RTK GPS varoma vejapjovė: 16 žingsnių

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

Ši robotas vejapjovė gali visiškai automatiškai pjauti žolę iš anksto nustatytu kursu. Dėl RTK GPS nurodymų, kursas atkuriamas kiekvieną kartą pjaunant geriau nei 10 centimetrų.

1 žingsnis: ĮVADAS

Čia aprašysime robotą vejapjovę, galinčią visiškai automatiškai nupjauti žolę iš anksto nustatytu kursu. Dėka RTK GPS nurodymų, kursas atkuriamas kiekvieną kartą pjaunant, tiksliau nei 10 centimetrų (mano patirtis). Valdymas pagrįstas „Aduino Mega“kortele, kurią papildo kai kurie variklio valdymo skydai, akselerometrai ir kompasas, taip pat atminties kortelė.

Tai neprofesionalus pasiekimas, tačiau tai leido man suvokti problemas, su kuriomis susiduriama žemės ūkio robotikoje. Ši labai jauna disciplina sparčiai vystosi, paskatinta naujų teisės aktų dėl piktžolių ir pesticidų mažinimo. Pavyzdžiui, čia yra nuoroda į naujausią žemės ūkio robotikos mugę Tulūzoje (https://www.fira-agtech.com/). Kai kurios įmonės, tokios kaip „Naio Technologies“, jau gamina operatyvius robotus (https://www.naio-technologies.com/).

Palyginimui, mano pasiekimas yra labai kuklus, tačiau vis dėlto leidžia žaismingai suprasti susidomėjimą ir iššūkius. …. Ir tada tai tikrai veikia! … ir todėl gali būti naudojamas pjauti žolę aplink jo namus, kartu išlaikant laisvalaikį …

Net jei aš ir neapsakysiu realizavimo paskutinėse detalėse, mano duodamos nuorodos yra vertingos tam, kuris norėtų pradėti. Nedvejodami užduokite klausimus ar siūlykite pasiūlymus, kurie leis man užbaigti savo pristatymą visų labui.

Būčiau labai laimingas, jei tokio tipo projektai suteiktų daug jaunesniems žmonėms galimybę paragauti inžinerijos … tam, kad būtume pasiruošę didžiam sukrėtimui, kuris mūsų laukia….

Be to, tokio tipo projektai puikiai tiktų motyvuotų jaunuolių grupei klube ar fablaboje, praktikai dirbti kaip projekto grupei, kartu su mechanikos, elektros, programinės įrangos architektais, vadovaujamais sistemų inžinieriumi, kaip ir pramonėje.

2 žingsnis: PAGRINDINĖS SPECIFIKACIJOS

Tikslas yra sukurti veikiančią žoliapjovės prototipą, galintį savarankiškai pjauti žolę vietovėje, kuri gali turėti didelių nelygumų (pievos, o ne veja).

Lauko izoliacija negali būti pagrįsta fizine kliūtimi ar palaidoto kreipiamojo laido apribojimu, kaip ir vejos pjovimo robotams. Šienaujami laukai išties įvairūs ir didelio paviršiaus.

Pjovimo juostos tikslas yra išlaikyti žolės augimą tam tikrame aukštyje po pirmojo pjovimo ar šveitimo kitomis priemonėmis.

3 žingsnis: BENDRAS PRISTATYMAS

Sistemą sudaro mobilus robotas ir fiksuota bazė.

Mobiliame robote randame:

- Prietaisų skydelis

- Bendras valdymo blokas, įskaitant atminties kortelę.

- rankinis vairasvirtė

- GPS sukonfigūruotas kaip „roveris“ir RTK imtuvas

- 3 varomi ratai

- Ratų ritininiai varikliai

- pjovimo strypas, sudarytas iš 4 besisukančių diskų, kurių kiekvienoje periferijoje yra 3 pjovimo ašmenys (pjovimo plotis 1 metras)

- pjovimo juostos valdymo dėžutė

- baterijos

Fiksuotoje bazėje randame GPS, sukonfigūruotą kaip „bazę“, taip pat RTK pataisų siųstuvą. Atkreipiame dėmesį, kad antena yra pastatyta aukštyje taip, kad spinduliuotų kelis šimtus metrų aplink namą.

