RTK GPS-aangedreven maaier - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Deze robotmaaier is in staat om volautomatisch gras te maaien op een vooraf bepaald parcours. Dankzij RTK GPS-geleiding wordt de koers bij elke maaibeurt gereproduceerd met een precisie beter dan 10 centimeter.

Stap 1: INLEIDING

We beschrijven hier een robotmaaier die het gras volledig automatisch kan maaien op een vooraf bepaald parcours. Dankzij RTK GPS-geleiding wordt de koers bij elke maaibeurt gereproduceerd met een precisie beter dan 10 centimeter (mijn ervaring). De besturing is gebaseerd op een Aduino Mega-kaart, aangevuld met enkele schilden van motorbesturing, versnellingsmeters en kompas, evenals een geheugenkaart.

Het is een niet-professionele prestatie, maar het heeft me in staat gesteld om de problemen te realiseren die ik tegenkom in landbouwrobotica. Deze zeer jonge discipline ontwikkelt zich snel, onder impuls van nieuwe wetgeving over het terugdringen van onkruid en pesticiden. Hier is bijvoorbeeld een link naar de nieuwste landbouwroboticabeurs in Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Sommige bedrijven, zoals Naio Technologies, maken al operationele robots (https://www.naio-technologies.com/).

Ter vergelijking: mijn prestatie is heel bescheiden, maar het maakt het toch mogelijk om op een speelse manier interesse en uitdagingen te begrijpen. …. En dan werkt het echt! … en kan daarom worden gebruikt om gras rond zijn huis te maaien, met behoud van zijn vrije tijd …

Ook al beschrijf ik de realisatie niet tot in de puntjes, de aanwijzingen die ik geef zijn waardevol voor degene die wil lanceren. Aarzel niet om vragen te stellen of suggesties te doen, zodat ik mijn presentatie kan voltooien in het belang van iedereen.

Ik zou heel blij zijn als dit soort projecten veel jongere mensen de smaak van techniek zou kunnen geven…. om klaar te zijn voor de grote robolution die ons te wachten staat….

Bovendien zou dit type project perfect geschikt zijn voor een groep gemotiveerde jonge mensen in een club of fablab, om te oefenen met het werken als een projectgroep, met mechanische, elektrische, software-architecten onder leiding van een systeemingenieur, zoals in de industrie.

Stap 2: BELANGRIJKSTE SPECIFICATIES

Het doel is om een operationele prototype maaier te produceren die in staat is om autonoom gras te maaien op terreinen met grote onregelmatigheden (weiden in plaats van gazons).

Insluiting van het veld kan niet worden gebaseerd op een fysieke barrière of beperking van de ondergrondse begeleidingsdraad, zoals bij grasmaairobots. De te maaien velden zijn inderdaad variabel en van grote oppervlakte.

Voor de maaibalk is het doel om de groei van het gras op een bepaalde hoogte te houden na een eerste maaibeurt of borstel die op een andere manier is verkregen.

Stap 3: ALGEMENE PRESENTATIE

Het systeem bestaat uit een mobiele robot en een vaste basis.

Op de mobiele robot vinden we:

- Het dashboard

- De algemene bedieningskast inclusief geheugenkaart.

- de handmatige joystick

- De GPS geconfigureerd als een "rover" en de RTK-ontvanger

- 3 gemotoriseerde wielen

- Rollenmotoren van wielen

- de snijbalk bestaande uit 4 roterende schijven met elk 3 snijbladen aan de omtrek (maaibreedte van 1 meter)

- de snijbalkbeheerbox

- de batterijen

In de vaste basis vinden we de GPS geconfigureerd als "basis" evenals de zender van de RTK-correcties. We merken op dat de antenne in de hoogte is geplaatst om een paar honderd meter rond het huis te stralen.

Bovendien is de GPS-antenne in het zicht van de hele lucht zonder enige occultatie door gebouwen of vegetatie.

De Rover-modi en GPS-basis worden beschreven en uitgelegd in het gedeelte GPS.

