Tallagespa accionada per GPS RTK: 16 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Aquest tallagespa robot és capaç de tallar herba totalment automàtica en un recorregut predeterminat. Gràcies a la guia GPS RTK, el recorregut es reprodueix amb cada sega amb una precisió superior a 10 centímetres.

Pas 1: INTRODUCCIÓ

Aquí descriurem un tallagespa robot capaç de tallar la gespa completament automàticament en un recorregut determinat prèviament. Gràcies a la guia RTK GPS, el curs es reprodueix a cada sega amb una precisió superior a 10 centímetres (la meva experiència). El control es basa en una targeta Mega Aduino, complementada amb alguns blindatges de control del motor, acceleròmetres i brúixola, així com una targeta de memòria.

És un èxit no professional, però m’ha permès adonar-me dels problemes amb què es troba la robòtica agrícola. Aquesta disciplina molt jove es desenvolupa ràpidament, impulsada per una nova legislació sobre la reducció de males herbes i pesticides. Per exemple, aquí teniu un enllaç a la darrera fira de robòtica agrícola de Tolosa (https://www.fira-agtech.com/). Algunes empreses com Naio Technologies ja fabriquen robots operatius (https://www.naio-technologies.com/).

En comparació, els meus èxits són molt modestos, però permeten entendre l'interès i els reptes d'una manera lúdica. …. I llavors realment funciona! … i per tant es pot utilitzar per tallar herba al voltant de casa seva, tot conservant el seu temps lliure …

Fins i tot si no descric la realització en els darrers detalls, les indicacions que dono són valuoses per a qui voldria llançar-se. No dubteu a fer preguntes ni fer suggeriments, que em permetran completar la meva presentació en benefici de tothom.

Estaria molt content si aquest tipus de projectes pogués donar a la gent molt més jove el gust per l'enginyeria … per estar preparats per a la gran robolució que ens espera …

A més, aquest tipus de projectes seria perfectament adequat per a un grup de joves motivats en un club o fablab per exercir com a grup de projectes, amb arquitectes mecànics, elèctrics i de programari dirigits per un enginyer de sistemes, com en la indústria.

Pas 2: ESPECIFICACIONS PRINCIPALS

L’objectiu és produir un prototip de tallagespa operatiu capaç de segar herba de forma autònoma en terrenys que puguin presentar irregularitats importants (prats en lloc de gespes).

La contenció del camp no es pot basar en una barrera física ni en una limitació del cable guia enterrat com per als robots de sega de gespa. Els camps a segar són efectivament variables i de gran superfície.

Per a la barra de tall, l’objectiu és mantenir el creixement de l’herba a una certa alçada després d’una primera sega o raspallat obtinguda per un altre mitjà.

Pas 3: PRESENTACIÓ GENERAL

El sistema està format per un robot mòbil i una base fixa.

Al robot mòbil trobem:

- El tauler de control

- La caixa de control general que inclou una targeta de memòria.

- el joystick manual

- El GPS configurat com a "rover" i el receptor RTK

- 3 rodes motoritzades

- Motors de rodets de rodets

- la barra de tall formada per 4 discos giratoris que porten 3 fulles de tall a la perifèria (amplada de tall d'1 metre)

- la caixa de gestió de la barra de tall

- les bateries

A la base fixa trobem el GPS configurat com a "base" així com el transmissor de les correccions RTK. Observem que l’antena es col·loca en alçada per radiar uns centenars de metres per la casa.

A més, l’antena GPS està a la vista de tot el cel sense cap ocultació per part dels edificis ni de la vegetació.

Els modes Rover i la base GPS es descriuran i s’explicaran a la secció GPS.

Pas 4: INSTRUCCIONS D'OPERACIÓ (1/4)

Proposo conèixer el robot a través del seu manual que fa que apareguin bé totes les seves funcionalitats.

Descripció del tauler:

- Un interruptor general

- Un primer selector de 3 posicions permet seleccionar els modes de funcionament: mode de viatge manual, mode de gravació de pistes, mode de sega

- S'utilitza un polsador com a marcador. Veurem els seus usos.

- Es fan servir dos altres selectors de 3 posicions per seleccionar un número de fitxer de 9. Per tant, tenim 9 fitxers de sega o registres de viatge per a 9 camps diferents.

- Un selector de 3 posicions està dedicat al control de la barra de tall. Posició OFF, posició ON, posició de control programada.