Be to, GPS antena mato visą dangų be jokių pastatų ar augmenijos užtemimų.

„Rover“režimai ir GPS bazė bus aprašyti ir paaiškinti GPS skyriuje.

4 žingsnis: NAUDOJIMO INSTRUKCIJA (1/4)

Siūlau susipažinti su robotu pagal jo vadovą, kuris puikiai parodo visas jo funkcijas.

Prietaisų skydelio aprašymas:

- Bendras jungiklis

- Pirmasis 3 padėčių selektorius leidžia pasirinkti darbo režimus: rankinį važiavimo režimą, takelio įrašymo režimą, pjovimo režimą

- Mygtukas naudojamas kaip žymeklis. Pamatysime jo panaudojimą.

- Du kiti 3 padėčių selektoriai naudojami failo numeriui pasirinkti iš 9. Todėl turime 9 pjovimo rinkmenas arba 9 skirtingų laukų kelionės įrašus.

- Pjovimo juostos valdymui skirtas 3 padėčių selektorius. OFF padėtis, ON padėtis, užprogramuota valdymo padėtis.

- Dviejų eilučių ekranas

- 3 padėčių selektorius, skirtas 3 skirtingiems ekranams apibrėžti

- šviesos diodas, rodantis GPS būseną. Išsijungia, nėra GPS. Ledai mirksi lėtai, GPS be RTK pataisymų. Greitai mirksi šviesos diodas, gautos RTK pataisos. Šviesos diodai, GPS užraktas aukščiausio tikslumo.

Galiausiai, vairasvirtėje yra du 3 padėčių selektoriai. Kairysis valdo kairįjį ratą, dešinysis - dešinįjį.

5 veiksmas: NAUDOJIMO INSTRUKCIJA (2/4)

Rankinis režimas (GPS nereikalingas)

Įjungus ir pasirinkus šį režimą režimo parinkikliu, mašina valdoma vairasvirte.

Du trijų padėčių selektoriai turi grįžtamąją spyruoklę, kuri visada grąžina juos į vidurinę padėtį, atitinkančią ratų sustojimą.

Kai kairė ir dešinė svirtys yra stumiamos į priekį, du galiniai ratai sukasi ir mašina važiuoja tiesiai.

Kai traukiate dvi svirtis atgal, mašina eina tiesiai atgal.

Kai svirtis stumiama į priekį, mašina apsisuka aplink stacionarų ratą.

Kai viena svirtis yra stumiama į priekį, o kita - atgal, mašina sukasi aplink save ašies viduryje, jungiančioje galinius ratus.

Priekinio rato variklis automatiškai sureguliuojamas pagal du valdiklius, esančius ant dviejų galinių ratų.

Galiausiai, rankiniu režimu taip pat galima pjauti žolę. Šiuo tikslu, patikrinę, ar niekas nėra šalia pjovimo diskų, mes įjungėme pjovimo juostos valdymo dėžutę („kietas“jungiklis dėl saugumo). Tada prietaisų skydelio pjūvio parinkiklis yra įjungtas. Šiuo metu sukasi 4 pjovimo juostos diskai..

6 žingsnis: NAUDOJIMO INSTRUKCIJA (3/4)

Takelio įrašymo režimas (reikalingas GPS)

- Prieš pradedant įrašyti eigą, savavališkas lauko atskaitos taškas yra apibrėžtas ir pažymėtas nedideliu statymu. Šis taškas bus koordinačių kilmė geografiniame rėmelyje (nuotrauka)

- Tada mes pasirenkame failo numerį, kuriuo bus įrašyta kelionė, dviejų parinkiklių dėka prietaisų skydelyje.

- Įjungta bazė

- Patikrinkite, ar GPS būsenos šviesos diodas pradeda greitai mirksėti.

- Išjunkite rankinį režimą, nustatydami prietaisų skydelio režimo parinkiklį į įrašymo padėtį.

- Tada mašina rankiniu būdu perkeliama į atskaitos taško padėtį. Būtent GPS antena turi būti virš šio orientyro. Ši GPS antena yra virš taško, esančio tarp dviejų galinių ratų ir kuris yra mašinos sukimosi taškas.

