Mesin Pemacu GPS RTK: 16 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

Mesin pemotong robot ini mampu memotong rumput sepenuhnya secara automatik pada jalan yang telah ditentukan. Berkat panduan GPS RTK, kursus ini dibuat semula dengan setiap pemotongan dengan ketepatan yang lebih baik daripada 10 sentimeter.

Langkah 1: PENGENALAN

Kami akan menerangkan di sini mesin pemotong robot yang dapat memotong rumput sepenuhnya secara automatik pada kursus yang ditentukan sebelumnya. Berkat panduan GPS RTK, kursus ini dibuat semula pada setiap pemotongan dengan ketepatan yang lebih baik daripada 10 sentimeter (pengalaman saya). Kontrol ini didasarkan pada kad Aduino Mega, ditambah dengan beberapa perisai kawalan motor, akselerometer dan kompas serta kad memori.

Ini adalah pencapaian bukan profesional, tetapi telah memungkinkan saya menyedari masalah yang dihadapi dalam robotik pertanian. Disiplin yang sangat muda ini berkembang pesat, didorong oleh undang-undang baru mengenai pengurangan rumpai dan racun perosak. Sebagai contoh, berikut adalah pautan ke pameran robotik pertanian terkini di Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Beberapa syarikat seperti Naio Technologies sudah mengeluarkan robot operasi (https://www.naio-technologies.com/).

Sebagai perbandingan, pencapaian saya sangat sederhana tetapi tetap memungkinkan untuk memahami minat dan cabaran dengan cara yang suka bermain. …. Dan ia berjaya! … dan oleh itu dapat digunakan untuk memotong rumput di sekitar rumahnya, sambil menjaga masa lapang …

Walaupun saya tidak menjelaskan kesedarannya dalam butiran terakhir, petunjuk yang saya berikan sangat berharga bagi orang yang ingin melancarkannya. Jangan teragak-agak untuk mengemukakan soalan atau memberi cadangan, yang akan membolehkan saya menyelesaikan pembentangan saya untuk kebaikan semua orang.

Saya akan sangat gembira sekiranya projek jenis ini dapat memberi rasa lebih muda kepada orang muda untuk bidang kejuruteraan…. agar bersedia menghadapi perubahan hebat yang menanti kita….

Lebih-lebih lagi, jenis projek ini sangat cocok untuk sekumpulan anak muda yang bermotivasi di kelab atau fablab, untuk berlatih bekerja sebagai kumpulan projek, dengan mekanik, elektrikal, arkitek perisian yang diketuai oleh jurutera sistem, seperti dalam industri.

Langkah 2: SPESIFIKASI UTAMA

Tujuannya adalah untuk menghasilkan mesin pemotong prototaip yang mampu memotong rumput secara autonomi di kawasan yang mungkin mempunyai penyimpangan yang ketara (padang rumput dan bukannya rumput).

Penahanan lapangan tidak boleh berdasarkan batasan fizikal atau had wayar panduan terkubur seperti robot pemotong rumput. Medan yang akan dipotong memang berubah-ubah dan mempunyai permukaan yang besar.

Untuk batang pemotong, tujuannya adalah untuk mengekalkan pertumbuhan rumput pada ketinggian tertentu setelah memotong atau menyikat pertama yang diperoleh dengan cara lain.

Langkah 3: PEMBENTANGAN UMUM

Sistem ini terdiri daripada robot bergerak dan pangkalan tetap.

Pada robot mudah alih kami dapati:

- Papan pemuka

- Kotak kawalan umum termasuk kad memori.

- kayu bedik manual

- GPS dikonfigurasikan sebagai "rover" dan Penerima RTK

- 3 roda bermotor

- Motor roda roda

- batang pemotong yang terdiri daripada 4 cakera berputar yang masing-masing membawa 3 bilah pemotong di pinggir (lebar pemotongan 1 meter)

- kotak pengurusan bar pemotong

- bateri

Di pangkalan tetap kita dapati GPS dikonfigurasikan sebagai "dasar" dan juga pemancar pembetulan RTK. Kami perhatikan bahawa antena diletakkan pada ketinggian sehingga terpancar beberapa ratus meter di sekitar rumah.