Stap 4: BEDIENINGSINSTRUCTIES (1/4)

Ik stel voor om kennis te maken met de robot via de handleiding die al zijn functionaliteiten goed laat verschijnen.

Beschrijving van het dashboard:

- Een algemene schakelaar

- Een eerste keuzeschakelaar met 3 standen maakt het mogelijk om de bedrijfsmodi te selecteren: handmatige rijmodus, spoorregistratiemodus, maaimodus

- Een drukknop wordt gebruikt als markering. We zullen het gebruik ervan zien.

- Twee andere 3-standen selectors worden gebruikt om een dossiernummer van 9 te selecteren. We hebben dus 9 maaibestanden of ritregistraties voor 9 verschillende velden.

- Een keuzeschakelaar met 3 standen is bestemd voor de bediening van de maaibalk. UIT-positie, AAN-positie, geprogrammeerde besturingspositie.

- Tweeregelig display

- een keuzeschakelaar met 3 standen om 3 verschillende displays te definiëren

- een LED die de status van de GPS aangeeft. Leds uit, geen GPS. Leds knipperen langzaam, GPS zonder RTK correcties. Snel knipperende LED, RTK-correcties ontvangen. Leds branden, GPS-lock op hoogste nauwkeurigheid.

Ten slotte heeft de joystick twee keuzeschakelaars met 3 standen. De linker bestuurt het linkerwiel, de rechter bestuurt het rechterwiel.

Stap 5: BEDIENINGSINSTRUCTIES (2/4)

Handmatige bedieningsmodus (GPS niet vereist)

Na het inschakelen en selecteren van deze modus met de moduskiezer, wordt de machine bestuurd met de joystick.

De twee keuzeschakelaars met 3 standen hebben een terugstelveer die ze altijd terugzet naar de middelste stand, wat overeenkomt met het stoppen van de wielen.

Wanneer de linker en rechter hendel naar voren worden geduwd, draaien de twee achterwielen en gaat de machine rechtdoor.

Als je de twee hendels naar achteren trekt, gaat de machine recht achteruit.

Wanneer een hendel naar voren wordt geduwd, draait de machine om het stilstaande wiel.

Wanneer de ene hendel naar voren wordt geduwd en de andere naar achteren, draait de machine om zichzelf heen op een punt in het midden van de as die de achterwielen verbindt.

De motorisering van het voorwiel past zich automatisch aan de twee bedieningselementen op de twee achterwielen aan.

Ten slotte is het in de handmatige modus ook mogelijk om gras te maaien. Voor dit doel hebben we, na te hebben gecontroleerd of er niemand in de buurt van de snijschijven is, de beheerdoos van de snijbalk AAN gezet ("harde" schakelaar voor de veiligheid). De keuzeschakelaar voor snijden op het instrumentenpaneel wordt dan op ON gezet. Op dit moment draaien de 4 schijven van de snijbalk..

Stap 6: BEDIENINGSINSTRUCTIES (3/4)

Trackopnamemodus (GPS vereist)

- Voordat een run wordt geregistreerd, wordt een willekeurig referentiepunt voor het veld gedefinieerd en gemarkeerd met een kleine inzet. Dit punt zal de oorsprong zijn van de coördinaten in het geografische kader (foto)

- We selecteren vervolgens het dossiernummer waarin de rit wordt vastgelegd, dankzij de twee selectors op het dashboard.

- AAN basis is ingesteld

- Controleer of de GPS-status-LED snel begint te knipperen.

- Verlaat de handmatige modus door de modusschakelaar op het instrumentenpaneel in de opnamepositie te zetten.

- De machine wordt dan handmatig naar de referentiepuntpositie bewogen. Juist de GPS-antenne moet boven dit oriëntatiepunt staan. Deze GPS-antenne bevindt zich boven het punt dat gecentreerd is tussen de twee achterwielen en dat het draaipunt is van de machine op zichzelf.

- Wacht tot de GPS-status-LED nu brandt zonder te knipperen. Dit geeft aan dat de GPS de maximale nauwkeurigheid heeft ("Fix" GPS).

- De originele 0.0-positie wordt gemarkeerd door op de dashboardmarkering te drukken.