- Palaukite, kol GPS būsenos šviesos diodas užsidegs ir nemirksės. Tai rodo, kad GPS yra maksimaliai tikslus („Fix“GPS).

- Pradinė 0.0 padėtis pažymima paspaudus prietaisų skydelio žymeklį.

- Tada pereiname prie kito taško, kurį norime susieti. Kai tik jis pasiekiamas, mes apie tai signalizuojame naudodami žymeklį.

- Norėdami nutraukti įrašymą, grįžtame į rankinį režimą.

7 žingsnis: NAUDOJIMO INSTRUKCIJA (4/4)

Pjovimo režimas (reikalingas GPS)

Pirmiausia turite paruošti taškų failą, kurį mašina turi praeiti, kad galėtų pjauti visą lauką nepalikdamas nenupjauto paviršiaus. Norėdami tai padaryti, mes gauname failą, išsaugotą atminties kortelėje, ir iš šių koordinačių, pavyzdžiui, naudodami „Excel“, sugeneruojame taškų sąrašą, kaip ir nuotraukoje. Kiekvienam pasiekiamam taškui nurodome, ar pjovimo juosta yra ĮJUNGTA, ar IŠJUNGTA. Kadangi tai yra pjovimo strypas, kuris sunaudoja daugiausiai energijos (nuo 50 iki 100 vatų, priklausomai nuo žolės), reikia būti atsargiems, kad, pavyzdžiui, kertant jau nupjautą lauką, išjungtumėte pjovimo strypą.

Sukūrus pjovimo lentą, atminties kortelė vėl uždedama ant skydo valdymo stalčiuje.

Tada belieka tik įjungti pagrindą ir eiti į pjovimo lauką, tiesiai virš atskaitos taško. Tada režimo parinkiklis yra nustatytas į „Pjauti“.

Šiuo metu mašina pati lauks, kol GPS RTK užraktas „Fix“nustatys nulines koordinates ir pradės pjauti.

Kai pjovimas bus baigtas, jis grįš vienas į pradinį tašką, maždaug dešimties centimetrų tikslumu.

Pjovimo metu mašina juda tiesia linija tarp dviejų iš eilės einančių taškų failo taškų. Pjovimo plotis yra 1,1 metro Kadangi mašinos plotis tarp ratų yra 1 metras ir gali suktis aplink ratą (žr. Vaizdo įrašą), galima padaryti greta esančias pjovimo juosteles. Tai labai veiksminga!

8 žingsnis: MECHANINĖ DALIS

Roboto struktūra

Robotas yra pastatytas aplink aliuminio vamzdžių grotelių struktūrą, kuri suteikia jam gerą standumą. Jo matmenys yra apie 1,20 metro ilgio, 1 metro pločio ir 80 cm aukščio.

Ratai

Jis gali judėti dėl 3 vaikiškų dviračių ratų, kurių skersmuo 20 colių: du galiniai ratai ir priekinis ratas, panašus į prekybos centrų vežimėlių ratą (1 ir 2 nuotraukos). Santykinis dviejų galinių ratų judėjimas užtikrina jo orientaciją

Ritininiai varikliai

Dėl lauko nelygumų būtina turėti didelius sukimo momento santykius, taigi ir didelį sumažinimo koeficientą. Šiuo tikslu aš naudoju ritinėlio spaudimo ant rato principą, kaip ir ant solekso (3 ir 4 nuotraukos). Didelis sumažinimas leidžia išlaikyti mašiną stabilią šlaite, net kai variklio galia sumažėja. Savo ruožtu mašina lėtai juda į priekį (3 metrai per minutę), tačiau žolė taip pat auga lėtai….

Mechaniniam projektavimui naudojau piešimo programinę įrangą „Openscad“(labai efektyvi scenarijų programinė įranga). Detaliems planams lygiagrečiai naudojau „Drawing from Openoffice“.

9 veiksmas: RTK GPS (1/3)

Paprastas GPS

Paprastas GPS (1 nuotrauka), tas, kuris yra mūsų automobilyje, turi tik kelių metrų tikslumą. Jei įrašysime, pavyzdžiui, valandą fiksuotą GPS nurodytą padėtį, stebėsime kelių metrų svyravimus. Šie svyravimai atsiranda dėl trikdžių atmosferoje ir jonosferoje, taip pat dėl palydovų laikrodžių klaidų ir paties GPS klaidų. Todėl jis netinka mūsų programai.

