RTK GPS hajtású fűnyíró: 16 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:40

Ez a robotfűnyíró teljesen automatikus fűnyírásra képes egy előre meghatározott pályán. Az RTK GPS -nek köszönhetően a pálya minden kaszáláskor 10 centiméternél jobb pontossággal kerül reprodukálásra.

1. lépés: BEVEZETÉS

Itt leírunk egy robotfűnyírót, amely képes teljesen automatikusan vágni a füvet egy előre meghatározott pályán. Az RTK GPS -nek köszönhetően a pálya minden kaszáláskor 10 centimétert meghaladó pontossággal reprodukálható (tapasztalataim szerint). A vezérlés Aduino Mega kártyán alapul, kiegészítve néhány motorvezérlő pajzzsal, gyorsulásmérővel és iránytűvel, valamint memóriakártyával.

Ez nem szakmai teljesítmény, de lehetővé tette számomra, hogy felismerjem a mezőgazdasági robotikában felmerült problémákat. Ez a nagyon fiatal tudomány gyorsan fejlődik, a gyomok és peszticidek csökkentésére vonatkozó új jogszabályok ösztönzik. Például itt található egy link a legújabb toulouse-i mezőgazdasági robotvásárra (https://www.fira-agtech.com/). Egyes vállalatok, például a Naio Technologies, már működő robotokat gyártanak (https://www.naio-technologies.com/).

Ehhez képest a teljesítményem nagyon szerény, de ennek ellenére lehetővé teszi az érdeklődés és a kihívások játékos módon történő megértését. …. És akkor tényleg működik! … És ezért fűnyírásra használható háza körül, miközben megőrzi szabadidejét…

Még ha nem is írom le a megvalósítást az utolsó részletekben, a jelzések, amelyeket adok, értékesek annak, aki elindítani szeretné. Ne habozzon, tegyen fel kérdéseket vagy tegyen javaslatokat, amelyek lehetővé teszik számomra, hogy mindenki javára befejezzem az előadást.

Nagyon örülnék, ha ez a fajta projekt sokkal fiatalabb embereknek adhatna ízelítőt a mérnöki tudományba…. hogy készen álljunk a ránk váró nagy robajra …

Ezenkívül az ilyen típusú projektek tökéletesen megfelelnének egy klubban vagy fablabban lévő motivált fiatalok csoportjának, hogy gyakoroljanak projektcsoportként, mechanikai, elektromos, szoftverépítészekkel, akiket rendszermérnök vezet, mint az iparágban.

2. lépés: FŐBB ELŐÍRÁSOK

A cél egy működőképes prototípusú fűnyíró előállítása, amely képes autonóm fűnyírásra olyan terepen, amely jelentős szabálytalanságokkal járhat (rétek helyett gyep).

A szántóföld korlátozása nem alapulhat fizikai akadályon vagy eltemetett vezetőhuzal korlátozáson, mint a fűnyíró robotoknál. A kaszálandó mezők valóban változóak és nagy felületűek.

A vágórúd esetében a cél az, hogy a fű növekedését bizonyos magasságban tartsa az első kaszálás vagy más módon végzett kefe után.

3. lépés: ÁLTALÁNOS BEMUTATÁS

A rendszer egy mobil robotból és egy rögzített bázisból áll.

A mobil roboton a következőket találjuk:

- A műszerfal

- Az általános vezérlő doboz, beleértve a memóriakártyát.

- a kézi joystick

- A "rover" -ként konfigurált GPS és az RTK vevő

- 3 motoros kerék

- Kerekek görgős motorjai

- a vágórúd 4 forgó tárcsából áll, amelyek mindegyikén 3 vágókés található a kerületen (vágási szélesség 1 méter)

- a vágórúd kezelő doboza

- az elemeket

A rögzített bázisban megtaláljuk a "bázis" -ként konfigurált GPS -t, valamint az RTK -korrekciók adóját. Megjegyezzük, hogy az antennát úgy helyezik el, hogy néhány száz méteren keresztül sugározzon a ház körül.

