RTK GPS -driven gräsklippare: 16 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:41

Denna robotgräsklippare kan helautomatisk gräsklippning på en förutbestämd bana. Tack vare RTK GPS -vägledning återges kursen för varje klippning med en precision som är bättre än 10 centimeter.

Steg 1: INLEDNING

Vi kommer här att beskriva en robotgräsklippare som kan klippa gräset helt automatiskt på en i förväg bestämd bana. Tack vare RTK GPS -vägledning återges kursen vid varje klippning med en precision som är bättre än 10 centimeter (min erfarenhet). Kontrollen är baserad på ett Aduino Mega -kort, kompletterat med några skärmar för motorstyrning, accelerometrar och kompass samt ett minneskort.

Det är en icke-professionell prestation, men det har gjort det möjligt för mig att inse problemen som uppstår inom jordbruksrobotik. Denna mycket unga disciplin utvecklas snabbt, stimulerad av ny lagstiftning om minskning av ogräs och bekämpningsmedel. Här är till exempel en länk till den senaste jordbruksrobotmässan i Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Vissa företag som Naio Technologies tillverkar redan operativa robotar (https://www.naio-technologies.com/).

I jämförelse är min prestation mycket blygsam men den gör det ändå möjligt att förstå intresse och utmaningar på ett lekfullt sätt. …. Och då fungerar det verkligen! … och kan därför användas för att klippa gräs runt hans hus, samtidigt som han bevarar sin fritid …

Även om jag inte beskriver insikten i de sista detaljerna, är indikationerna som jag ger värdefulla för den som vill starta. Tveka inte att ställa frågor eller komma med förslag, så att jag kan slutföra min presentation till gagn för alla.

Jag skulle bli riktigt glad om den här typen av projekt kunde ge mycket yngre människor en smak av teknik…. för att vara redo för den stora upplösning som väntar oss ….

Dessutom skulle denna typ av projekt vara perfekt lämpad för en grupp motiverade unga människor i en klubb eller fablab, att träna som en projektgrupp, med mekaniska, elektriska, mjukvaruarkitekter som leds av en systemingenjör, som i branschen.

Steg 2: HUVUDSPECIFIKATIONER

Målet är att producera en operativ prototypgräsklippare som kan klippa gräs självständigt på terräng som kan ha betydande oegentligheter (ängar snarare än gräsmattor).

Fältinneslutning kan inte baseras på en fysisk barriär eller begravd styrtrådsbegränsning som för gräsklippare. Fälten som ska klippas är verkligen varierande och har stor yta.

För klippstången är målet att upprätthålla gräsets tillväxt på en viss höjd efter en första klippning eller borstning som erhållits på annat sätt.

Steg 3: ALLMÄN PRESENTATION

Systemet består av en mobil robot och en fast bas.

På mobilroboten hittar vi:

- Instrumentpanelen

- Den allmänna kontrollboxen inklusive ett minneskort.

- den manuella joysticken

- GPS: n konfigurerad som "rover" och RTK -mottagare

- 3 motoriserade hjul

- Hjulmotorer

- skärstången består av 4 roterande skivor som vardera bär 3 skärblad i periferin (klippbredd 1 meter)

- hanteringsboxen för skärstången

- batterierna

I den fasta basen hittar vi GPS: n konfigurerad som "bas" samt sändaren för RTK -korrigeringarna. Vi noterar att antennen är placerad i höjd så att den strålar några hundra meter runt huset.

Dessutom syns GPS -antennen över hela himlen utan ockultation av byggnader eller vegetation.

Rover -lägen och GPS -bas kommer att beskrivas och förklaras i GPS -sektionen.

Steg 4: BRUKSANVISNING (1/4)

Jag föreslår att bekanta dig med roboten genom dess manual som gör att alla funktioner visas väl.

Beskrivning av instrumentpanelen:

- En allmän omkopplare

- En första 3-lägesväljare gör det möjligt att välja driftlägen: manuellt körläge, spårinspelningsläge, klippningsläge

- En tryckknapp används som markör. Vi kommer att se dess användningsområden.

- Två andra 3-positionsväljare används för att välja ett filnummer från 9. Vi har därför 9 klippningsfiler eller reseposter för 9 olika fält.

- En 3-lägesväljare är avsedd för kontroll av skärstången. OFF -läge, ON -läge, programmerad kontrollposition.