RTK GPS

Siekiant pagerinti šį tikslumą, du Gps naudojami mažesniu nei 10 km atstumu (2 nuotrauka). Esant tokioms sąlygoms, galime manyti, kad atmosferos ir jonosferos trikdžiai yra vienodi kiekviename GPS. Taigi dviejų GPS padėties skirtumas nebėra sutrikdytas (diferencialas). Jei dabar vieną iš GPS (pagrindo) pritvirtinsime, o kitą pastatysime ant transporto priemonės (roverio), mes tiksliai gausime transporto priemonės judėjimą iš pagrindo be trikdžių. Be to, šie GPS skrydžio matavimo laiką atlieka daug tiksliau nei paprastas GPS (fazės matavimai nešiklyje).

Šių patobulinimų dėka mes gausime centimetrinį roverio judėjimo tikslumą pagrindo atžvilgiu.

Būtent šią RTK (realaus laiko kinematinę) sistemą mes pasirinkome naudoti.

10 veiksmas: RTK GPS (2/3)

Aš nusipirkau 2 RTK GPS grandines (1 nuotrauka) iš bendrovės „Navspark“.

Šios grandinės yra sumontuotos ant mažos PCB su 2,54 mm žingsnio kaiščiais, todėl tvirtinamos tiesiai ant bandymo plokštelių.

Kadangi projektas yra Prancūzijos pietvakariuose, aš pasirinkau grandines, veikiančias su Amerikos GPS palydovų žvaigždynais ir Rusijos Glonass žvaigždynu.

Svarbu turėti maksimalų palydovų skaičių, kad būtų užtikrintas geriausias tikslumas. Mano atveju šiuo metu turiu nuo 10 iki 16 palydovų.

Mes taip pat turime nusipirkti

- 2 USB adapteriai, reikalingi GPS grandinei prijungti prie kompiuterio (bandymai ir konfigūracija)

- 2 GPS antenos + 2 adapterio kabeliai

- pora 3DR siųstuvo-imtuvo, kad bazė galėtų ištaisyti roverį ir roveris juos gautų.

11 veiksmas: RTK GPS (3/3)

„Navspark“svetainėje rastas GPS pranešimas leidžia grandines įgyvendinti palaipsniui.

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

„Navspark“svetainėje taip pat rasime

- programinė įranga, kuri turi būti įdiegta „Windows“kompiuteryje, kad būtų galima peržiūrėti GPS išvestis ir programines grandines bazėje ir „rover“.

- GPS duomenų formato aprašymas (NMEA frazės)

Visi šie dokumentai yra anglų kalba, tačiau yra gana lengvai suprantami. Iš pradžių diegimas atliekamas be mažiausios elektroninės grandinės dėl USB adapterių, kurie taip pat aprūpina visus elektros energijos šaltinius.

Progresas yra toks:

- Atskirų grandinių, veikiančių kaip paprastas GPS, testavimas. Tiltų vaizdas iš debesies rodo kelių metrų stabilumą.

- Programuoti vieną grandinę ROVER, o kitą - BASE

- RTK sistemos kūrimas sujungiant du modulius vienu laidu. Tiltų debesų vaizdas rodo santykinį kelių centimetrų ROVER/BASE stabilumą!

- BASE ir ROVER jungiamojo laido pakeitimas 3DR siųstuvais. Čia vėl operacija RTK leidžia pasiekti kelių centimetrų stabilumą. Tačiau šį kartą „BASE“ir „ROVER“nebesieja fizinė nuoroda …

- Kompiuterio vizualizacijos pakeitimas „Arduino“plokšte, užprogramuota priimti GPS duomenis iš nuoseklaus įvesties … (žr. Toliau)

12 žingsnis: ELEKTROS DALIS (1/2)

Elektros valdymo dėžutė

1 nuotraukoje parodytos pagrindinės valdymo dėžės plokštės, kurios bus išsamiai aprašytos žemiau.

GPS laidų prijungimas

Pagrindo ir vejapjovės GPS laidai parodyti 2 paveiksle.

