Косачка с GPS задвижване RTK: 16 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Тази роботизирана косачка може да коси напълно автоматично по предварително определен курс. Благодарение на GPS насоките RTK курсът се възпроизвежда при всяко косене с прецизност по -добра от 10 сантиметра.

Стъпка 1: ВЪВЕДЕНИЕ

Тук ще опишем роботизирана косачка, която може да коси тревата напълно автоматично по предварително определен курс. Благодарение на GPS насоките RTK курсът се възпроизвежда при всяко косене с прецизност по -добра от 10 сантиметра (моят опит). Контролът се основава на карта Aduino Mega, допълнена от някои щитове за управление на двигателя, акселерометри и компас, както и карта с памет.

Това е непрофесионално постижение, но ми позволи да осъзная проблемите, срещани в селскостопанската роботика. Тази много млада дисциплина се развива бързо, подтикната от новото законодателство за намаляване на плевелите и пестицидите. Например, ето линк към най-новия панаир за селскостопанска роботика в Тулуза (https://www.fira-agtech.com/). Някои компании като Naio Technologies вече произвеждат оперативни роботи (https://www.naio-technologies.com/).

За сравнение моето постижение е много скромно, но въпреки това дава възможност да се разберат интересите и предизвикателствата по игрив начин. …. И тогава наистина работи! … и следователно може да се използва за косене на трева около къщата му, като същевременно се запазва свободното му време …

Дори и да не описвам реализацията в последните подробности, указанията, които давам, са ценни за този, който би искал да стартира. Не се колебайте да задавате въпроси или да правите предложения, което ще ми позволи да завърша презентацията си в полза на всички.

Бих бил наистина щастлив, ако този тип проект може да даде на много по -младите хора вкус към инженерството … за да сме готови за великата роботизация, която ни очаква …

Нещо повече, този тип проекти биха били идеално подходящи за група мотивирани млади хора в клуб или фаблат, които да практикуват работа като група по проекти, с механични, електрически, софтуерни архитекти, ръководени от системен инженер, както в индустрията.

Стъпка 2: ОСНОВНИ СПЕЦИФИКАЦИИ

Целта е да се произведе експлоатационен прототип косачка, способна да коси автономно трева върху терен, който може да има значителни неравности (ливади, а не тревни площи).

Задържането на полето не може да се основава на физическа бариера или ограничение на заровената направляваща тел, както при роботите за косене на тревни площи. Полетата за косене наистина са променливи и с голяма повърхност.

За режещата щанга целта е да се поддържа растежа на тревата на определена височина след първото косене или четкане, получено по друг начин.

Стъпка 3: ОБЩО ПРЕДСТАВЯНЕ

Системата се състои от мобилен робот и неподвижна база.

На мобилния робот откриваме:

- Таблото за управление

- Общата контролна кутия, включваща карта с памет.

- ръчния джойстик

- GPS, конфигуриран като "роувър" и RTK приемник

- 3 моторизирани колела

- Ролкови двигатели на колела

- режещата щанга, състояща се от 4 въртящи се диска, всеки от които носи 3 ножове по периферията (ширина на рязане 1 метър)

- кутията за управление на режещата щанга

- батериите

Във фиксираната база намираме GPS, конфигуриран като "база", както и предавател на корекциите на RTK. Отбелязваме, че антената е поставена на височина, така че да излъчва няколкостотин метра около къщата.

В допълнение, GPS антената е в полезрението на цялото небе без никакво затъмняване от сгради или растителност.

Режимите на Rover и GPS базата ще бъдат описани и обяснени в раздела GPS.

Стъпка 4: ИНСТРУКЦИИ ЗА РАБОТА (1/4)

Предлагам да се запознаем с робота чрез неговото ръководство, което прави добре да се появят всичките му функции.

Описание на таблото за управление:

- Общ превключвател

- Първият 3-позиционен селектор позволява да изберете режимите на работа: ръчен режим на движение, режим на запис на пистата, режим на косене

- Бутон се използва като маркер. Ще видим употребата му.

- Два други селектора с 3 позиции се използват за избор на номер на файл от 9. Следователно имаме 9 файла за косене или записи за пътуване за 9 различни полета.