- Display med två rader

- en 3-lägesväljare för att definiera 3 olika displayer

- en lysdiod som indikerar GPS -status. Lyser av, ingen GPS. Lysdioder blinkar långsamt, GPS utan RTK -korrigeringar. Snabb blinkande LED, RTK -korrigeringar mottagna. Lysdioder tända, GPS -lås med högsta noggrannhet.

Slutligen har joysticken två väljare med 3 lägen. Den vänstra styr det vänstra hjulet, den högra styr det högra hjulet.

Steg 5: BRUKSANVISNING (2/4)

Manuellt driftläge (GPS krävs inte)

Efter att ha slagit på och valt detta läge med lägesväljaren styrs maskinen med joysticken.

De två 3-lägesväljarna har en returfjäder som alltid återför dem till mittläget, motsvarande stopp av hjulen.

När vänster och höger spak skjuts framåt vänder de två bakhjulen och maskinen går rakt.

När du drar tillbaka de två spakarna går maskinen rakt bakåt.

När en spak skjuts framåt, vrider maskinen runt det stillastående hjulet.

När en spak skjuts framåt och den andra bakåt, roterar maskinen runt sig själv vid en punkt i mitten av axeln som förbinder bakhjulen.

Motorn på framhjulet justeras automatiskt efter de två kontrollerna som är placerade på de två bakhjulen.

Slutligen, i manuellt läge är det också möjligt att klippa gräs. För detta ändamål, efter att ha kontrollerat att ingen är i närheten av skärskivorna, sätter vi på hanteringsboxen på skärstången ("hård" omkopplare för säkerhet). Instrumentpanelens klippväljare sätts sedan på ON. Just nu roterar de fyra skivorna på skärstången..

Steg 6: BRUKSANVISNING (3/4)

Spårinspelningsläge (GPS krävs)

- Innan du börjar spela in en körning definieras en godtycklig referenspunkt för fältet och markeras med en liten insats. Denna punkt kommer att vara ursprunget för koordinaterna i den geografiska ramen (foto)

- Vi väljer sedan det filnummer som resan kommer att spelas in i, tack vare de två väljarna på instrumentbrädan.

- ON -basen är inställd

- Kontrollera att GPS -statuslampan börjar blinka snabbt.

- Avsluta det manuella läget genom att placera instrumentpanelens lägesväljare i inspelningsläget.

- Maskinen flyttas sedan manuellt till referenspunktens position. Just det är GPS -antennen som måste vara över detta landmärke. Denna GPS -antenn är placerad ovanför den punkt som är centrerad mellan de två bakhjulen och som är maskinens rotationspunkt på sig själv.

- Vänta tills GPS -statuslampan lyser utan att blinka. Detta indikerar att GPS: n har maximal noggrannhet ("Fix" GPS).

- Den ursprungliga 0,0 -positionen markeras genom att trycka på instrumentbrädans markör.

- Vi går sedan till nästa punkt som vi vill kartlägga. Så snart den nås, signalerar vi den med markören.

- För att avsluta inspelningen går vi tillbaka till manuellt läge.

Steg 7: BRUKSANVISNING (4/4)

Klippläge (GPS krävs)

Först måste du förbereda poängfilen som maskinen måste gå igenom för att klippa hela fältet utan att lämna en oskuren yta. För att göra detta får vi filen sparad på minneskortet och från dessa koordinater, med hjälp av till exempel Excel, genererar vi en lista med punkter som på bilden. För var och en av punkterna som ska nås anger vi om skärstången är PÅ eller AV. Eftersom det är klippstången som förbrukar mest effekt (från 50 till 100 watt beroende på gräset), är det nödvändigt att vara försiktig när du till exempel korsar ett redan klippt fält.

När klippbrädet genereras sätts minneskortet tillbaka på sin sköld i styrlådan.

Allt som återstår då är att sätta PÅ basen och gå till klippfältet, strax ovanför referensmärket. Lägesväljaren är sedan inställd på "Klippning".

Vid denna tidpunkt väntar maskinen själv på GPS RTK -låset i "Fix" för att nollställa koordinaterna och börja klippa.

När klippningen är klar återgår den ensam till startpunkten, med en noggrannhet på cirka tio centimeter.