Ezenkívül a GPS antenna az egész égbolt látószögét látja, anélkül, hogy az épületek vagy a növényzet elzáródna.

A Rover módokat és a GPS bázist a GPS részben ismertetjük és ismertetjük.

4. lépés: HASZNÁLATI UTASÍTÁSOK (1/4)

Javaslom, hogy ismerkedjen meg a robottal a kézikönyvében, amely jól mutatja minden funkcióját.

A műszerfal leírása:

- Általános kapcsoló

- Az első 3 állású választó lehetővé teszi az üzemmódok kiválasztását: kézi menetmód, nyomfelvételi mód, kaszálási mód

- Nyomógombot használnak jelölőként. Látni fogjuk a felhasználását.

- Két másik háromállású választógombbal választhat ki egy fájlszámot a 9-ből. Ezért 9 kaszáló fájl vagy útlevél van 9 különböző mezőben.

- A vágószalag vezérléséhez egy 3 állású választó van kijelölve. KI állás, BE állás, programozott vezérlési pozíció.

- Kétsoros kijelző

- 3 állású választógomb 3 különböző kijelző meghatározásához

- LED, amely jelzi a GPS állapotát. Kikapcsol, nincs GPS. LED -ek lassan villognak, GPS RTK korrekció nélkül. Gyorsan villogó LED, RTK korrekció érkezett. LED -ek világítanak, GPS -zár a legnagyobb pontossággal.

Végül a joystick két háromállású választóval rendelkezik. A bal oldali a bal, a jobb a jobb.

5. lépés: HASZNÁLATI UTASÍTÁSOK (2/4)

Kézi üzemmód (GPS nem szükséges)

Miután bekapcsolta és kiválasztotta ezt az üzemmódot az üzemmódválasztóval, a gépet a joystick vezérli.

A két háromállású választónak van egy visszatérő rugója, amely mindig visszaállítja őket a középső helyzetbe, a kerekek megállásának megfelelően.

Ha a bal és a jobb kart előre tolja, a két hátsó kerék elfordul, és a gép egyenesen halad.

Ha visszahúzza a két kart, a gép egyenesen visszafelé megy.

Ha a kart előre tolja, a gép megfordul az álló kerék körül.

Amikor az egyik kart előre, a másikat hátra tolja, a gép a hátsó kerekeket összekötő tengely közepén egy pont körül forog maga körül.

Az első kerék motorizálása automatikusan igazodik a két hátsó kerékre szerelt két vezérlőelemhez.

Végül kézi üzemmódban lehetőség van fűnyírásra is. Ebből a célból, miután ellenőriztük, hogy senki sincs a vágótárcsák közelében, bekapcsoltuk a vágórúd kezelő dobozát ("kemény" kapcsoló a biztonság érdekében). A műszerfal vágásválasztója ezután BE állásba kerül. Jelenleg a vágórúd 4 tárcsa forog..

6. lépés: HASZNÁLATI UTASÍTÁSOK (3/4)

Sávfelvételi mód (GPS szükséges)

- A futás rögzítésének megkezdése előtt egy tetszőleges referenciapontot kell megadni a mezőhöz, és kis tétet kell jelölni. Ez a pont lesz a földrajzi keretben lévő koordináták eredete (fotó)

- Ezután kiválasztjuk a fájl számát, amelybe az utazás rögzítésre kerül, köszönhetően a műszerfalon található két választónak.

- Az ON alap be van állítva

- Ellenőrizze, hogy a GPS állapotjelző LED gyorsan villogni kezd.

- Lépjen ki a kézi üzemmódból a műszerfal üzemmódválasztó rögzítési helyzetbe állításával.

- A gép ezután manuálisan a referenciapont helyzetbe kerül. Pontosan a GPS -antenna kell, hogy e mérföldkő felett legyen. Ez a GPS antenna a két hátsó kerék középpontja fölött helyezkedik el, amely a gép forgási pontja önmagában.

- Várjon, amíg a GPS állapotjelző LED villogni nem kezd. Ez azt jelzi, hogy a GPS maximális pontossággal rendelkezik ("Fix" GPS).