Di samping itu, antena GPS dapat dilihat ke seluruh langit tanpa ghaib oleh bangunan atau tumbuh-tumbuhan.

Mod Rover dan asas GPS akan dijelaskan dan dijelaskan di bahagian GPS.

Langkah 4: ARAHAN OPERASI (1/4)

Saya mencadangkan untuk berkenalan dengan robot melalui manualnya yang menjadikan semua fungsi berfungsi dengan baik.

Penerangan mengenai papan pemuka:

- Suis umum

- Pemilih 3 kedudukan pertama memungkinkan untuk memilih mod operasi: mod perjalanan manual, mod rakaman trek, mod pemotongan

- Butang tekan digunakan sebagai penanda. Kami akan melihat kegunaannya.

- Dua pemilih 3 kedudukan lain digunakan untuk memilih nombor fail dari 9. Oleh itu, kami mempunyai 9 fail pemotongan atau catatan perjalanan untuk 9 bidang yang berbeza.

- Pemilih 3 kedudukan dikhaskan untuk kawalan bar pemotong. Posisi OFF, kedudukan ON, kedudukan kawalan yang diprogramkan.

- Paparan dua baris

- pemilih 3 kedudukan untuk menentukan 3 paparan berbeza

- LED yang menunjukkan status GPS. Tidak aktif, tidak ada GPS. Leds berkelip perlahan, GPS tanpa pembetulan RTK. LED berkelip pantas, pembetulan RTK diterima. Lampu menyala, kunci GPS pada ketepatan tertinggi.

Akhirnya, kayu bedik mempunyai dua pemilih 3 kedudukan. Yang kiri mengawal roda kiri, yang kanan mengawal roda kanan.

Langkah 5: ARAHAN OPERASI (2/4)

Mod operasi manual (GPS tidak diperlukan)

Setelah menghidupkan dan memilih mod ini dengan pemilih mod, mesin dikendalikan dengan kayu bedik.

Kedua-dua pemilih 3 posisi mempunyai spring yang selalu mengembalikannya ke posisi tengah, sepadan dengan berhenti roda.

Apabila tuas kiri dan kanan didorong ke depan, dua roda belakang berpusing dan mesin berjalan lurus.

Apabila anda menarik kedua tuas ke belakang, mesin akan kembali ke belakang.

Apabila tuas didorong ke depan, mesin berpusing memutar roda pegun.

Apabila satu tuas didorong ke depan dan yang lain ke belakang, mesin berputar di sekelilingnya pada titik di tengah gandar yang bergabung dengan roda belakang.

Motorisasi roda depan secara automatik menyesuaikan mengikut dua kawalan yang diletakkan pada dua roda belakang.

Akhirnya, dalam mod manual juga boleh memotong rumput. Untuk tujuan ini, setelah memeriksa bahawa tidak ada orang di dekat cakera pemotong, kami meletakkan ON pengurusan kotak bar pemotong (suis "keras" untuk keselamatan). Pemilih potongan panel instrumen kemudian diletakkan di ON. Pada masa ini 4 cakera bar pemotong berputar..

Langkah 6: ARAHAN OPERASI (3/4)

Mod rakaman trek (diperlukan GPS)

- Sebelum mula merakam larian, titik rujukan sewenang-wenang untuk lapangan ditentukan dan ditandai dengan tiang kecil. Titik ini akan menjadi asal koordinat dalam bingkai geografi (foto)

- Kami kemudian memilih nombor fail di mana perjalanan akan direkodkan, terima kasih kepada dua pemilih di papan pemuka.

- Pangkalan ON ditetapkan

- Periksa bahawa LED status GPS mula berkelip dengan cepat.

- Keluar dari mod manual dengan meletakkan pemilih mod panel instrumen pada kedudukan rakaman.

- Mesin kemudian dipindahkan secara manual ke kedudukan titik rujukan. Tepatnya adalah antena GPS yang mesti berada di atas mercu tanda ini. Antena GPS ini terletak di atas titik yang berpusat di antara dua roda belakang dan merupakan titik putaran mesin pada dirinya sendiri.