Under klippningen rör sig maskinen i en rak linje mellan två på varandra följande punkter i punktfilen. Klippbredden är 1,1 meter Eftersom maskinen har en bredd mellan hjulen på 1 meter och kan rotera runt ett hjul (se video) är det möjligt att göra intilliggande klippremsor. Detta är mycket effektivt!

Steg 8: MEKANISK DEL

Robotens struktur

Roboten är byggd runt en gitterstruktur av aluminiumrör, vilket ger den bra styvhet. Dess dimensioner är cirka 1,20 meter lång, 1 meter bred och 80 cm hög.

Hjulen

Den kan röra sig tack vare 3 barncykelhjul i diameter 20 tum: Två bakhjul och ett framhjul som liknar hjulet i stormarknadsvagnar (bilder 1 och 2). Den relativa rörelsen mellan de två bakhjulen säkerställer dess orientering

Rullmotorerna

På grund av oegentligheterna i fältet är det nödvändigt att ha stora vridmomentförhållanden och därför ett stort reduktionsförhållande. För detta ändamål använde jag principen med rullpressning på hjulet, som på en solex (bilder 3 och 4). Den stora minskningen gör det möjligt att hålla maskinen stabil i en sluttning, även när motoreffekten är avbruten. I gengäld går maskinen fram långsamt (3 meter/ minut) … men gräset växer också långsamt….

För den mekaniska designen använde jag ritprogramvaran Openscad (mycket effektiv skriptprogramvara). Parallellt med detaljplanerna använde jag Drawing from Openoffice.

Steg 9: RTK GPS (1/3)

Enkel GPS

Den enkla GPS (foto 1), den i vår bil har en noggrannhet på bara några meter. Om vi registrerar den position som indikeras av en sådan GPS som hålls fast i en timme till exempel, kommer vi att observera fluktuationer på flera meter. Dessa fluktuationer beror på störningar i atmosfären och jonosfären, men också på fel i satelliternas klockor och fel i själva GPS: n. Det är därför inte lämpligt för vår applikation.

RTK GPS

För att förbättra denna noggrannhet används två GPS på ett avstånd av mindre än 10 km (foto 2). Under dessa förhållanden kan vi anse att störningarna i atmosfären och jonosfären är identiska på varje GPS. Således störs inte skillnaden i position mellan de två GPS -apparaterna (differential). Om vi nu ansluter en av GPS: erna (basen) och placerar den andra på ett fordon (rovern), kommer vi att få exakt fordonets rörelse från basen utan störningar. Dessutom utför dessa GPS en tid för flygmätning mycket mer exakt än den enkla GPS (fasmätningar på bäraren).

Tack vare dessa förbättringar kommer vi att få en centimetrisk mätnoggrannhet för roverns rörelse i förhållande till basen.

Det är detta RTK -system (Real Time Kinematic) som vi har valt att använda.

Steg 10: RTK GPS (2/3)

Jag köpte 2 RTK GPS -kretsar (foto 1) från företaget Navspark.

Dessa kretsar är monterade på en liten kretskort utrustad med 2,54 mm stigstift, som därför monteras direkt på testplattorna.

Eftersom projektet ligger i sydvästra Frankrike valde jag kretsar som arbetar med stjärnbilden av amerikanska GPS-satelliter samt den ryska konstellationen Glonass.

Det är viktigt att ha det maximala antalet satelliter för att dra fördel av bästa noggrannhet. I mitt fall har jag för närvarande mellan 10 och 16 satelliter.

Vi måste också köpa

- 2 USB -adaptrar, behövs för att ansluta GPS -kretsen till en dator (tester och konfiguration)

- 2 GPS -antenner + 2 adapterkablar

- ett par 3DR-sändarmottagare så att basen kan utföra sina korrigeringar till rovern och rovern ta emot dem.

Steg 11: RTK GPS (3/3)

GPS -meddelandet som finns på Navspark -webbplatsen gör att kretsarna kan implementeras gradvis.

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

På Navspark -webbplatsen hittar vi också

- Programvaran som ska installeras på sin Windows -dator för att se GPS -utgångar och programkretsar i bas och rover.

- En beskrivning av GPS -dataformatet (NMEA -fraser)

Alla dessa dokument är på engelska men är relativt lätta att förstå. Inledningsvis sker implementeringen utan minsta elektroniska krets tack vare USB -adaptrarna som också tillhandahåller alla elektriska strömförsörjningar.