- Az eredeti 0.0 pozíciót a műszerfal jelölő megnyomásával lehet megjelölni.

- Ezután áttérünk a következő pontra, amelyet feltérképezni szeretnénk. Amint eléri, jelzővel jelezzük.

- A felvétel leállításához visszakapcsolunk kézi üzemmódba.

7. lépés: HASZNÁLATI UTASÍTÁSOK (4/4)

Kaszálási mód (GPS szükséges)

Először is elő kell készítenie a pontfájlt, amelyen a gépnek át kell esnie ahhoz, hogy az egész mezőt lenyírja anélkül, hogy vágatlan felületet hagyna. Ehhez megkapjuk a memóriakártyára mentett fájlt, és ezekből a koordinátákból, például Excel segítségével, létrehozunk egy pontlistát, mint a fényképen. Az elérni kívánt pontok mindegyikénél jelezzük, hogy a vágórúd BE vagy KI. Mivel a vágórúd fogyasztja a legtöbb energiát (50 és 100 watt között, a fűtől függően), ügyelni kell arra, hogy kapcsolja ki a vágórudat, amikor például egy már kaszált mezőt keresztez.

A fűnyírótábla létrehozásakor a memóriakártya visszahelyeződik a vezérlőfiókban lévő pajzsára.

Ezután már nem kell mást tennie, mint bekapcsolni az alapot, és elindulni a kaszálómezőre, közvetlenül a referenciapont fölé. A módválasztó ekkor "Kaszálás" állásba kerül.

Ekkor a gép magától megvárja, hogy a GPS RTK zárolása a "Fix" beállításban nullázza a koordinátákat, és megkezdje a kaszálást.

A kaszálás befejezése után egyedül tér vissza a kiindulási ponthoz, körülbelül tíz centiméteres pontossággal.

Fűnyírás közben a gép egyenes vonalban mozog a pontfájl két egymást követő pontja között. A vágási szélesség 1,1 méter Mivel a gép szélessége a kerekek között 1 méter, és el tud forogni egy kerék körül (lásd a videót), lehetséges szomszédos kaszálószalagok készítése. Ez nagyon hatékony!

8. lépés: MECHANIKAI RÉSZ

A robot felépítése

A robot alumínium csövek rácsos szerkezete köré épül, ami jó merevséget biztosít. Méretei körülbelül 1,20 méter hosszúak, 1 méter szélesek és 80 cm magasak.

A kerekek

Mozoghat a 20 colos átmérőjű gyermekkerékpárnak köszönhetően: két hátsó kerék és egy szupermarket kocsikhoz hasonló első kerék (1. és 2. kép). A két hátsó kerék relatív mozgása biztosítja a tájékozódást

A görgős motorok

A szántóföldön fellépő szabálytalanságok miatt nagy nyomatékarányokra és ezért nagy csökkentési arányra van szükség. Ebből a célból a görgős préselés elvét használtam a kerékre, mint egy szondára (3. és 4. kép). A nagy csökkentés lehetővé teszi a gép stabil tartását lejtőn, még akkor is, ha a motor teljesítménye csökken. Cserébe a gép lassan halad (3 méter/ perc)… de a fű is lassan nő….

A mechanikai tervezéshez az Openscad rajzoló szoftvert használtam (nagyon hatékony script szoftver). A részletes tervekhez párhuzamosan a Drawing from Openoffice alkalmazást használtam.

9. lépés: RTK GPS (1/3)

Egyszerű GPS

Az egyszerű GPS (1. fotó), az autónkban lévő csak néhány méteres pontossággal rendelkezik. Ha rögzítjük az ilyen GPS által jelzett pozíciót, például egy órán keresztül rögzítve, akkor több méteres ingadozást figyelünk meg. Ezeket az ingadozásokat a légkör és az ionoszféra zavarai okozzák, de a műholdak óráinak hibái és a GPS hibái is. Ezért nem alkalmas a mi alkalmazásunkra.