- Tunggu sehingga LED status GPS sekarang menyala tanpa berkelip. Ini menunjukkan bahawa GPS berada pada ketepatan maksimumnya (GPS "Perbaiki").

- Kedudukan 0.0 yang asal ditandakan dengan menekan penanda papan pemuka.

- Kami kemudian beralih ke titik seterusnya yang ingin kami petakan. Sebaik sahaja ia tercapai, kami memberi isyarat menggunakan penanda.

- Untuk menghentikan rakaman, kami beralih kembali ke mod manual.

Langkah 7: ARAHAN OPERASI (4/4)

Mod pemotongan (diperlukan GPS)

Pertama, anda harus menyiapkan fail poin yang harus dilalui mesin untuk memotong seluruh medan tanpa meninggalkan permukaan yang tidak dipotong. Untuk melakukan ini, kita dapat menyimpan fail dalam kad memori dan dari koordinat ini, menggunakan contohnya Excel, kita menghasilkan senarai titik seperti pada foto. Untuk setiap titik yang hendak dicapai, kami menunjukkan sama ada bar pemotong ON atau OFF. Oleh kerana bar pemotong yang menggunakan tenaga paling banyak (dari 50 hingga 100 Watt bergantung pada rumput), perlu berhati-hati untuk mematikan batang pemotong ketika melintasi ladang yang sudah dipotong misalnya.

Semasa papan pemotong dihasilkan, kad memori diletakkan kembali pada pelindungnya di laci kawalan.

Yang tinggal hanyalah meletakkan Pangkalan dan pergi ke medan pemotongan, tepat di atas mercu tanda rujukan. Pemilih mod kemudian ditetapkan ke "Mow".

Pada ketika ini mesin akan menunggu dengan sendirinya GPS RTK terkunci dalam "Fix" untuk memusatkan koordinat dan mula memotong.

Apabila pemotongan selesai, ia akan kembali sendiri ke titik permulaan, dengan ketepatan sekitar sepuluh sentimeter.

Semasa memotong, mesin bergerak dalam garis lurus antara dua titik fail titik berturut-turut. Lebar pemotongan adalah 1.1 meter Oleh kerana mesin mempunyai lebar antara roda 1 meter dan dapat berputar di sekitar roda (lihat video), adalah mungkin untuk membuat jalur pemotongan bersebelahan. Ini sangat berkesan!

Langkah 8: BAHAGIAN MEKANIKAL

Struktur robot

Robot ini dibina di sekitar struktur kisi tiub aluminium, yang memberikan kekakuan yang baik. Ukurannya kira-kira 1.20 meter, lebar 1 meter dan tinggi 80 cm.

Roda

Ia boleh bergerak berkat 3 roda basikal kanak-kanak berdiameter 20 inci: Dua roda belakang dan roda depan serupa dengan roda kereta pasar raya (gambar 1 dan 2). Pergerakan relatif kedua roda belakang memastikan orientasinya

Motor roller

Oleh kerana penyelewengan di lapangan, perlu mempunyai nisbah tork yang besar dan dengan itu nisbah pengurangan yang besar. Untuk tujuan ini saya menggunakan prinsip roller menekan pada roda, seperti pada solex (gambar 3 dan 4). Pengurangan besar memungkinkan mesin tetap stabil di lereng, walaupun kuasa enjin dipotong. Sebagai balasannya, mesin bergerak perlahan (3 meter / minit)… tetapi rumput juga tumbuh perlahan….

Untuk reka bentuk mekanikal saya menggunakan perisian lukisan Openscad (perisian skrip yang sangat cekap). Selari dengan rancangan terperinci saya menggunakan Drawing from Openoffice.

Langkah 9: GPS RTK (1/3)

GPS ringkas

GPS yang mudah (foto 1), yang ada di dalam kereta kami mempunyai ketepatan hanya beberapa meter. Sekiranya kita mencatat kedudukan yang ditunjukkan oleh GPS yang dikekalkan tetap selama satu jam misalnya, kita akan melihat turun naik beberapa meter. Fluktuasi ini disebabkan oleh gangguan di atmosfera dan ionosfera, tetapi juga kesalahan pada jam satelit dan kesalahan pada GPS itu sendiri. Oleh itu, ia tidak sesuai untuk permohonan kami.