- We gaan dan naar het volgende punt dat we in kaart willen brengen. Zodra het is bereikt, signaleren we het met behulp van de marker.

- Om de opname te beëindigen schakelen we terug naar de handmatige modus.

Stap 7: BEDIENINGSINSTRUCTIES (4/4)

Maaimodus (GPS vereist)

Eerst moet u het puntenbestand voorbereiden dat de machine moet doorlopen om het hele veld te maaien zonder een ongemaaid oppervlak achter te laten. Om dit te doen halen we het bestand op de geheugenkaart en van deze coördinaten genereren we, met behulp van bijvoorbeeld Excel, een lijst met punten zoals op de foto. Voor elk van de te bereiken punten geven we aan of de snijbalk AAN of UIT staat. Aangezien het de maaibalk is die het meeste stroom verbruikt (van 50 tot 100 Watt afhankelijk van het gras), moet u voorzichtig zijn om de maaibalk UIT te zetten wanneer u bijvoorbeeld een reeds gemaaid veld oversteekt.

Terwijl het maaibord wordt gegenereerd, wordt de geheugenkaart teruggeplaatst op zijn schild in de bedieningslade.

Het enige dat dan nog overblijft, is om de basis AAN te zetten en naar het maaiveld te gaan, net boven het referentiepunt. De moduskiezer wordt dan op "Maaien" gezet.

Op dit punt wacht de machine vanzelf op de GPS RTK-vergrendeling in "Fix" om de coördinaten op nul te zetten en te beginnen met maaien.

Als het maaien klaar is, keert hij alleen terug naar het startpunt, met een nauwkeurigheid van ongeveer tien centimeter.

Tijdens het maaien beweegt de machine in een rechte lijn tussen twee opeenvolgende punten van de puntenvijl. De maaibreedte is 1,1 meter Aangezien de machine een breedte tussen de wielen heeft van 1 meter en rond een wiel kan draaien (zie video), is het mogelijk om naast elkaar liggende maaistroken te maken. Dit is zeer effectief!

Stap 8: MECHANISCH DEEL

De structuur van de robot

De robot is opgebouwd rond een roosterstructuur van aluminium buizen, wat hem een goede stijfheid geeft. De afmetingen zijn ongeveer 1,20 meter lang, 1 meter breed en 80 cm hoog.

De wielen

Het kan bewegen dankzij 3 kinderfietswielen met een diameter van 20 inch: twee achterwielen en een voorwiel vergelijkbaar met het wiel van supermarktkarren (foto's 1 en 2). De relatieve beweging van de twee achterwielen zorgt voor de oriëntatie

De rolmotoren

Vanwege de onregelmatigheden in het veld is het noodzakelijk om grote koppelverhoudingen te hebben en dus een grote reductieverhouding. Hiervoor gebruikte ik het principe van rolpersen op het wiel, zoals op een solex (foto's 3 en 4). De grote reductie maakt het mogelijk om de machine stabiel te houden op een helling, zelfs wanneer het motorvermogen wordt uitgeschakeld. In ruil daarvoor gaat de machine langzaam vooruit (3 meter/minuut)…maar het gras groeit ook langzaam….

Voor het mechanisch ontwerp heb ik de tekensoftware Openscad (zeer efficiënte scriptsoftware) gebruikt. Parallel voor de detailplannen gebruikte ik Tekenen van Openoffice.

Stap 9: RTK-gps (1/3)

Eenvoudige GPS

De simpele GPS (foto 1), die in onze auto zit, heeft een nauwkeurigheid van slechts enkele meters. Als we de door zo'n GPS aangegeven positie bijvoorbeeld een uur vast houden, zullen we schommelingen van enkele meters waarnemen. Deze fluctuaties zijn te wijten aan storingen in de atmosfeer en ionosfeer, maar ook aan fouten in de klokken van de satellieten en fouten in de GPS zelf. Het is daarom niet geschikt voor onze toepassing.