- Pantalla de dues línies

- Un selector de 3 posicions per definir 3 pantalles diferents

- un LED que indica l'estat del GPS. Leds apagats, sense GPS. Llums intermitents lentament, GPS sense correccions RTK. LED intermitent ràpid, s'han rebut correccions RTK. Llums encès, bloqueig GPS amb la màxima precisió.

Finalment, el joystick té dos selectors de 3 posicions. L'esquerra controla la roda esquerra, la dreta controla la roda dreta.

Pas 5: INSTRUCCIONS D'OPERACIÓ (2/4)

Mode d'operació manual (GPS no necessari)

Després d’encendre i seleccionar aquest mode amb el selector de mode, la màquina es controla amb el joystick.

Els dos selectors de 3 posicions tenen un ressort de retorn que sempre els torna a la posició mitjana, corresponent a la parada de les rodes.

Quan les palanques esquerra i dreta s’empenyen cap endavant, les dues rodes posteriors giren i la màquina va recte.

Quan estireu les dues palanques cap enrere, la màquina torna cap enrere.

Quan s’empeny una palanca cap endavant, la màquina gira al voltant de la roda estacionària.

Quan s’empeny una palanca cap endavant i l’altra cap enrere, la màquina gira al seu voltant en un punt al mig de l’eix que uneix les rodes posteriors.

La motorització de la roda davantera s’ajusta automàticament segons els dos controls col·locats a les dues rodes posteriors.

Finalment, en mode manual també és possible segar herba. Amb aquest propòsit, després d'haver comprovat que no hi ha ningú a prop dels discos de tall, posem ON la caixa de gestió de la barra de tall (interruptor "dur" per seguretat). El selector de tall del tauler d’instruments es posa a ON. En aquest moment els 4 discos de la barra de tall estan girant..

Pas 6: INSTRUCCIONS D'OPERACIÓ (3/4)

Mode d'enregistrament de pistes (GPS obligatori)

- Abans de començar a gravar una carrera, es defineix un punt de referència arbitrari per al camp i es marca amb una petita estaca. Aquest punt serà l’origen de les coordenades del marc geogràfic (foto)

- A continuació, seleccionem el número de fitxer en què es gravarà el viatge, gràcies als dos selectors del tauler.

- S'ha definit la base ON

- Comproveu que el LED d'estat del GPS comenci a parpellejar ràpidament.

- Sortiu del mode manual col·locant el selector de mode del tauler d’instruments a la posició de gravació.

- La màquina es trasllada manualment a la posició del punt de referència. Precisament, és l'antena GPS la que ha d'estar per sobre d'aquesta fita. Aquesta antena GPS es troba per sobre del punt centrat entre les dues rodes posteriors i que és el punt de rotació de la màquina sobre si mateix.

- Espereu fins que el LED d'estat del GPS s'encengui sense parpellejar. Això indica que el GPS té la màxima precisió (GPS "Fix").

- La posició original de 0,0 es marca prement el marcador del tauler.

- Després passem al següent punt que volem mapar. Tan bon punt s’assoleix, el senyalitzem amb el marcador.

- Per acabar la gravació tornem al mode manual.

Pas 7: INSTRUCCIONS D'OPERACIÓ (4/4)

Mode de sega (GPS obligatori)

En primer lloc, heu de preparar el fitxer de punts que ha de passar la màquina per talar tot el camp sense deixar una superfície sense tallar. Per fer-ho, guardem el fitxer a la targeta de memòria i, a partir d’aquestes coordenades, mitjançant Excel, generem una llista de punts com a la foto. Per a cadascun dels punts a assolir, indiquem si la barra de tall està ON o OFF. Com que és la barra de tall que consumeix més potència (de 50 a 100 watts depenent de l’herba), cal tenir precaució en apagar la barra de tall en creuar un camp ja segat, per exemple.

A mesura que es genera la placa de sega, la targeta de memòria es torna a col·locar al seu escut al calaix de control.

Només queda posar ON la base i anar al camp de sega, just a sobre del punt de referència. El selector de mode es defineix a "Sega".

En aquest punt, la màquina esperarà per si mateixa el bloqueig del GPS RTK a "Fix" a zero de les coordenades i començarà a tallar.

Quan s’acabi la sega, tornarà sola al punt de partida, amb una precisió d’uns deu centímetres.