GPS RTK

Untuk meningkatkan ketepatan ini, dua Gps digunakan pada jarak kurang dari 10 km (foto 2). Dalam keadaan ini, kita dapat menganggap bahawa gangguan atmosfera dan ionosfera sama pada setiap GPS. Oleh itu perbezaan kedudukan antara dua GPS tidak lagi terganggu (pembezaan). Sekiranya kita memasang salah satu GPS (pangkalan) dan meletakkan yang lain di atas kenderaan (rover), kita akan mendapatkan pergerakan kenderaan dengan tepat dari pangkalan tanpa gangguan. Lebih-lebih lagi, GPS ini melakukan pengukuran waktu penerbangan jauh lebih tepat daripada GPS sederhana (pengukuran fasa pada pembawa).

Berkat penambahbaikan ini, kami akan memperoleh ketepatan pengukuran sentimeter untuk pergerakan rover relatif ke dasar.

Sistem RTK (Real Time Kinematic) inilah yang telah kami pilih untuk digunakan.

Langkah 10: GPS RTK (2/3)

Saya membeli 2 litar GPS RTK (foto 1) dari syarikat Navspark.

Litar ini dipasang pada PCB kecil yang dilengkapi dengan pin pitch 2.54 mm, yang oleh itu dipasang terus pada plat uji.

Oleh kerana projek ini terletak di barat daya Perancis, saya memilih litar yang berfungsi dengan buruj satelit GPS Amerika dan juga buronan Rusia, Glonass.

Penting untuk memiliki jumlah satelit maksimum untuk mendapat keuntungan dari ketepatan terbaik. Dalam kes saya, saya kini mempunyai antara 10 dan 16 satelit.

Kita juga harus membeli

- 2 penyesuai USB, diperlukan untuk menyambungkan litar GPS ke PC (ujian dan konfigurasi)

- 2 antena GPS + 2 kabel penyesuai

- sepasang penerima pemancar 3DR sehingga pangkalan dapat mengeluarkan pembetulannya ke rover dan rover menerimanya.

Langkah 11: GPS RTK (3/3)

Notis GPS yang terdapat di laman Navspark membolehkan litar dilaksanakan secara beransur-ansur.

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

Di laman web Navspark, kami juga akan menemui

- perisian yang akan dipasang pada PC Windows untuk melihat output GPS dan litar program di pangkalan dan rover.

- Penerangan mengenai format data GPS (frasa NMEA)

Semua dokumen ini dalam bahasa Inggeris tetapi agak mudah difahami. Pada mulanya, pelaksanaannya dilakukan tanpa litar elektronik sedikit pun berkat penyesuai USB yang juga menyediakan semua bekalan kuasa elektrik.

Perkembangannya adalah seperti berikut:

- Menguji litar individu yang berfungsi sebagai GPS sederhana. Pandangan awan jambatan menunjukkan kestabilan beberapa meter.

- Memprogramkan satu litar di ROVER dan yang lain dalam BASE

- Membangun sistem RTK dengan menghubungkan dua modul dengan satu wayar. Pandangan awan jambatan menunjukkan kestabilan relatif ROVER / BASE beberapa sentimeter!

- Penggantian wayar penyambung BASE dan ROVER oleh transceiver 3DR. Di sini sekali lagi operasi di RTK membolehkan kestabilan beberapa sentimeter. Tetapi kali ini BASE dan ROVER tidak lagi dihubungkan oleh pautan fizikal…..

- Penggantian visualisasi PC dengan papan Arduino yang diprogramkan untuk menerima data GPS pada input bersiri … (lihat di bawah)

Langkah 12: BAHAGIAN ELEKTRIK (1/2)

Kotak kawalan elektrik

Foto 1 menunjukkan papan kotak kawalan utama yang akan diperincikan di bawah.

Pendawaian GPS

Pendawaian GPS asas dan pemotong ditunjukkan dalam Rajah 2.