- 3-позиционен селектор е предназначен за управление на режещата щанга. OFF позиция, ON позиция, програмирана контролна позиция.

- Двуредов дисплей

- 3-позиционен селектор за определяне на 3 различни дисплея

- светодиод, който показва състоянието на GPS. Светодиодите са изключени, няма GPS. Светодиодите мигат бавно, GPS без корекции на RTK. Бързо мигащ светодиод, получени корекции на RTK. Светодиоди свети, GPS заключване с най -висока точност.

И накрая, джойстикът има два 3-позиционни селектора. Лявото контролира лявото колело, дясното контролира дясното колело.

Стъпка 5: ИНСТРУКЦИИ ЗА РАБОТА (2/4)

Ръчен режим на работа (GPS не се изисква)

След включване и избор на този режим с селектора на режима, машината се управлява с джойстика.

Двата селектора с 3 позиции имат възвратна пружина, която винаги ги връща в средно положение, съответстващо на спирането на колелата.

Когато левият и десният лост са натиснати напред, двете задни колела се завъртат и машината върви направо.

Когато дръпнете двата лоста назад, машината се връща право назад.

Когато лостът се натисне напред, машината се завърта около неподвижното колело.

Когато единият лост е избутан напред, а другият назад, машината се завърта около себе си в точка в средата на оста, свързваща задните колела.

Моторизацията на предното колело автоматично се регулира според двете контроли, поставени на двете задни колела.

И накрая, в ръчен режим е възможно и косене на трева. За тази цел, след като проверихме дали никой не е в близост до режещите дискове, поставяме ВКЛ. Кутията за управление на режещата щанга („твърд“превключвател за сигурност). След това селекторът за изрязване на арматурното табло се поставя на ON. В този момент 4 -те диска на режещата щанга се въртят..

Стъпка 6: ИНСТРУКЦИИ ЗА РАБОТА (3/4)

Режим на запис на запис (необходим GPS)

- Преди да започнете да записвате пробег, произволна референтна точка за полето се определя и маркира с малък залог. Тази точка ще бъде началото на координатите в географската рамка (снимка)

- След това избираме номера на файла, в който ще бъде записано пътуването, благодарение на двата селектора на таблото за управление.

- ON базата е настроена

- Проверете дали светодиодът за състоянието на GPS започва да мига бързо.

- Излезте от ръчния режим, като поставите селектора на режима на арматурното табло в позиция за запис.

- След това машината се премества ръчно в позицията на референтната точка. Точно GPS антената трябва да е над тази забележителност. Тази GPS антена се намира над точката, центрирана между двете задни колела и която е точката на въртене на машината върху самата нея.

- Изчакайте, докато светодиодът за състоянието на GPS светне, без да мига. Това показва, че GPS е с максимална точност ("Fix" GPS).

- Първоначалната позиция 0.0 се маркира с натискане на маркера на таблото.

- След това преминаваме към следващата точка, която искаме да картографираме. Веднага щом бъде достигнат, ние го сигнализираме с помощта на маркера.

- За да прекратим записа, се връщаме обратно в ръчен режим.

Стъпка 7: ИНСТРУКЦИИ ЗА РАБОТА (4/4)

Режим на косене (необходим GPS)

Първо, трябва да подготвите файла с точки, през който машината трябва да премине, за да окосите цялото поле, без да оставяте необрязана повърхност. За целта получаваме файла, записан в картата с памет и от тези координати, използвайки например Excel, генерираме списък с точки, както на снимката. За всяка от точките, които трябва да се достигнат, ние посочваме дали лентата за рязане е ВКЛЮЧЕНА или ИЗКЛЮЧЕНА. Тъй като именно режещата щанга консумира най -много енергия (от 50 до 100 вата в зависимост от тревата), е необходимо да внимавате да изключите режещата щанга, когато например пресичате вече окосено поле.

Когато се генерира косачката, картата с памет се поставя обратно на щита си в чекмеджето за управление.

След това остава само да поставите НА основата и да отидете в полето за косене, точно над ориентира. След това селекторът за режим е настроен на "Косене".

В този момент машината сама ще изчака заключването на GPS RTK във „Fix“, за да нулира координатите и да започне да коси.