RTK-gps

Om deze nauwkeurigheid te verbeteren, worden twee Gps gebruikt op een afstand van minder dan 10 km (foto 2). Onder deze omstandigheden kunnen we aannemen dat de verstoringen van de atmosfeer en de ionosfeer identiek zijn op elke GPS. Zo wordt het verschil in positie tussen beide GPS niet meer verstoord (differentieel). Als we nu een van de GPS (de basis) bevestigen en de andere op een voertuig (de rover) plaatsen, krijgen we precies de beweging van het voertuig vanaf de basis zonder storingen. Bovendien voeren deze GPS een vluchttijdmeting uit die veel nauwkeuriger is dan de eenvoudige GPS (fasemetingen op de drager).

Dankzij deze verbeteringen zullen we een centimetrische meetnauwkeurigheid verkrijgen voor de beweging van de rover ten opzichte van de basis.

Het is dit RTK-systeem (Real Time Kinematic) dat we hebben gekozen om te gebruiken.

Stap 10: RTK-gps (2/3)

Ik kocht 2 RTK GPS-circuits (foto 1) van het bedrijf Navspark.

Deze schakelingen zijn gemonteerd op een kleine PCB die is uitgerust met pinnen van 2,54 mm, die dus direct op de testplaten worden gemonteerd.

Omdat het project zich in het zuidwesten van Frankrijk bevindt, heb ik gekozen voor circuits die werken met de sterrenbeelden van Amerikaanse GPS-satellieten en met het Russische sterrenbeeld Glonass.

Het is belangrijk om het maximale aantal satellieten te hebben om te profiteren van de beste nauwkeurigheid. In mijn geval heb ik momenteel tussen de 10 en 16 satellieten.

We moeten ook kopen

- 2 USB-adapters, nodig om het GPS-circuit op een pc aan te sluiten (tests en configuratie)

- 2 GPS-antennes + 2 adapterkabels

- een paar 3DR zender-ontvangers zodat de basis zijn correcties aan de rover kan doorgeven en de rover deze kan ontvangen.

Stap 11: RTK-gps (3/3)

Dankzij de GPS-melding op de Navspark-site kunnen de circuits geleidelijk worden geïmplementeerd.

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

Op de Navspark-website vinden we ook

- de software die op zijn Windows-pc moet worden geïnstalleerd om GPS-uitgangen en programmeercircuits in de basis en rover te bekijken.

- Een beschrijving van het GPS-gegevensformaat (NMEA-zinnen)

Al deze documenten zijn in het Engels, maar zijn relatief eenvoudig te begrijpen. In eerste instantie gebeurt de implementatie zonder de minste elektronische schakeling dankzij de USB-adapters die ook alle elektrische voedingen leveren.

Het verloop is als volgt:

- Testen van individuele circuits die functioneren als eenvoudige GPS. Wolkenzicht van bruggen toont stabiliteit van enkele meters.

- Programmeren van het ene circuit in ROVER en het andere in BASE

- Een RTK-systeem bouwen door de twee modules met een enkele draad te verbinden. De wolkenweergave van bruggen toont een relatieve stabiliteit van ROVER/BASE van enkele centimeters!

- Vervanging van de BASE en ROVER verbindingsdraad door de 3DR transceivers. Ook hier zorgt de bediening in RTK voor een stabiliteit van enkele centimeters. Maar deze keer zijn BASE en ROVER niet langer verbonden via een fysieke link…..

- Vervanging van pc-visualisatie door een Arduino-bord dat is geprogrammeerd om GPS-gegevens te ontvangen op een seriële ingang… (zie hieronder)

Stap 12: ELEKTRISCH DEEL (1/2)

De elektrische schakelkast

Foto 1 toont de borden van de hoofdbedieningskast die hieronder worden beschreven.

Bedrading van de GPS

De GPS-bedrading van de basis en de maaier wordt getoond in Figuur 2.

Deze bekabeling wordt natuurlijk bereikt door de voortgang van de GPS-instructies te volgen (zie sectie GPS). In alle gevallen is er een USB-adapter waarmee u de circuits in de basis of in rover kunt programmeren dankzij de pc-software van Navspark. Dankzij dit programma hebben we ook alle positie-informatie, aantal satellieten, enz…

In het maaigedeelte is de Tx1-pin van de GPS verbonden met de 19 (Rx1) seriële ingang van het ARDUINO MEGA-bord om de NMEA-zinnen te ontvangen.