Utvecklingen är följande:

- Testa enskilda kretsar som fungerar som enkel GPS. Molnvy över broar visar stabilitet på några meter.

- Programmering av en krets i ROVER och den andra i BASE

- Bygga ett RTK -system genom att ansluta de två modulerna med en enda tråd. Molnvyn över broar visar en relativ stabilitet hos ROVER/BASE på några centimeter!

- Byte av BASE- och ROVER -anslutningskabel med 3DR -sändtagare. Även här möjliggör driften i RTK en stabilitet på några centimeter. Men den här gången är BASE och ROVER inte längre anslutna med en fysisk länk ….

- Ersättning av PC -visualisering med ett Arduino -kort programmerat för att ta emot GPS -data på en seriell ingång … (se nedan)

Steg 12: ELEKTRISK DEL (1/2)

Den elektriska kontrollboxen

Bild 1 visar de viktigaste styrlådorna som kommer att beskrivas nedan.

Kabeldragning av GPS

Bas- och gräsklipparens GPS -kablar visas i figur 2.

Denna kablage uppnås naturligtvis genom att följa utvecklingen av GPS -instruktionerna (se GPS -avsnitt). I alla fall finns det en USB -adapter som låter dig programmera kretsarna antingen i basen eller i rover tack vare PC -programvaran från Navspark. Tack vare detta program har vi också all positionsinformation, antal satelliter osv …

I klipparen är Tx1 -stiftet på GPS: n ansluten till 19 (Rx1) seriell ingång på ARDUINO MEGA -kortet för att ta emot NMEA -fraserna.

I basen sänds GPS -Tx1 -stiftet till Rx -stiftet på 3DR -radion för att skicka korrigeringarna. I gräsklipparen skickas de korrigeringar som tas emot av 3DR -radion till stiftet Rx2 på GPS -kretsen.

Det noteras att dessa korrigeringar och deras hantering säkerställs fullt ut av GPS RTK -kretsarna. Således mottar Aduino MEGA -kortet endast korrigerade positionsvärden.

Steg 13: ELEKTRISK DEL (2/2)

Arduino MEGA -kortet och dess sköldar

- MEGA arduino -bräda

- Bakhjulsmotorer skärmar

- Framhjulsmotorskydd

- Shield art SD

I figur 1 noteras att plug-in-kontakter placerades mellan korten så att värmen som släpptes ut i motorbrädorna kunde ventileras. Dessutom tillåter dessa insatser dig att klippa oönskade länkar mellan korten utan att behöva ändra dem.

Figur 2 och figur 3 visar hur positionerna för instrumentpanelomformarna och joysticken läses.

Steg 14: ARDUINO DRIVING PROGRAM

Mikrokontrollerkortet är en Arduino MEGA (UNO har inte tillräckligt med minne). Körprogrammet är väldigt enkelt och klassiskt. Jag har utvecklat en funktion för varje grundläggande operation som ska utföras (instrumentpanelavläsning, GPS -datainsamling, LCD -skärm, maskinframflyttning eller rotationskontroll, etc. …). Dessa funktioner används sedan enkelt i huvudprogrammet. Maskinens långsamma hastighet (3 meter/ minut) gör saker mycket enklare.

Skärstången hanteras dock inte av detta program utan av programmet för UNO -kortet som finns i den specifika rutan.

I SETUP -delen av programmet hittar vi

- Användbara stiftinitialiseringar av MEGA -kortet i ingångar eller utgångar;

- Initialisering av LCD -skärm

- Initiering av SD -minneskort

- Initiering av överföringshastigheten från maskinvarans seriella gränssnitt till GPS;

- Initiering av överföringshastigheten från det seriella gränssnittet till IDE;

- Stäng av motorer och skärstång

I LOOP -delen av programmet hittar vi i början

- Instrumentpanel och joystick, GPS, kompass och accelerometermätningar;

- en 3-ledars väljare, beroende på status för instrumentpanelens lägesväljare (manuell, inspelning, klippning)

LOOP -slingan skiljs från den asynkrona avläsningen av GPS: en som är det långsammaste steget. Så vi går tillbaka till början av slingan ungefär var tredje sekund.