Когато косенето приключи, той ще се върне сам до началната точка, с точност от около десет сантиметра.

По време на косене машината се движи по права линия между две последователни точки на пилата за точки. Ширината на рязане е 1,1 метра Тъй като машината има ширина между колелата от 1 метър и може да се върти около колело (вижте видеото), е възможно да се направят съседни ленти за косене. Това е много ефективно!

Стъпка 8: МЕХАНИЧНА ЧАСТ

Структурата на робота

Роботът е изграден около решетъчна конструкция от алуминиеви тръби, което му придава добра твърдост. Размерите му са около 1,20 метра дължина, 1 метър ширина и 80 см височина.

Колелата

Той може да се движи благодарение на 3 детски колела за велосипеди с диаметър 20 инча: Две задни колела и предно колело, подобно на колелото на количките на супермаркетите (снимки 1 и 2). Относителното движение на двете задни колела осигурява неговата ориентация

Ролковите двигатели

Поради неравностите в полето е необходимо да има големи съотношения на въртящ момент и следователно голям коефициент на намаляване. За тази цел използвах принципа на натискане на ролка върху колелото, както на солекс (снимки 3 и 4). Голямото намаляване позволява да се поддържа машината стабилна в наклон, дори когато мощността на двигателя е намалена. В замяна машината напредва бавно (3 метра/ минута) … но и тревата расте бавно ….

За механичния дизайн използвах софтуера за рисуване Openscad (много ефективен скриптов софтуер). Паралелно за подробните планове използвах Drawing from Openoffice.

Стъпка 9: RTK GPS (1/3)

Прост GPS

Простият GPS (снимка 1), този в нашата кола има точност само на няколко метра. Ако запишем позицията, посочена от такъв GPS, поддържан фиксиран за един час, например, ще наблюдаваме колебания от няколко метра. Тези колебания се дължат на смущения в атмосферата и йоносферата, но също така и на грешки в часовниците на спътниците и грешки в самия GPS. Следователно той не е подходящ за нашето приложение.

RTK GPS

За да се подобри тази точност, се използват два Gps на разстояние по -малко от 10 км (снимка 2). При тези условия можем да считаме, че смущенията в атмосферата и йоносферата са идентични за всеки GPS. По този начин разликата в позицията между двата GPS вече не се нарушава (диференциал). Ако сега прикачим един от GPS (основата) и поставим другия върху превозно средство (роувъра), ще получим точно движението на превозното средство от основата без смущения. Освен това тези GPS извършват време за измерване на полета много по -прецизно от обикновения GPS (фазови измервания на носителя).

Благодарение на тези подобрения ще получим сантиметрична точност на измерване за движението на марсохода спрямо основата.

Именно тази RTK (Real Time Kinematic) система сме избрали да използваме.

Стъпка 10: RTK GPS (2/3)

Купих 2 RTK GPS вериги (снимка 1) от компанията Navspark.

Тези вериги са монтирани на малка печатна платка, снабдена с щифтове с наклон 2,54 мм, които следователно се монтират директно върху тестовите плочи.

Тъй като проектът се намира в югозападната част на Франция, аз избрах схеми, работещи със съзвездията на американски GPS спътници, както и с руското съзвездие Глонас.

Важно е да имате максимален брой сателити, за да се възползвате от най -добрата точност. В моя случай в момента имам между 10 и 16 спътника.

Ние също трябва да купуваме

- 2 USB адаптера, необходими за свързване на GPS веригата към компютър (тестове и конфигурация)

- 2 GPS антени + 2 адаптерни кабела

- двойка 3DR предаватели-приемници, така че базата да може да издаде своите корекции на марсохода и роувърът да ги получи.

Стъпка 11: RTK GPS (3/3)

GPS съобщението, намерено на сайта на Navspark, позволява схемите да бъдат внедрени постепенно.

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

На уебсайта на Navspark също ще намерим

- софтуерът, който трябва да бъде инсталиран на неговия компютър с Windows за преглед на GPS изходи и програмни вериги в базата и ровъра.

- Описание на формата на GPS данни (NMEA фрази)

Всички тези документи са на английски език, но са сравнително лесни за разбиране. Първоначално внедряването се извършва без най -малката електронна схема благодарение на USB адаптерите, които осигуряват и всички електрически захранвания.