RTK GPS

E pontosság javítása érdekében két Gps -t használnak 10 km -nél kisebb távolságban (2. fotó). Ilyen körülmények között úgy tekinthetjük, hogy a légkör és az ionoszféra zavarai minden GPS -en azonosak. Így a két GPS közötti pozíciókülönbség már nem zavar (differenciál). Ha most csatlakoztatjuk az egyik GPS -t (az alapot), a másikat pedig egy járműre (a roverre) helyezzük, akkor pontosan meg fogjuk kapni a jármű mozgását a bázistól zavartalanul. Ezenkívül ezek a GPS sokkal pontosabb repülési időt végeznek, mint az egyszerű GPS (fázismérések a hordozón).

Ezeknek a fejlesztéseknek köszönhetően centiméteres mérési pontosságot kapunk a rover mozgásához az alaphoz képest.

Ezt az RTK (Real Time Kinematic) rendszert választottuk.

10. lépés: RTK GPS (2/3)

Vettem 2 RTK GPS áramkört (1. fotó) a Navspark cégtől.

Ezeket az áramköröket egy kis NYÁK -ra szerelik fel, amely 2,54 mm -es szögű csapokkal van felszerelve, és ezért közvetlenül a tesztlemezekre szerelhető.

Mivel a projekt Franciaország délnyugati részén található, az amerikai GPS műholdak és az orosz Glonass csillagképekkel működő áramköröket választottam.

Fontos, hogy a maximális számú műhold legyen a legjobb pontosság érdekében. Az én esetemben jelenleg 10 és 16 műhold között vagyok.

Vásárolnunk is kell

- 2 USB -adapter, amelyek szükségesek a GPS áramkör számítógéphez való csatlakoztatásához (tesztek és konfiguráció)

- 2 GPS -antenna + 2 adapterkábel

- egy pár 3DR adó-vevő, hogy a bázis kiadhassa a javításait a rovernek, és a rover fogadja azokat.

11. lépés: RTK GPS (3/3)

A Navspark webhelyen található GPS -értesítés lehetővé teszi az áramkörök fokozatos megvalósítását.

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

A Navspark honlapján megtaláljuk

- a Windows PC -jére telepítendő szoftver a GPS kimenetek és programáramkörök megtekintéséhez a bázisállomáson és a roverben.

- A GPS adatformátum leírása (NMEA kifejezések)

Mindezek a dokumentumok angol nyelvűek, de viszonylag könnyen érthetők. Kezdetben a megvalósítás a legkisebb elektronikus áramkör nélkül történik, köszönhetően az USB -adaptereknek, amelyek minden elektromos áramellátást is biztosítanak.

A haladás a következő:

- Egyszerű áramkörök tesztelése, amelyek egyszerű GPS -ként működnek. A hidak felhő nézete néhány méteres stabilitást mutat.

- Az egyik áramkör programozása a ROVER -ben, a másik a BASE -ban

- RTK rendszer kiépítése a két modul egyetlen vezetékkel történő összekapcsolásával. A hidak felhő nézete néhány centiméteres ROVER/BASE relatív stabilitást mutat!

- A BASE és ROVER összekötő vezeték cseréje a 3DR adó -vevővel. Az RTK -ban végzett művelet itt is néhány centiméteres stabilitást tesz lehetővé. De ezúttal a BASE -t és a ROVER -t nem fizikai kapcsolat köti össze….

- A számítógépes vizualizáció cseréje egy Arduino kártyára, amely beprogramozott GPS adatok fogadására soros bemeneten keresztül (lásd alább)

12. lépés: ELEKTROMOS RÉSZ (1/2)

Az elektromos vezérlő doboz

Az 1. fotó a fő vezérlőpanel táblákat mutatja, amelyeket az alábbiakban részletezünk.

A GPS bekötése

Az alap és a fűnyíró GPS bekötése a 2. ábrán látható.