In de basis wordt de Tx1-pin van de GPS naar de Rx-pin van de 3DR-radio gestuurd voor het verzenden van de correcties. In de maaier worden de door de 3DR-radio ontvangen correcties naar pin Rx2 van het GPS-circuit gestuurd.

Opgemerkt wordt dat deze correcties en hun beheer volledig worden verzekerd door de GPS RTK-circuits. Het Aduino MEGA-bord ontvangt dus alleen gecorrigeerde positiewaarden.

Stap 13: ELEKTRISCH DEEL (2/2)

Het Arduino MEGA-bord en zijn schilden

- MEGA arduino-bord

- Afscherming achterwielmotoren

- Motorafscherming voorwiel

- Schild arte SD

In figuur 1 is te zien dat tussen de platen plug-in connectoren zijn geplaatst zodat de in de motorplaten afgevoerde warmte kon ontsnappen. Bovendien kunt u met deze inzetstukken ongewenste koppelingen tussen de kaarten doorknippen, zonder dat u ze hoeft aan te passen.

Figuur 2 en Figuur 3 laten zien hoe de posities van de omvormers van het instrumentenpaneel en de joystick worden afgelezen.

Stap 14: HET ARDUINO RIJPROGRAMMA

Het microcontrollerbord is een Arduino MEGA (UNO heeft niet genoeg geheugen). Het rijprogramma is heel eenvoudig en klassiek. Ik heb een functie ontwikkeld voor elke basishandeling die moet worden uitgevoerd (dashboarduitlezing, GPS-gegevensverzameling, LCD-display, machinevoortgang of rotatiecontrole, enz …). Deze functies zijn vervolgens eenvoudig in het hoofdprogramma te gebruiken. De lage snelheid van de machine (3 meter/minuut) maakt het veel gemakkelijker.

De snijbalk wordt echter niet beheerd door dit programma, maar door het programma van het UNO-bord dat zich in de specifieke doos bevindt.

In het SETUP-gedeelte van het programma vinden we:

- Handige pin-initialisaties van het MEGA-bord in in- of uitgangen;

- Initialisatie lcd-scherm

- SD-geheugenkaart initialisatie

- Initialisatie van de overdrachtssnelheid van de hardware seriële interface naar de GPS;

- Initialisatie van de overdrachtssnelheid van de seriële interface naar de IDE;

- Motoren afzetten en maaibalk

In het LOOP-gedeelte van het programma vinden we aan het begin

- Instrumentenpaneel en joystick, GPS, kompas en versnellingsmeter;

- een keuzeschakelaar met 3 draden, afhankelijk van de status van de keuzeschakelaar op het instrumentenpaneel (handmatig, opnemen, maaien)

De LOOP-lus wordt onderbroken door de asynchrone uitlezing van de GPS, wat de langzaamste stap is. Dus we gaan ongeveer elke 3 seconden terug naar het begin van de lus.

In de bypass in de normale modus wordt de bewegingsfunctie bestuurd volgens de joystick en wordt het display ongeveer elke 3 seconden bijgewerkt (positie, GPS-status, kompasrichting, kanteling …). Een druk op de markering BP zet de positiecoördinaten op nul die in meters in het geografische oriëntatiepunt worden uitgedrukt.

In de shunt-modus worden alle tijdens de verplaatsing gemeten posities op de SD-kaart geregistreerd (periode van ongeveer 3 seconden). Als een POI is bereikt, wordt het indrukken van de markering opgeslagen. op de SD-kaart. De positie van de machine wordt elke 3 seconden weergegeven in meters in het geografische oriëntatiepunt gecentreerd op het oorsprongspunt.

