Falciatrice GPS RTK: 16 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Questo robot tagliaerba è in grado di tagliare l'erba in modo completamente automatico su un percorso predeterminato. Grazie alla guida GPS RTK la rotta viene riprodotta ad ogni taglio con una precisione migliore di 10 centimetri.

Fase 1: INTRODUZIONE

Descriveremo qui un robot rasaerba in grado di tagliare l'erba in modo completamente automatico su un percorso prestabilito. Grazie alla guida GPS RTK la rotta viene riprodotta ad ogni taglio con una precisione migliore di 10 centimetri (la mia esperienza). Il controllo si basa su una scheda Aduino Mega, integrata da alcuni scudi di controllo motore, accelerometri e bussola, nonché una scheda di memoria.

È un traguardo non professionale, ma mi ha permesso di rendermi conto dei problemi riscontrati nella robotica agricola. Questa giovanissima disciplina si sta sviluppando rapidamente, spinta dalla nuova normativa sulla riduzione delle erbe infestanti e dei pesticidi. Ad esempio, ecco un link all'ultima fiera della robotica agricola a Tolosa (https://www.fira-agtech.com/). Alcune aziende come Naio Technologies stanno già producendo robot operativi (https://www.naio-technologies.com/).

In confronto, il mio risultato è molto modesto, ma consente comunque di comprendere gli interessi e le sfide in modo giocoso. …. E poi funziona davvero! … e può quindi essere usato per tagliare l'erba intorno alla sua casa, preservando il suo tempo libero…

Anche se non descrivo la realizzazione negli ultimi dettagli, le indicazioni che do sono preziose per chi vorrebbe lanciarsi. Non esitate a fare domande oa dare suggerimenti, che mi permetteranno di completare la mia presentazione a beneficio di tutti.

Sarei davvero felice se questo tipo di progetto potesse dare a molto più giovani un gusto per l'ingegneria…. per essere pronti alla grande robolution che ci aspetta….

Inoltre, questo tipo di progetto sarebbe perfettamente adatto a un gruppo di giovani motivati in un club o in un fablab, per esercitarsi a lavorare come un gruppo di progetto, con architetti meccanici, elettrici, software guidati da un ingegnere di sistema, come nel settore.

Fase 2: SPECIFICHE PRINCIPALI

L'obiettivo è quello di realizzare un prototipo di rasaerba funzionante in grado di falciare l'erba in modo autonomo su terreni che possono presentare notevoli irregolarità (prati anziché prati).

Il contenimento del campo non può essere basato su una barriera fisica o una limitazione del cavo guida interrato come per i robot tagliaerba. I campi da falciare sono infatti variabili e di ampia superficie.

Per la barra falciante, l'obiettivo è mantenere la crescita dell'erba ad una certa altezza dopo un primo taglio o spazzolatura ottenuta con altro mezzo.

Fase 3: PRESENTAZIONE GENERALE

Il sistema è composto da un robot mobile e da una base fissa.

Sul robot mobile troviamo:

- Il cruscotto

- La scatola di controllo generale che include una scheda di memoria.

- il joystick manuale

- Il GPS configurato come "rover" e il ricevitore RTK

- 3 ruote motorizzate

- Motori a rulli delle ruote

- la barra di taglio composta da 4 dischi rotanti portanti ciascuno 3 lame di taglio sulla periferia (larghezza di taglio di 1 metro)

- il box di gestione della barra di taglio

- le batterie

Nella base fissa troviamo il GPS configurato come "base" così come il trasmettitore delle correzioni RTK. Notiamo che l'antenna è posta in altezza in modo da irradiare per qualche centinaio di metri intorno alla casa.

Inoltre, l'antenna GPS è in vista di tutto il cielo senza alcuna occultazione da parte di edifici o vegetazione.

Le modalità Rover e la base GPS verranno descritte e spiegate nella sezione GPS.

Fase 4: ISTRUZIONI OPERATIVE (1/4)

Propongo di familiarizzare con il robot attraverso il suo manuale che ne fa ben apparire tutte le funzionalità.