Прогресията е следната:

- Тестване на отделни вериги, които функционират като обикновен GPS. Облачният изглед на мостове показва стабилност от няколко метра.

- Програмиране на една верига в ROVER, а другата в BASE

- Изграждане на RTK система чрез свързване на двата модула с един проводник. Облачният изглед на мостове показва относителна стабилност на ROVER/BASE от няколко сантиметра!

- Подмяна на свързващия проводник BASE и ROVER от приемо -предавателите 3DR. Тук отново операцията в RTK позволява стабилност от няколко сантиметра. Но този път BASE и ROVER вече не са свързани чрез физическа връзка … …

- Замяна на визуализацията на компютър с дъска Arduino, програмирана да получава GPS данни на сериен вход … (виж по -долу)

Стъпка 12: ЕЛЕКТРИЧЕСКА ЧАСТ (1/2)

Електрическата кутия за управление

Снимка 1 показва основните платки на контролните кутии, които ще бъдат подробно описани по -долу.

Окабеляване на GPS

GPS окабеляването на основата и косачката е показано на фигура 2.

Това окабеляване естествено се постига чрез проследяване на напредъка на GPS инструкциите (вижте раздел GPS). Във всички случаи има USB адаптер, който ви позволява да програмирате схемите или в база, или в роувър, благодарение на компютърния софтуер, предоставен от Navspark. Благодарение на тази програма имаме и цялата информация за позицията, броя на спътниците и т.н.

В секцията за косачка Tx1 щифтът на GPS е свързан към 19 (Rx1) сериен вход на дъската ARDUINO MEGA за приемане на NMEA фрази.

В основата Tx1 щифтът на GPS се изпраща до Rx пина на 3DR радиото за изпращане на корекциите. В косачката корекциите, получени от 3DR радиото, се изпращат към щифта Rx2 на GPS веригата.

Отбелязва се, че тези корекции и тяхното управление се осигуряват изцяло от веригите GPS RTK. По този начин дъската на Aduino MEGA получава само коригирани стойности на позицията.

Стъпка 13: ЕЛЕКТРИЧЕСКА ЧАСТ (2/2)

Платката Arduino MEGA и нейните щитове

- дъска MEGA arduino

- Щит на двигателите на задните колела

- Щит на двигателя на предните колела

- Щит arte SD

На фигура 1 е отбелязано, че щепселните съединители са поставени между платките, така че топлината, която се разсейва в таблата на двигателя, да може да се изпуска. В допълнение, тези вложки ви позволяват да изрежете нежелани връзки между картите, без да се налага да ги променяте.

Фигура 2 и Фигура 3 показват как се четат позициите на инверторите на арматурното табло и джойстика.

Стъпка 14: ПРОГРАМА ЗА ШОФИРАНЕ НА ARDUINO

Платката на микроконтролера е Arduino MEGA (UNO няма достатъчно памет). Програмата за шофиране е много проста и класическа. Разработих функция за всяка основна операция, която трябва да се извърши (четене на таблото, GPS събиране на данни, LCD дисплей, управление на машината напред или въртене и т.н. …). След това тези функции лесно се използват в основната програма. Бавната скорост на машината (3 метра/ минута) прави нещата много по -лесни.

Режещата лента обаче не се управлява от тази програма, а от програмата на таблото UNO, която се намира в конкретното поле.

В частта SETUP на програмата намираме

- Полезни инициализации на щифтове на MEGA платката във входове или изходи;

- Инициализация на LCD дисплея

- Инициализация на SD карта с памет

- Инициализиране на скоростта на трансфер от хардуерния сериен интерфейс към GPS;

- Инициализиране на скоростта на прехвърляне от серийния интерфейс към IDE;

- Изключване на двигатели и рязане

В частта LOOP на програмата намираме в началото

- Показания на инструменталния панел и джойстика, GPS, компас и акселерометър;

- 3-проводен селектор, в зависимост от състоянието на селектора на режима на арматурното табло (ръчно, запис, косене)

Цикълът LOOP се прекъсва от асинхронното отчитане на GPS, което е най -бавната стъпка. Така че се връщаме към началото на цикъла на всеки 3 секунди.