Durant la sega, la màquina es mou en línia recta entre dos punts consecutius del fitxer de punts. L'amplada de tall és d'1,1 metres Atès que la màquina té una amplada entre rodes d'1 metre i pot girar al voltant d'una roda (vegeu el vídeo), és possible fer tires de sega adjacents. Això és molt eficaç.

Pas 8: PART MECÀNICA

L’estructura del robot

El robot està construït al voltant d’una estructura enreixada de tubs d’alumini, cosa que li confereix una bona rigidesa. Les seves dimensions són d’uns 1,20 metres de llarg, 1 metre d’amplada i 80 cm d’alçada.

Les rodes

Es pot moure gràcies a 3 rodes de bicicletes infantils de 20 polzades de diàmetre: dues rodes posteriors i una roda davantera similar a la roda dels carros de supermercat (fotos 1 i 2). El moviment relatiu de les dues rodes posteriors assegura la seva orientació

Els motors de corrons

A causa de les irregularitats al camp, és necessari tenir relacions de parell elevades i, per tant, una relació de reducció gran. Amb aquest propòsit vaig utilitzar el principi de pressionar amb rodets sobre la roda, com en un solex (fotos 3 i 4). La gran reducció permet mantenir la màquina estable en pendent, fins i tot quan es talla la potència del motor. A canvi, la màquina avança lentament (3 metres / minut) … però la gespa també creix lentament …

Per al disseny mecànic he utilitzat el programari de dibuix Openscad (programari de script molt eficient). Paral·lelament per als plànols de detall, he utilitzat Drawing from Openoffice.

Pas 9: GPS RTK (1/3)

GPS senzill

El GPS senzill (foto 1), el del nostre cotxe, té una precisió de pocs metres. Si enregistrem la posició indicada per aquest GPS mantingut fix durant una hora, per exemple, observarem fluctuacions de diversos metres. Aquestes fluctuacions es deuen a pertorbacions a l’atmosfera i a la ionosfera, però també a errors als rellotges dels satèl·lits i al mateix GPS. Per tant, no és adequat per a la nostra aplicació.

GPS RTK

Per millorar aquesta precisió, s’utilitzen dos GPS a una distància inferior a 10 km (foto 2). En aquestes condicions, podem considerar que les pertorbacions de l’atmosfera i la ionosfera són idèntiques a cada GPS. Per tant, la diferència de posició entre els dos GPS ja no es pertorba (diferencial). Si ara connectem un dels GPS (la base) i posem l’altre sobre un vehicle (el rover), obtindrem precisament el moviment del vehicle des de la base sense molèsties. A més, aquests GPS realitzen un temps de mesura de vol molt més precís que el GPS simple (mesures de fase al portador).

Gràcies a aquestes millores, obtindrem una precisió de mesura centimètrica per al moviment del rover en relació amb la base.

Hem optat per utilitzar aquest sistema RTK (Real Time Kinematic).

Pas 10: GPS RTK (2/3)

Vaig comprar 2 circuits GPS RTK (foto 1) de l’empresa Navspark.

Aquests circuits es munten en un petit PCB equipat amb pins de pas de 2,54 mm, que per tant es munta directament a les plaques de prova.

Com que el projecte es troba al sud-oest de França, vaig escollir circuits que treballaven amb les constel·lacions de satèl·lits GPS americans, així com amb la constel·lació russa Glonass.

És important tenir el màxim nombre de satèl·lits per tal de beneficiar-se de la millor precisió. En el meu cas, actualment tinc entre 10 i 16 satèl·lits.

També hem de comprar

- 2 adaptadors USB, necessaris per connectar el circuit GPS a un PC (proves i configuració)

- 2 antenes GPS + 2 cables adaptadors

- Un parell de transmissors-receptors 3DR perquè la base pugui emetre les seves correccions al rover i el rover les rebi.

Pas 11: GPS RTK (3/3)

L’avís GPS que es troba al lloc de Navspark permet implementar els circuits de manera gradual.

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

Al lloc web de Navspark també hi trobarem

- el programari que s’instal·larà al seu PC amb Windows per veure les sortides GPS i programar circuits a la base i al rover.

- Una descripció del format de dades GPS (frases NMEA)

Tots aquests documents estan en anglès, però són relativament fàcils d’entendre. Inicialment, la implementació es fa sense el més mínim circuit electrònic gràcies als adaptadors USB que també proporcionen totes les fonts d’alimentació elèctrica.