Descrizione del cruscotto:

- Un interruttore generale

- Un primo selettore a 3 posizioni permette di selezionare le modalità di funzionamento: modalità di spostamento manuale, modalità di registrazione della traccia, modalità di taglio

- Un pulsante viene utilizzato come marcatore. Vedremo i suoi usi.

- Altri due selettori a 3 posizioni vengono utilizzati per selezionare un numero di file da 9. Abbiamo quindi 9 file di taglio o record di viaggio per 9 campi diversi.

- Un selettore a 3 posizioni è dedicato al controllo della barra di taglio. Posizione OFF, posizione ON, posizione di controllo programmata.

- Display a due righe

- un selettore a 3 posizioni per definire 3 diversi display

- un LED che indica lo stato del GPS. Led spenti, no GPS. Led lampeggianti lenti, GPS senza correzioni RTK. LED lampeggiante veloce, correzioni RTK ricevute. Led accesi, blocco GPS sulla massima precisione.

Infine, il joystick ha due selettori a 3 posizioni. Quello di sinistra controlla la ruota sinistra, quello di destra controlla la ruota destra.

Fase 5: ISTRUZIONI OPERATIVE (2/4)

Modalità di funzionamento manuale (GPS non richiesto)

Dopo aver acceso e selezionato questa modalità con il selettore di modalità, la macchina viene controllata con il joystick.

I due selettori a 3 posizioni hanno una molla di richiamo che li riporta sempre nella posizione centrale, corrispondente all'arresto delle ruote.

Quando le leve sinistra e destra vengono spinte in avanti, le due ruote posteriori girano e la macchina va dritta.

Quando si tirano indietro le due leve, la macchina torna subito indietro.

Quando una leva viene spinta in avanti, la macchina gira intorno alla ruota ferma.

Quando una leva viene spinta in avanti e l'altra indietro, la macchina ruota su se stessa in un punto al centro dell'asse che unisce le ruote posteriori.

La motorizzazione della ruota anteriore si regola automaticamente in base ai due comandi posti sulle due ruote posteriori.

Infine, in modalità manuale è anche possibile falciare l'erba. A tal fine, dopo aver verificato che nessuno si trovi vicino ai dischi da taglio, mettiamo ON la scatola di gestione della barra di taglio (interruttore "duro" per sicurezza). Il selettore di taglio del quadro strumenti viene quindi posizionato su ON. In questo momento i 4 dischi della barra di taglio stanno ruotando..

Fase 6: ISTRUZIONI OPERATIVE (3/4)

Modalità di registrazione della traccia (richiesto GPS)

- Prima di iniziare a registrare una corsa, viene definito un punto di riferimento arbitrario per il campo e contrassegnato con un piccolo paletto. Questo punto sarà l'origine delle coordinate nel riquadro geografico (foto)

- Selezioniamo quindi il numero di file in cui verrà registrato il viaggio, grazie ai due selettori presenti sul cruscotto.

- La base ON è impostata

- Verificare che il LED di stato del GPS inizi a lampeggiare velocemente.

- Uscire dalla modalità manuale portando il selettore di modalità del quadro strumenti in posizione di registrazione.

- La macchina viene quindi spostata manualmente nella posizione del punto di riferimento. È proprio l'antenna GPS che deve essere al di sopra di questo punto di riferimento. Questa antenna GPS si trova sopra il punto centrato tra le due ruote posteriori e che è il punto di rotazione della macchina su se stessa.

- Attendere che il LED di stato del GPS si accenda senza lampeggiare. Ciò indica che il GPS è alla massima precisione (GPS "Fix").

- La posizione originale 0.0 viene contrassegnata premendo l'indicatore del cruscotto.

- Passiamo quindi al punto successivo che vogliamo mappare. Appena raggiunto lo segnaliamo tramite il marker.

- Per terminare la registrazione torniamo in modalità manuale.

Fase 7: ISTRUZIONI OPERATIVE (4/4)

Modalità di taglio (richiesto GPS)

Per prima cosa devi preparare la cartella punti che la macchina deve attraversare per poter falciare l'intero campo senza lasciare una superficie non tagliata. Per fare ciò otteniamo il file salvato nella memory card e da queste coordinate, utilizzando ad esempio Excel, generiamo una lista di punti come sulla foto. Per ognuno dei punti da raggiungere indichiamo se la barra di taglio è ON o OFF. Poiché è la barra di taglio che consuma più potenza (da 50 a 100 Watt a seconda dell'erba), occorre fare attenzione a spegnere la barra di taglio quando si attraversa ad esempio un campo già falciato.