Šis kabelis natūraliai pasiekiamas sekant GPS instrukcijų eigą (žr. GPS skyrių). Visais atvejais yra USB adapteris, leidžiantis programuoti grandines bazėje arba „rover“, naudojant „Navspark“pateiktą kompiuterio programinę įrangą. Šios programos dėka mes taip pat turime visą informaciją apie padėtį, palydovų skaičių ir kt.

Šienapjovės skyriuje GPS Tx1 kaištis prijungtas prie 19 (Rx1) ARDUINO MEGA plokštės nuoseklaus įvesties, kad gautų NMEA frazes.

Pagrinde GPS Tx1 kaištis siunčiamas į 3DR radijo Rx kaištį, kad būtų išsiųsti pataisymai. Vejapjovėje 3DR radijo imtuvo pataisymai siunčiami į GPS grandinės kaištį Rx2.

Pažymima, kad šiuos pataisymus ir jų valdymą visiškai užtikrina GPS RTK grandinės. Taigi „Aduino MEGA“plokštė gauna tik pataisytas padėties vertes.

13 žingsnis: ELEKTROS DALIS (2/2)

„Arduino MEGA“plokštė ir jos skydai

- MEGA arduino lenta

- Galinių ratų variklių skydas

- Priekinio rato variklio skydas

- skydas arte SD

1 paveiksle pažymima, kad kištukinės jungtys buvo išdėstytos tarp plokščių, kad variklio plokštėse išsisklaidžiusi šiluma galėtų išeiti. Be to, šie įdėklai leidžia iškirpti nepageidaujamas kortelių nuorodas, jų nekeičiant.

2 paveiksle ir 3 paveiksle parodyta, kaip skaitomos prietaisų skydelio keitiklių ir vairasvirtės padėtys.

14 žingsnis: ARDUINO VAIRAVIMO PROGRAMA

Mikrovaldiklio plokštė yra „Arduino MEGA“(UNO neturi pakankamai atminties). Vairavimo programa yra labai paprasta ir klasikinė. Aš sukūriau funkciją kiekvienai pagrindinei operacijai, kurią reikia atlikti (prietaisų skydelio skaitymas, GPS duomenų surinkimas, LCD ekranas, mašinos judėjimas arba sukimosi valdymas ir kt.). Šios funkcijos lengvai naudojamos pagrindinėje programoje. Lėtas mašinos greitis (3 metrai per minutę) žymiai palengvina darbą.

Tačiau pjovimo juostą valdo ne ši programa, o UNO valdybos programa, esanti konkrečioje dėžutėje.

Programos SETUP dalyje randame

- Naudingos MEGA plokštės kaiščių inicijavimai įėjimuose ar išėjimuose;

- LCD ekrano inicijavimas

- SD atminties kortelės inicijavimas

- perdavimo greičio iš aparatinės įrangos serijinės sąsajos į GPS inicijavimas;

- perdavimo greičio iš serijinės sąsajos į IDE inicijavimas;

- Variklių ir pjovimo juostos išjungimas

Programos LOOP dalyje randame pradžioje

- prietaisų skydelis ir vairasvirtė, GPS, kompasas ir akselerometras;

- 3 laidų selektorius, priklausomai nuo prietaisų skydelio režimo parinkiklio būsenos (rankinis, įrašymas, pjovimas)

LOOP ciklas pažymėtas asinchroniniu GPS nuskaitymu, kuris yra lėčiausias žingsnis. Taigi mes grįžtame į ciklo pradžią maždaug kas 3 sekundes.

Įprasto režimo aplinkkeliu judesio funkcija valdoma pagal vairasvirtę, o ekranas atnaujinamas maždaug kas 3 sekundes (padėtis, GPS būsena, kompaso kryptis, pakreipimas …). Paspaudus žymeklį BP, nulinės padėties koordinatės, kurios bus išreikštos metrais geografiniame orientyre.

Taupymo režimo šunto metu visos judėjimo metu išmatuotos padėtys įrašomos į SD kortelę (maždaug 3 sekundžių laikotarpis). Pasiekus dominančią vietą, žymeklio paspaudimas išsaugomas. SD kortelėje. Mašinos padėtis rodoma kas 3 sekundes metrais geografiniame orientyre, kurio centre yra kilmės taškas.