Ez a kábelezés természetesen a GPS utasítások előrehaladásának követésével érhető el (lásd a GPS részt). Minden esetben van egy USB -adapter, amely lehetővé teszi az áramkörök programozását bázisállomáson vagy roverben a Navspark által biztosított PC -szoftvernek köszönhetően. Ennek a programnak köszönhetően az összes pozícióinformációval, a műholdak számával stb.

A fűnyíró részben a GPS Tx1 csapja az ARDUINO MEGA kártya 19 (Rx1) soros bemenetéhez van csatlakoztatva, hogy megkapja az NMEA kifejezéseket.

A bázisban a GPS Tx1 érintkezőjét elküldik a 3DR rádió Rx tűjére a javítások elküldéséhez. A fűnyíróban a 3DR rádió által kapott javításokat elküldi a GPS áramkör Rx2 tűjére.

Megjegyezzük, hogy ezeket a korrekciókat és azok kezelését a GPS RTK áramkörök teljes mértékben biztosítják. Így az Aduino MEGA kártya csak korrigált pozícióértékeket kap.

13. lépés: ELEKTROMOS RÉSZ (2/2)

Az Arduino MEGA tábla és annak pajzsai

- MEGA arduino tábla

- Hátsó kerék motorok pajzs

- Első kerék motorpajzs

- Shield arte SD

Az 1. ábrán megjegyzendő, hogy a táblalapok közé dugaszolható csatlakozókat helyeztek el, hogy a motorlapokban eloszlatott hő szellőzhessen. Ezenkívül ezek a betétek lehetővé teszik a nem kívánt linkek levágását a kártyák között, anélkül, hogy módosítani kellene őket.

A 2. és a 3. ábra a műszerfal invertereinek és a joystick helyzetének olvasását mutatja be.

14. lépés: AZ ARDUINO VEZETŐ PROGRAM

A mikrokontroller kártya egy Arduino MEGA (UNO nem rendelkezik elegendő memóriával). A vezetési program nagyon egyszerű és klasszikus. Minden elvégzendő alapvető művelethez kifejlesztettem egy funkciót (műszerfal olvasás, GPS adatgyűjtés, LCD kijelző, gépi előrehaladás vagy forgásvezérlés, stb.). Ezeket a funkciókat ezután könnyen használhatjuk a főprogramban. A gép lassú sebessége (3 méter/ perc) sokkal könnyebbé teszi a dolgokat.

A vágórudat azonban nem ez a program kezeli, hanem az UNO testület programja, amely az adott dobozban található.

A program SETUP részében megtaláljuk

- A MEGA kártya hasznos pin inicializálása a be- vagy kimeneteken;

- LCD kijelző inicializálása

- SD memóriakártya inicializálása

- Az átviteli sebesség inicializálása a hardver soros interfészről a GPS -re;

- Az átviteli sebesség inicializálása a soros interfészről az IDE -re;

- A motorok és a vágórúd leállítása

A program LOOP részében az elején találjuk

- műszerfal és joystick, GPS, iránytű és gyorsulásmérő;

- 3 vezetékes választó, a műszerfal módválasztó állapotától függően (kézi, felvétel, kaszálás)

A LOOP hurkot a GPS aszinkron leolvasása jelzi, ami a leglassabb lépés. Tehát körülbelül 3 másodpercenként visszatérünk a ciklus elejére.

Normál üzemmódú bypass esetén a mozgásfunkciót a joystick vezérli, és a kijelző hozzávetőleg 3 másodpercenként frissül (pozíció, GPS állapot, iránytű iránya, dőlés …). A BP jelölő megnyomása nullázza a földrajzi tájékozódási pontban méterben kifejezett pozíció koordinátákat.

A mentési mód shuntjában a mozgás során mért összes pozíció rögzítésre kerül az SD -kártyára (kb. 3 másodperc). Ha eléri az érdekes pontot, a jelölő megnyomása mentésre kerül. az SD kártyán. A gép helyzete 3 másodpercenként jelenik meg, méterben a földrajzi tájékozódási ponton, a kiindulási pont közepén.