In de maaimodus shunt: De machine werd eerder boven het referentiepunt bewogen. Wanneer de moduskiezer op "maaien" wordt geschakeld, observeert het programma de GPS-uitgangen en in het bijzonder de waarde van de statusvlag. Wanneer de statusvlag verandert in "Fix", voert het programma de positie nul uit. Het eerste te bereiken punt wordt dan ingelezen in het maaibestand van het SD-geheugen. Wanneer dit punt is bereikt, wordt de draai van de machine uitgevoerd zoals aangegeven in de maaimap, ofwel rond een wiel, ofwel rond het midden van de twee wielen.

Het proces herhaalt zich totdat het laatste punt is bereikt (meestal het startpunt). Op dit punt stopt het programma de machine en de snijbalk.

Stap 15: DE SNIJBALK EN HAAR BEHEER

De snijbalk bestaat uit 4 schijven die ronddraaien met een snelheid van 1200 tpm. Elke schijf is uitgerust met 3 snijbladen. Deze schijven zijn zo gerangschikt dat ze een doorlopende snijband van 1,2 meter breed vormen.

Motoren moeten worden aangestuurd om de stroom te beperken

- bij het opstarten, vanwege de traagheid van de schijven

- tijdens het maaien, door verstoppingen door teveel gras

Voor dit doel wordt de stroom in het circuit van elke motor gemeten door laagwaardige spiraalweerstanden. Het UNO-bord is bedraad en geprogrammeerd om deze stromen te meten en een PWM-commando te sturen dat is aangepast aan de motoren.

Bij het opstarten neemt de snelheid dus geleidelijk toe tot de maximale waarde in 10 seconden. In het geval van verstopping door gras, stopt de motor gedurende 10 seconden en probeert het opnieuw gedurende 2 seconden. Als het probleem aanhoudt, begint de cyclus van 10 seconden rust en herstart van 2 seconden opnieuw. Onder deze omstandigheden blijft de motorverwarming beperkt, ook bij permanente blokkering.

De motoren starten of stoppen wanneer het UNO-bord het signaal van het pilotprogramma ontvangt. Een harde schakelaar maakt het echter mogelijk om de stroom op betrouwbare wijze uit te schakelen om servicewerkzaamheden te beveiligen

Stap 16: WAT MOET ER gebeuren? WELKE VERBETERINGEN ?

Op GPS-niveau

Vegetatie (bomen) kan het aantal satellieten in het zicht van het voertuig beperken en de nauwkeurigheid verminderen of RTK-vergrendeling voorkomen. Het is daarom in ons belang om zoveel mogelijk satellieten tegelijk te gebruiken. Het zou daarom interessant zijn om de sterrenbeelden GPS en Glonass aan te vullen met het sterrenbeeld Galileo.

Er moet gebruik kunnen worden gemaakt van meer dan 20 satellieten in plaats van maximaal 15, waardoor het afromen door vegetatie kan worden weggewerkt.

Arduino RTK-schilden beginnen te bestaan en werken gelijktijdig met deze 3 sterrenbeelden:

Bovendien zijn deze schilden erg compact (foto 1) omdat ze zowel het GPS-circuit als de transceiver op dezelfde steun bevatten.

…. Maar de prijs is veel hoger dan die van de circuits die we hebben gebruikt

Een LIDAR gebruiken als aanvulling op de GPS

Helaas komt het in de boomkwekerij voor dat de vegetatiebedekking erg belangrijk is (bijvoorbeeld hazelaarveld). In dit geval is zelfs met de 3 sterrenbeelden RTK-vergrendeling mogelijk niet mogelijk.

Het is daarom noodzakelijk om een sensor te introduceren die het mogelijk maakt om de positie te behouden, zelfs in de tijdelijke afwezigheid van GPS.

Het lijkt mij (ik heb de ervaring niet gehad) dat het gebruik van een LIDAR deze functie zou kunnen vervullen. De stammen van de bomen zijn in dit geval heel gemakkelijk te herkennen en kunnen worden gebruikt om de voortgang van de robot te observeren. De GPS zou zijn functie hervatten aan het einde van de rij, bij de uitgang van het vegetatiedek.

Een voorbeeld van een geschikt type LIDAR is als volgt (foto 2):

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