I bypass i normalt läge styrs rörelsesfunktionen enligt joysticken och displayen uppdateras ungefär var tredje sekund (position, GPS -status, kompassriktning, lutning …). Ett tryck på markören BP nollställer positionskoordinaterna som kommer att uttryckas i meter i det geografiska landmärket.

I shunt -läge shunt registreras alla positioner som mäts under flytten på SD -kortet (period på cirka 3 sekunder). När en intressepunkt nås, sparas markeringen genom att trycka på markören. i SD -kortet. Maskinens position visas var tredje sekund, i meter i det geografiska landmärket centrerat på ursprungspunkten.

I klippningsläget shunt: Maskinen fördes tidigare över referenspunkten. När lägesväljaren växlas till "klippning" observerar programmet GPS -utgångarna och i synnerhet statusflaggans värde. När statusflaggan ändras till "Fix" utför programmet positionen noll. Den första punkten att nå läses sedan i klippfilen i SD -minnet. När denna punkt har uppnåtts görs maskinen för att svänga enligt anvisningarna i klippfilen, antingen runt ett hjul eller runt mitten av de två hjulen.

Processen upprepar sig tills den sista punkten har uppnåtts (vanligtvis utgångspunkten). Vid denna tidpunkt stoppar programmet maskinen och skärstången.

Steg 15: SKÄRBAREN OCH DESS HANTERING

Skärstången består av 4 skivor som roterar med varvtalet 1200 varv / min. Varje skiva är utrustad med 3 skärblad. Dessa skivor är anordnade för att skapa ett kontinuerligt skärband på 1,2 meter brett.

Motorer måste styras för att begränsa strömmen

- vid start på grund av skivornas tröghet

- under klippning, på grund av blockeringar orsakade av för mycket gräs

För detta ändamål mäts strömmen i kretsen för varje motor med lågvärda lindade motstånd. UNO -kortet är trådbundet och programmerat för att mäta dessa strömmar och skicka ett PWM -kommando anpassat till motorerna.

Således, vid start, ökar hastigheten gradvis till sitt maximala värde på 10 sekunder. Vid blockering av gräs stannar motorn i 10 sekunder och försöker igen i 2 sekunder. Om problemet kvarstår startar 10-sekunders vila och 2-sekunders omstartcykel igen. Under dessa förhållanden förblir motoruppvärmningen begränsad, även vid permanent blockering.

Motorerna startar eller stannar när UNO -styrelsen tar emot signalen från pilotprogrammet. Men en hård strömbrytare gör det möjligt att på ett tillförlitligt sätt stänga av strömmen för att säkerställa servicefunktioner

Steg 16: VAD BÖR GÖRA? VILKA FÖRBÄTTRINGAR?

På GPS -nivå

Vegetation (träd) kan begränsa antalet satelliter med tanke på fordonet och minska noggrannheten eller förhindra RTK -låsning. Det är därför i vårt intresse att använda så många satelliter som möjligt samtidigt. Det skulle därför vara intressant att komplettera GPS- och Glonass -konstellationerna med Galileo -konstellationen.

Det bör vara möjligt att dra nytta av mer än 20 satelliter istället för högst 15, vilket gör det möjligt att bli av med skumningen av vegetation.

Arduino RTK-sköldar börjar existera samtidigt som dessa tre konstellationer fungerar:

Dessutom är dessa skärmar mycket kompakta (fot 1) eftersom de inkluderar både GPS -kretsen och sändtagaren på samma stöd.

…. Men priset är mycket högre än kretsarna vi använde

Använda en LIDAR för att komplettera GPS: en

Tyvärr händer det i trädgårdsodling att vegetationstäcket är mycket viktigt (till exempel hasselfält). I detta fall kanske inte ens med de tre konstellationerna RTK -låsning är möjlig.

Det är därför nödvändigt att införa en sensor som gör det möjligt att bibehålla positionen även vid tillfällig frånvaro av GPS.

Det verkar för mig (jag har inte haft erfarenheten) att användningen av en LIDAR skulle kunna fylla denna funktion. Trädens stammar är mycket lätta att upptäcka i det här fallet och kan användas för att observera robotens framsteg. GPS: n skulle återuppta sin funktion i slutet av raden, vid utgången av växtlocket.

Ett exempel på en lämplig typ av LIDAR är följande (Foto2):

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