Pjovimo režimo šuntavimo metu: mašina anksčiau buvo perkelta virš atskaitos taško. Perjungus režimo parinkiklį į „pjovimą“, programa stebi GPS išėjimus ir ypač būsenos vėliavos vertę. Kai būsenos vėliava pasikeičia į „Fix“, programa atlieka nulinę padėtį. Pirmasis pasiekiamas taškas nuskaitomas SD atminties pjovimo faile. Pasiekus šį tašką, mašina sukasi taip, kaip nurodyta pjovimo faile, aplink ratą arba aplink dviejų ratų centrą.

Procesas kartojasi tol, kol pasiekiamas paskutinis taškas (dažniausiai pradinis taškas). Šiuo metu programa sustabdo mašiną ir pjovimo juostą.

15 žingsnis: Pjaustymo juosta ir jos valdymas

Pjovimo strypą sudaro 4 diskai, besisukantys 1200 aps./min. Kiekviename diske yra 3 pjovimo diskai. Šie diskai yra išdėstyti taip, kad sudarytų nepertraukiamą 1,2 metro pločio juostą.

Varikliai turi būti valdomi, kad būtų apribota srovė

- paleidžiant, dėl diskų inercijos

- pjaunant, dėl užsikimšimų, atsiradusių dėl per daug žolės

Šiuo tikslu kiekvieno variklio grandinėje esanti srovė matuojama mažos vertės ritiniais. UNO plokštė yra prijungta ir užprogramuota matuoti šias sroves ir siųsti varikliams pritaikytą PWM komandą.

Taigi, paleidžiant, greitis palaipsniui didėja iki didžiausios vertės per 10 sekundžių. Jei žolė užsikimšusi, variklis sustoja 10 sekundžių ir vėl bando 2 sekundes. Jei problema išlieka, 10 sekundžių poilsio ir 2 sekundžių paleidimo ciklas vėl prasideda. Esant tokioms sąlygoms, variklio šildymas išlieka ribotas, net ir esant nuolatiniam blokavimui.

Varikliai užvedami arba sustoja, kai UNO lenta gauna signalą iš bandomosios programos. Tačiau kietasis jungiklis leidžia patikimai išjungti maitinimą, kad būtų užtikrintos aptarnavimo operacijos

16 žingsnis: KĄ DARYTI? KOKIUS TIKRINIMUS?

GPS lygiu

Augalija (medžiai) gali apriboti palydovų skaičių, atsižvelgiant į transporto priemonę, sumažinti tikslumą arba užkirsti kelią RTK blokavimui. Todėl mūsų interesas yra naudoti kuo daugiau palydovų vienu metu. Todėl būtų įdomu GPS ir Glonass žvaigždynus papildyti Galileo žvaigždynu.

Turėtų būti įmanoma pasinaudoti daugiau nei 20 palydovų, o ne daugiau kaip 15, o tai leidžia atsikratyti augalijos nugriebimo.

„Arduino RTK“skydai pradeda veikti kartu su šiais 3 žvaigždynais:

Be to, šie skydai yra labai kompaktiški (1 nuotrauka), nes juose yra GPS grandinė ir siųstuvas -imtuvas toje pačioje atramoje.

…. Tačiau kaina yra daug didesnė nei mūsų naudojamų grandinių

GPS papildymas naudojant LIDAR

Deja, arboristikoje atsitinka taip, kad augalijos danga yra labai svarbi (pavyzdžiui, lazdyno laukas). Šiuo atveju RTK užrakinimas gali būti neįmanomas net naudojant 3 žvaigždynus.

Todėl būtina įdiegti jutiklį, kuris leistų išlaikyti padėtį net ir tuo metu, kai nėra GPS.

Man atrodo (neturėjau patirties), kad LIDAR naudojimas galėtų atlikti šią funkciją. Medžių kamienus šiuo atveju labai lengva pastebėti ir jais galima stebėti roboto pažangą. GPS vėl pradės veikti eilutės pabaigoje, išėjus iš augmenijos dangos.

Tinkamo LIDAR tipo pavyzdys yra toks (2 nuotrauka):

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