La progressió és la següent:

- Prova de circuits individuals que funcionen com a GPS senzill. La vista al núvol dels ponts mostra una estabilitat d’uns metres.

- Programació d’un circuit a ROVER i l’altre a BASE

- Construir un sistema RTK mitjançant la connexió dels dos mòduls amb un sol cable. La vista al núvol dels ponts mostra una relativa estabilitat de ROVER / BASE d’uns centímetres.

- Substitució del cable de connexió BASE i ROVER pels transceptors 3DR. Aquí també, l'operació a RTK permet una estabilitat d'uns pocs centímetres. Però aquesta vegada BASE i ROVER ja no estan connectats per un enllaç físic …..

- Substitució de la visualització del PC per una placa Arduino programada per rebre dades GPS en una entrada sèrie … (vegeu més avall)

Pas 12: PART ELÈCTRICA (1/2)

La caixa de control elèctrica

La foto 1 mostra els taulers principals de la caixa de control que es detallaran a continuació.

Cablejat del GPS

El cablejat GPS de la base i del tallagespa es mostra a la figura 2.

Aquest cablejat s’aconsegueix de manera natural seguint el progrés de les instruccions del GPS (vegeu la secció GPS). En tots els casos, hi ha un adaptador USB que permet programar els circuits a la base o al rover gràcies al programari de PC subministrat per Navspark. Gràcies a aquest programa, també disposem de tota la informació de posició, nombre de satèl·lits, etc.

A la secció de tallagespa, el pin Tx1 del GPS està connectat a l'entrada 19 (Rx1) de la placa ARDUINO MEGA per rebre les frases NMEA.

A la base, el pin Tx1 del GPS s’envia al pin Rx de la ràdio 3DR per enviar les correccions. Al tallagespa les correccions rebudes per la ràdio 3DR s’envien al pin Rx2 del circuit GPS.

S'assenyala que aquestes correccions i la seva gestió estan plenament garantides pels circuits GPS RTK. Per tant, el tauler Aduino MEGA només rep els valors de posició corregits.

Pas 13: PART ELÈCTRICA (2/2)

La placa Arduino MEGA i els seus escuts

- Taula arduino MEGA

- Protecció de motors de rodes posteriors

- Escut del motor de la roda davantera

- Escut art SD

A la figura 1, s’observa que els connectors endollables es van col·locar entre les plaques de manera que la calor dissipada a les plaques del motor pogués ventilar-se. A més, aquestes insercions permeten tallar enllaços no desitjats entre les cartes, sense haver de modificar-les.

La Figura 2 i la Figura 3 mostren com es llegeixen les posicions dels inversors del tauler d’instruments i del joystick.

Pas 14: EL PROGRAMA DE CONDUCCIÓ ARDUINO

La placa de microcontrolador és un Arduino MEGA (UNO no té prou memòria). El programa de conducció és molt senzill i clàssic. He desenvolupat una funció per a cada operació bàsica a realitzar (lectura del tauler de control, adquisició de dades GPS, pantalla LCD, control de rotació o avanç de la màquina, etc.). Aquestes funcions s'utilitzen fàcilment al programa principal. La velocitat lenta de la màquina (3 metres / minut) facilita les coses.

Tanmateix, la barra de tall no està gestionada per aquest programa, sinó pel programa de la junta UNO que es troba al quadre específic.

A la part SETUP del programa que trobem

- Inicialitzacions útils de pin de la placa MEGA en entrades o sortides;

- Inicialització de pantalla LCD

- Inicialització de la targeta de memòria SD

- Inicialització de la velocitat de transferència des de la interfície sèrie de maquinari fins al GPS;

- Inicialització de la velocitat de transferència des de la interfície sèrie fins a l'IDE;

- Apagat de motors i barra de tall

A la part LOOP del programa que trobem al principi

- Lectures del tauler d’instruments i del joystick, GPS, brúixola i acceleròmetre;

- Un selector de 3 derivacions, segons l'estat del selector de mode del quadre de comandament (manual, enregistrament, sega)

El bucle LOOP està puntuat per la lectura asíncrona del GPS, que és el pas més lent. Així que tornem al començament del bucle cada 3 segons aproximadament.

