR -radio gestuur om die regstellings te stuur. In die maaier word die regstellings wat die 3DR -radio ontvang, na die pen Rx2 van die GPS -kring gestuur.

Daar word opgemerk dat hierdie regstellings en die bestuur daarvan ten volle verseker word deur die GPS RTK -stroombane. Die Aduino MEGA -bord ontvang dus slegs gekorrigeerde posisieswaardes.

Stap 13: ELEKTRIESE DEEL (2/2)

Die Arduino MEGA -bord en sy skilde

- MEGA arduino bord

- Agterwielmotors beskerm

- Voorwiel motor skild

- Skild art SD

In figuur 1 word opgemerk dat insteekverbindings tussen die borde geplaas is sodat die hitte wat in die enjinkaarte verdwyn, kan ontluik. Boonop kan u met hierdie insetsels ongewenste skakels tussen die kaarte sny sonder om dit aan te pas.

Figuur 2 en figuur 3 wys hoe die posisies van die instrumentpaneelomvormers en die joystick gelees word.

Stap 14: DIE ARDUINO -RYPROGRAM

Die mikrokontrollerbord is 'n Arduino MEGA (UNO het nie genoeg geheue nie). Die bestuursprogram is baie eenvoudig en klassiek. Ek het 'n funksie ontwikkel vir elke basiese operasie wat uitgevoer moet word (paneelbordlesing, GPS -data -verkryging, LCD -skerm, masjienvooruitgang of rotasiebeheer, ens.). Hierdie funksies word dan maklik in die hoofprogram gebruik. Die stadige snelheid van die masjien (3 meter/ minuut) maak dinge baie makliker.

Die snystaaf word egter nie deur hierdie program bestuur nie, maar deur die program van die UNO -bord wat in die spesifieke boks geleë is.

In die SETUP -deel van die program vind ons

- Nuttige peninisialisering van die MEGA -bord in insette of uitsette;

- Initialisering van LCD -skerms

- Initialisering van SD -geheue kaart

- Initialisering van die oordragspoed van die hardeware -seriële koppelvlak na die GPS;

- Initialisering van die oordragspoed van die seriële koppelvlak na die IDE;

- Enjins en snystaaf afskakel

In die LOOP -deel van die program vind ons aan die begin

- Instrumentpaneel en joystick, GPS, kompas en versnellingsmeterlesings;

- 'n 3-lood-selector, afhangende van die status van die instrumentpaneel-keuseknop (handmatig, opname, maai)

Die LOOP -lus word gekenmerk deur die asynchrone lesing van die GPS, wat die stadigste stap is. Ons gaan dus ongeveer elke 3 sekondes terug na die begin van die lus.

In die bypass van die normale modus word die bewegingsfunksie volgens die joystick beheer en word die skerm ongeveer elke 3 sekondes bygewerk (posisie, GPS -status, kompasrigting, kanteling …). Deur op die merker BP te druk, word die posisieskoördinate wat in meter in die geografiese landmerk uitgedruk word, nul.

In die stoormodus -shunt word alle posisies wat tydens die skuif gemeet is, op die SD -kaart aangeteken (tydperk van ongeveer 3 sekondes). As 'n interessante punt bereik word, word die druk op die merker gestoor. op die SD -kaart. Die posisie van die masjien word elke 3 sekondes in meter vertoon in die geografiese landmerk wat op die oorsprongspunt gesentreer is.

In die maaimodus shunt: Die masjien is voorheen bo die verwysingspunt geskuif. As die moduskeuse na "maai" oorgeskakel word, let die program op die GPS -uitsette en veral die waarde van die statusvlag. As die statusvlag verander na "Fix", voer die program die posisie nul uit. Die eerste punt wat bereik moet word, word dan gelees in die maai lêer van die SD geheue. As hierdie punt bereik word, word die masjien omgedraai, soos aangedui in die maai lêer, óf om 'n wiel, óf om die middel van die twee wiele.

Die proses herhaal homself totdat die laaste punt bereik is (gewoonlik die beginpunt). Op hierdie punt stop die program die masjien en die snystaaf.

Stap 15: DIE SNYBAR EN SY BESTUUR

Die snystaaf bestaan uit 4 skywe wat met 'n snelheid van 1200 rpm draai. Elke skyf is toegerus met 3 sny lemme. Hierdie skywe is so gerangskik dat dit 'n deurlopende snyband van 1,2 meter breed maak.

Enjins moet beheer word om stroom te beperk

- tydens die aanvang, as gevolg van die traagheid van die skywe

- tydens sny, as gevolg van verstoppings wat veroorsaak word deur te veel gras

Vir hierdie doel word die stroom in die stroombaan van elke motor gemeet aan lae waarde-opgerolde weerstande. Die UNO -bord is bedraad en geprogrammeer om hierdie strome te meet en stuur 'n PWM -opdrag wat aangepas is vir die motors.

By die aanvang neem die snelheid dus binne 10 sekondes geleidelik toe tot die maksimum waarde daarvan. In die geval van verstopping deur die gras, stop die enjin vir 10 sekondes en probeer weer vir 2 sekondes. As die probleem voortduur, begin die rustyd van 10 sekondes en die herlaai van 2 sekondes weer. Onder hierdie omstandighede bly die motorverhitting beperk, selfs in die geval van permanente blokkering.

Die enjins begin of stop wanneer die UNO -bord die sein van die loodsprogram ontvang. Met 'n harde skakelaar kan die krag egter betroubaar afgeskakel word om diensbedrywighede te beveilig

Stap 16: WAT MOET GEDOEN WORD? WATTER VERBETERINGS?

Op GPS -vlak

Plantegroei (bome) kan die aantal satelliete in die lig van die voertuig beperk en die akkuraatheid verminder of RTK -sluiting voorkom. Dit is dus in ons belang om soveel satelliete moontlik op dieselfde tyd te gebruik. Dit sou dus interessant wees om die GPS- en Glonass -sterrebeelde met die Galileo -sterrebeeld te voltooi.

Dit behoort moontlik te wees om voordeel te trek uit meer as 20 satelliete in plaas van 'n maksimum van 15, wat dit moontlik maak om van plantegroei ontslae te raak.

Arduino RTK-skilde begin gelyktydig werk met hierdie drie sterrebeelde:

Boonop is hierdie skilde baie kompak (fot 1) omdat dit beide die GPS -kring en die ontvanger op dieselfde ondersteuning bevat.

…. Maar die prys is baie hoër as dié van die kringe wat ons gebruik het

Gebruik 'n LIDAR om die GPS aan te vul

Ongelukkig gebeur dit in die boombou dat die plantegroei baie belangrik is (byvoorbeeld haselveld). In hierdie geval is selfs met die drie sterrebeelde RTK -sluiting moontlik nie moontlik nie.

Dit is dus nodig om 'n sensor in te stel waarmee u die posisie kan behou, selfs as die GPS afwesig is.

Dit lyk vir my (ek het nie die ervaring nie) dat die gebruik van 'n LIDAR hierdie funksie kan vervul. Die stamme van die bome is in hierdie geval baie maklik om op te spoor en kan gebruik word om die vordering van die robot te sien. Die GPS hervat sy funksie aan die einde van die ry, by die uitgang van die plantegroei.

'N Voorbeeld van 'n geskikte tipe LIDAR is soos volg (Foto2):

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