Kaszálási üzemmódú söntben: A gép korábban a referenciapont fölé került. Amikor az üzemmódválasztót "kaszálás" -ra kapcsolja, a program figyeli a GPS kimeneteket és különösen az állapotjelző értékét. Amikor az állapotjelző "Fix" -re változik, a program végrehajtja a nulla pozíciót. Az első elérni kívánt pontot ezután be kell olvasni az SD memória kaszáló fájljában. Amikor eléri ezt a pontot, a gép a kaszáló fájlban leírtak szerint fordul el, vagy egy kerék körül, vagy a két kerék középpontja körül.

A folyamat addig ismétlődik, amíg el nem éri az utolsó pontot (általában a kiindulási pontot). Ekkor a program leállítja a gépet és a vágórudat.

15. lépés: A VÁGÓSÖG ÉS VEZETÉSE

A vágórúd 4 tárcsából áll, amelyek 1200 fordulat / perc sebességgel forognak. Minden tárcsa 3 vágókéssel van felszerelve. Ezek a tárcsák úgy vannak elrendezve, hogy 1,2 méter széles folytonos vágószalagot képezzenek.

A motorokat ellenőrizni kell az áram korlátozása érdekében

- indításkor, a tárcsák tehetetlensége miatt

- vágás közben, a túl sok fű okozta eltömődés miatt

Ebből a célból az egyes motorok áramkörében lévő áramot alacsony értékű tekercselt ellenállásokkal mérik. Az UNO kártya be van kötve és programozva ezeknek az áramoknak a mérésére és a motorokhoz igazított PWM parancs küldésére.

Így indításkor a sebesség fokozatosan 10 másodperc alatt a maximális értékre emelkedik. Fű elzáródása esetén a motor 10 másodpercre leáll, és 2 másodpercig újrapróbálkozik. Ha a probléma továbbra is fennáll, a 10 másodperces pihenő és a 2 másodperces újraindítási ciklus újraindul. Ilyen körülmények között a motor felmelegedése korlátozott marad, még akkor is, ha állandóan blokkolják.

A motorok elindulnak vagy leállnak, amikor az UNO kártya megkapja a kísérleti program jelét. A kemény kapcsoló azonban lehetővé teszi az áram megbízható lekapcsolását a szervizműveletek biztosítása érdekében

16. lépés: MIT TEGYEN? MILYEN JAVÍTÁSOK?

GPS szinten

A növényzet (fák) korlátozhatja a műholdak számát a járműre nézve, csökkentheti a pontosságot vagy megakadályozhatja az RTK -lezárást. Ezért érdekünk, hogy minél több műholdat használjunk egyszerre. Érdekes lenne tehát kiegészíteni a GPS és a Glonass csillagképeket a Galilei csillagképpel.

Lehetővé kell tenni, hogy a maximum 15 műhold helyett 20 műholdból részesülhessenek, ami lehetővé teszi, hogy megszabaduljunk a növényzet általi lefölözéstől.

Az Arduino RTK pajzsok egyidejűleg kezdenek működni ezzel a 3 konstellációval:

Ezenkívül ezek a pajzsok nagyon kompaktak (1. fotó), mivel mind a GPS áramkört, mind az adó -vevőt ugyanazon a támogatásban tartalmazzák.

…. De az ár sokkal magasabb, mint az általunk használt áramkörök ára

LIDAR használata a GPS kiegészítésére

Sajnos az erdészetben előfordul, hogy a növénytakaró nagyon fontos (például mogyoróföld). Ebben az esetben az RTK zárolás még a 3 csillagkép mellett sem lehetséges.

Ezért olyan érzékelőt kell bevezetni, amely lehetővé teszi a pozíció megtartását a GPS pillanatnyi hiányában is.

Számomra úgy tűnik (nem volt tapasztalatom), hogy a LIDAR használata képes betölteni ezt a funkciót. A fák törzsei ebben az esetben nagyon könnyen észrevehetők, és felhasználhatók a robot haladásának megfigyelésére. A GPS a sor végén, a növénytakaró kijáratánál folytatná funkcióját.

Egy példa a megfelelő típusú LIDAR -ra a következő (2. kép):

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