В байпас в нормален режим функцията за движение се управлява според джойстика и дисплеят се актуализира приблизително на всеки 3 секунди (позиция, GPS статус, посока на компаса, наклон …). Натискането на маркера BP нулира координатите на позицията, които ще бъдат изразени в метри в географската забележителност.

В режима за запаметяване всички позиции, измерени по време на движение, се записват на SD картата (период от около 3 секунди). Когато се достигне интересна точка, натискането на маркера се запазва. в SD картата. Положението на машината се показва на всеки 3 секунди, в метри в географската забележителност, центрирана върху точката на произход.

В режим на косене шунт: Машината преди това беше преместена над референтната точка. Когато превключвате селектора на режим на „косене“, програмата наблюдава GPS изходите и по -специално стойността на флага на състоянието. Когато флагът на състоянието се промени на "Fix", програмата изпълнява нулева позиция. След това първата точка за достигане се чете във файла за косене на SD паметта. Когато се достигне тази точка, завъртането на машината се извършва, както е посочено във файла за косене, или около колело, или около центъра на двете колела.

Процесът се повтаря, докато се достигне последната точка (обикновено началната точка). В този момент програмата спира машината и режещата щанга.

Стъпка 15: РЕЗЕЩАТА ЛЕНТА И НЕГОТО УПРАВЛЕНИЕ

Режещата щанга се състои от 4 диска, въртящи се със скорост 1200 об / мин. Всеки диск е оборудван с 3 ножа за рязане. Тези дискове са подредени така, че да правят непрекъсната лента за рязане с ширина 1,2 метра.

Двигателите трябва да се контролират, за да се ограничи токът

- при стартиране, поради инерцията на дисковете

- по време на косене поради запушвания, причинени от твърде много трева

За тази цел токът във веригата на всеки двигател се измерва с резистори с ниска стойност. Таблото UNO е свързано и програмирано за измерване на тези токове и изпращане на PWM команда, адаптирана към двигателите.

Така при стартиране скоростта постепенно се увеличава до максималната си стойност за 10 секунди. В случай на запушване от трева, двигателят спира за 10 секунди и се опитва отново за 2 секунди. Ако проблемът продължава, 10-секундният цикъл на почивка и 2-секунден рестарт започва отново. При тези условия загряването на двигателя остава ограничено, дори в случай на трайно блокиране.

Двигателите стартират или спират, когато таблото UNO получи сигнала от пилотната програма. Твърдият превключвател обаче позволява надеждно изключване на захранването, за да се осигурят сервизни операции

Стъпка 16: КАКВО ТРЯБВА ДА НАПРАВИТЕ? КАКВИ ПОДОБРЕНИЯ?

На ниво GPS

Растителността (дървета) може да ограничи броя на спътниците с оглед на превозното средство и да намали точността или да предотврати заключването на RTK. Следователно в наш интерес е да използваме възможно най -много спътници едновременно. Следователно би било интересно да се допълнят съзвездията GPS и Glonass със съзвездието Галилео.

Трябва да е възможно да се възползвате от повече от 20 спътника вместо максимум 15, което дава възможност да се отървете от обезмасляването чрез растителност.

Щитовете на Arduino RTK започват да съществуват едновременно с тези 3 съзвездия:

Освен това, тези щитове са много компактни (фото 1), тъй като включват както GPS веригата, така и трансивъра на една и съща опора.

…. Но цената е много по -висока от тази на схемите, които използвахме

Използване на LIDAR за допълване на GPS

За съжаление, в селското стопанство се случва растителната покривка да е много важна (лешниково поле например). В този случай дори при 3 -те съзвездия заключването на RTK може да не е възможно.

Следователно е необходимо да се въведе сензор, който би позволил да се запази позицията дори при моментното отсъствие на GPS.

Струва ми се (нямам опит), че използването на LIDAR може да изпълни тази функция. В този случай стволовете на дърветата се забелязват много лесно и могат да се използват за наблюдение на напредъка на робота. GPS ще възобнови своята функция в края на реда, на изхода на растителната покривка.

Пример за подходящ тип LIDAR е следният (Снимка2):

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