Kabel ini secara semula jadi dicapai dengan mengikuti kemajuan arahan GPS (lihat bahagian GPS). Dalam semua keadaan, ada penyesuai USB yang membolehkan anda memprogramkan litar sama ada di dasar atau di rover berkat perisian PC yang disediakan oleh Navspark. Terima kasih kepada program ini, kami juga mempunyai semua maklumat kedudukan, bilangan satelit, dan lain-lain …

Di bahagian pemotong, pin Tx1 GPS disambungkan ke input bersiri 19 (Rx1) papan ARDUINO MEGA untuk menerima frasa NMEA.

Di dasar pin Tx1 GPS dihantar ke pin Rx radio 3DR untuk menghantar pembetulan. Di mesin pemotong, pembetulan yang diterima oleh radio 3DR dihantar ke pin Rx2 litar GPS.

Telah diperhatikan bahawa pembetulan dan pengurusannya dijamin sepenuhnya oleh rangkaian RTK GPS. Oleh itu, papan Aduino MEGA hanya menerima nilai kedudukan yang diperbetulkan.

Langkah 13: BAHAGIAN ELEKTRIK (2/2)

Papan Arduino MEGA dan pelindungnya

- Papan arduino MEGA

- Perisai motor roda belakang

- Pelindung motor roda depan

- Perisai arte SD

Dalam Gambar 1, diperhatikan bahawa penyambung plug-in diletakkan di antara papan supaya haba yang hilang di papan mesin dapat meluap. Di samping itu, sisipan ini membolehkan anda memotong pautan yang tidak diingini di antara kad, tanpa perlu mengubahnya.

Gambar 2 dan Gambar 3 menunjukkan bagaimana kedudukan penyongsang panel instrumen dan kayu bedik dibaca.

Langkah 14: PROGRAM MEMANDU ARDUINO

Papan mikrokontroler adalah Arduino MEGA (UNO tidak mempunyai cukup memori). Program pemanduan sangat mudah dan klasik. Saya telah mengembangkan fungsi untuk setiap operasi asas yang akan dilakukan (pembacaan papan pemuka, pemerolehan data GPS, paparan LCD, kawalan mesin atau kawalan putaran, dll …). Fungsi-fungsi ini kemudiannya mudah digunakan dalam program utama. Kelajuan perlahan mesin (3 meter / minit) menjadikan semuanya lebih mudah.

Walau bagaimanapun, bar pemotong tidak dikendalikan oleh program ini tetapi oleh program dewan UNO yang terletak di kotak tertentu.

Di bahagian SETUP program kami dapati

- Inisialisasi pin MEGA yang berguna dalam input atau output;

- Permulaan paparan LCD

- Permulaan kad memori SD

- Permulaan kecepatan pemindahan dari antara muka siri perkakasan ke GPS;

- Permulaan kecepatan pemindahan dari antara muka siri ke IDE;

- Mematikan mesin dan memotong bar

Di bahagian LOOP program yang kita dapati pada awalnya

- Panel instrumen dan kayu bedik, bacaan GPS, kompas dan pecutan;

- pemilih 3 plumbum, bergantung pada status pemilih mod panel instrumen (manual, rakaman, memotong)

Gelung LOOP ditandai dengan bacaan GPS yang tidak segerak yang merupakan langkah paling perlahan. Oleh itu, kita kembali ke permulaan gelung setiap 3 saat.

Dalam pintasan mod normal, fungsi gerakan dikendalikan mengikut kayu bedik dan paparan diperbaharui kira-kira setiap 3 saat (kedudukan, status GPS, arah kompas, kemiringan…). Tekanan pada penanda BP menunjukkan koordinat kedudukan yang akan dinyatakan dalam meter di mercu tanda geografi.

Dalam shunt mode simpan, semua posisi yang diukur semasa bergerak direkodkan pada kad SD (jangka masa sekitar 3 saat). Apabila tempat menarik dicapai, menekan penanda disimpan. dalam kad SD. Kedudukan mesin dipaparkan setiap 3 saat, dalam meter di mercu tanda geografi yang berpusat pada titik asal.