En el bypass del mode normal, la funció de moviment es controla segons el joystick i la pantalla s'actualitza aproximadament cada 3 segons (posició, estat del GPS, direcció de la brúixola, inclinació …). Una pulsació sobre el marcador BP posa a zero les coordenades de posició que s’expressaran en metres a la fita geogràfica.

En la derivació del mode de desament, totes les posicions mesurades durant el moviment es registren a la targeta SD (període aproximat de 3 segons). Quan s’arriba a un punt d’interès, es desa la pressió del marcador. a la targeta SD. La posició de la màquina es mostra cada 3 segons, en metres, a la fita geogràfica centrada al punt d'origen.

En el mode de tall segat: la màquina es va moure prèviament per sobre del punt de referència. En canviar el selector de mode a "segar", el programa observa les sortides GPS i, en particular, el valor de la marca d'estat. Quan el senyal d'estat canvia a "Fix", el programa realitza la posició zero. A continuació, es llegeix el primer punt a arribar al fitxer de sega de la memòria SD. Quan s’arriba a aquest punt, el gir de la màquina es fa tal com s’indica a la fitxa de sega, ja sigui al voltant d’una roda o bé al voltant del centre de les dues rodes.

El procés es repeteix fins que s’arriba a l’últim punt (normalment el punt de partida). En aquest punt, el programa atura la màquina i la barra de tall.

Pas 15: LA BARRA DE TALL I LA SEVA GESTIÓ

La barra de tall consta de 4 discos que giren a la velocitat de 1200 rpm. Cada disc està equipat amb 3 fulles de tall. Aquests discos estan disposats de manera que formen una banda de tall contínua d’1,2 metres d’amplada.

Els motors s’han de controlar per limitar el corrent

- a l’arrencada, a causa de la inèrcia dels discos

- durant el tall, a causa de bloqueigs causats per massa herba

Amb aquesta finalitat, el corrent del circuit de cada motor es mesura mitjançant resistències enrotllades de baix valor. La placa UNO està connectada i programada per mesurar aquests corrents i enviar una ordre PWM adaptada als motors.

Així, en arrencar, la velocitat augmenta gradualment fins al seu valor màxim en 10 segons. En cas de bloqueig per herba, el motor s’atura durant 10 segons i torna a intentar-ho durant 2 segons. Si el problema persisteix, el cicle de descans de 10 segons i de reinici de 2 segons es torna a iniciar. En aquestes condicions, la calefacció del motor continua sent limitada, fins i tot en cas de bloqueig permanent.

Els motors s’encenen o s’aturen quan la placa UNO rep el senyal del programa pilot. No obstant això, un interruptor dur permet apagar de manera fiable l’alimentació per garantir les operacions de servei

Pas 16: QUÈ S’HA DE FER? QUINES MILLORES?

A nivell GPS

La vegetació (arbres) pot limitar el nombre de satèl·lits en vista del vehicle i reduir la precisió o evitar el bloqueig de RTK. Per tant, és del nostre interès utilitzar tants satèl·lits com sigui possible alhora. Per tant, seria interessant completar les constel·lacions GPS i Glonass amb la constel·lació Galileo.

Hauria de ser possible beneficiar-se de més de 20 satèl·lits en lloc d’un màxim de 15, cosa que permet desfer-se del desnatat per la vegetació.

Els escuts Arduino RTK comencen a existir treballant simultàniament amb aquestes 3 constel·lacions:

A més, aquests blindatges són molt compactes (foto 1) perquè inclouen tant el circuit GPS com l’emissor-receptor al mateix suport.

…. Però el preu és molt superior al dels circuits que hem utilitzat

Utilitzar un LIDAR per complementar el GPS

Malauradament, a l’arboricultura passa que la cobertura vegetal és molt important (camp d’avellaners per exemple). En aquest cas, fins i tot amb les 3 constel·lacions és possible que el bloqueig RTK no sigui possible.

Per tant, cal introduir un sensor que permeti mantenir la posició fins i tot en absència momentània de GPS.

Em sembla (no he tingut experiència) que l’ús d’un LIDAR podria complir aquesta funció. Els troncs dels arbres són molt fàcils de detectar en aquest cas i es poden utilitzar per observar el progrés del robot. El GPS reprendria la seva funció al final de la fila, a la sortida de la coberta vegetal.

Un exemple d’un tipus adequat de LIDAR és el següent (Foto2):

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