Dalam pemotongan mod pemotongan: Mesin sebelum ini bergerak di atas titik rujukan. Semasa menukar pemilih mod ke "memotong", program ini memerhatikan output GPS dan khususnya nilai bendera status. Apabila bendera status berubah menjadi "Perbaiki", program melakukan kedudukan sifar. Titik pertama untuk dicapai kemudian dibaca dalam fail pemotongan memori SD. Ketika titik ini tercapai, giliran mesin dilakukan seperti yang ditunjukkan dalam fail pemotongan, baik di sekitar roda, atau di sekitar pusat kedua roda.

Proses itu berulang sehingga titik terakhir dicapai (biasanya titik permulaan). Pada ketika ini program menghentikan mesin dan bar pemotong.

Langkah 15: PENGURUSAN BAR DAN PENGURUSANNYA

Bilah pemotong terdiri daripada 4 cakera berputar pada kelajuan 1200 rpm. Setiap cakera dilengkapi dengan 3 bilah pemotong. Cakera ini disusun sedemikian rupa untuk membuat jalur pemotong berterusan selebar 1.2 meter.

Enjin mesti dikawal untuk menghadkan arus

- semasa permulaan, kerana inersia cakera

- semasa memotong, kerana penyumbatan disebabkan oleh rumput yang terlalu banyak

Untuk tujuan ini arus dalam litar setiap motor diukur oleh perintang bergelombang bernilai rendah. Papan UNO berwayar dan diprogramkan untuk mengukur arus ini dan menghantar arahan PWM yang disesuaikan dengan motor.

Oleh itu, pada permulaan, kelajuan secara beransur-ansur meningkat ke nilai maksimum dalam 10 saat. Sekiranya tersumbat oleh rumput, enjin berhenti selama 10 saat dan beroperasi semula selama 2 saat. Sekiranya masalah berlanjutan, kitaran rehat 10 saat dan permulaan semula 2 saat bermula semula. Dalam keadaan ini, pemanasan enjin tetap terhad, walaupun berlaku sekatan kekal.

Enjin akan dimatikan atau berhenti apabila papan UNO menerima isyarat dari program perintis. Walau bagaimanapun, suis keras memungkinkan untuk mematikan kuasa dengan pasti untuk menjamin operasi perkhidmatan

Langkah 16: APA YANG HARUS DILAKUKAN? APA PENAMBAHBAIKAN?

Di peringkat GPS

Vegetasi (pokok) dapat menghadkan jumlah satelit yang dapat dilihat dari kenderaan dan mengurangkan ketepatan atau mencegah penguncian RTK. Oleh itu, adalah kepentingan kami untuk menggunakan seberapa banyak satelit pada masa yang sama. Oleh itu, akan menarik untuk melengkapkan rasi bintang GPS dan Glonass dengan buruj Galileo.

Seharusnya dapat memanfaatkan lebih dari 20 satelit dan bukannya maksimum 15, yang memungkinkan untuk menghilangkan skim dengan tumbuh-tumbuhan.

Perisai Arduino RTK mula wujud berfungsi serentak dengan 3 buruj ini:

Lebih-lebih lagi, pelindung ini sangat padat (foto 1) kerana ia merangkumi litar GPS dan pemancar pada sokongan yang sama.

…. Tetapi harganya jauh lebih tinggi daripada litar yang kami gunakan

Menggunakan LIDAR untuk melengkapkan GPS

Malangnya, dalam arborikultur berlaku bahawa penutup tumbuh-tumbuhan sangat penting (ladang hazel misalnya). Dalam kes ini, walaupun dengan penguncian RTK 3 rasi tidak mungkin dilakukan.

Oleh itu, adalah mustahak untuk memperkenalkan sensor yang memungkinkan untuk mengekalkan kedudukan walaupun tidak ada GPS sesaat.

Nampaknya saya (saya belum mempunyai pengalaman) bahawa penggunaan LIDAR dapat memenuhi fungsi ini. Batang pokok sangat mudah dijumpai dalam kes ini dan dapat digunakan untuk melihat kemajuan robot. GPS akan meneruskan fungsinya di hujung baris, di pintu keluar penutup tumbuh-tumbuhan.

Contoh jenis LIDAR yang sesuai adalah seperti berikut (Foto2):

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