Quando viene generata la scheda di falciatura, la scheda di memoria viene rimessa sul suo scudo nel cassetto di controllo.

Non resta quindi che mettersi SULLA base e recarsi sul campo di falciatura, appena sopra il punto di riferimento. Il selettore di modalità viene quindi impostato su "Taglia".

A questo punto la macchina attenderà da sola che il GPS RTK si blocchi in "Fix" per azzerare le coordinate e iniziare a falciare.

Al termine della falciatura, tornerà da solo al punto di partenza, con una precisione di una decina di centimetri.

Durante il taglio, la macchina si muove in linea retta tra due punti consecutivi della lima di punti. La larghezza di taglio è di 1,1 metri Poiché la macchina ha una larghezza tra le ruote di 1 metro e può ruotare attorno ad una ruota (vedi video), è possibile realizzare strisce di falciatura adiacenti. Questo è molto efficace!

Step 8: PARTE MECCANICA

La struttura del robot

Il robot è costruito attorno a una struttura reticolare di tubi in alluminio, che gli conferisce una buona rigidità. Le sue dimensioni sono di circa 1,20 metri di lunghezza, 1 metro di larghezza e 80 cm di altezza.

Le ruote

Si muove grazie a 3 ruote per bici da bambino di diametro 20 pollici: Due ruote posteriori e una ruota anteriore simile alla ruota dei carrelli del supermercato (foto 1 e 2). Il movimento relativo delle due ruote posteriori ne garantisce l'orientamento

I motori a rulli

A causa delle irregolarità del campo, è necessario avere grandi rapporti di coppia e quindi un grande rapporto di riduzione. A questo scopo ho utilizzato il principio della pressatura a rullo sulla ruota, come su un solex (foto 3 e 4). L'ampia riduzione permette di mantenere stabile la macchina in pendenza, anche quando viene a mancare la potenza del motore. In compenso la macchina avanza lentamente (3 metri/minuto)…ma anche l'erba cresce lentamente….

Per la progettazione meccanica ho utilizzato il software di disegno Openscad (software di script molto efficiente). Parallelamente per i piani di dettaglio ho utilizzato Drawing from Openoffice.

Passaggio 9: GPS RTK (1/3)

GPS semplice

Il semplice GPS (foto 1), quello della nostra macchina ha una precisione di pochi metri. Se registriamo la posizione indicata da un tale GPS mantenuto fisso per un'ora ad esempio, osserveremo fluttuazioni di diversi metri. Queste fluttuazioni sono dovute a disturbi nell'atmosfera e nella ionosfera, ma anche ad errori negli orologi dei satelliti ed errori nel GPS stesso. Non è quindi adatto alla nostra applicazione.

GPS RTK

Per migliorare questa precisione, vengono utilizzati due Gps a una distanza inferiore a 10 km (foto 2). In queste condizioni, possiamo considerare che i disturbi dell'atmosfera e della ionosfera sono identici su ciascun GPS. Così la differenza di posizione tra i due GPS non è più disturbata (differenziale). Se ora colleghiamo uno dei GPS (la base) e posizioniamo l'altro su un veicolo (il rover), otterremo esattamente il movimento del veicolo dalla base senza disturbi. Inoltre, questi GPS effettuano una misurazione del tempo di volo molto più precisa rispetto ai semplici GPS (misure di fase sulla portante).

Grazie a questi miglioramenti, otterremo una precisione di misura centimetrica per il movimento del rover rispetto alla base.

È questo sistema RTK (Real Time Kinematic) che abbiamo scelto di utilizzare.

Passaggio 10: GPS RTK (2/3)

Ho acquistato 2 circuiti GPS RTK (foto 1) dalla società Navspark.

Questi circuiti sono montati su un piccolo PCB dotato di pin con passo 2,54 mm, che quindi si monta direttamente sulle piastre di prova.

Poiché il progetto si trova nel sud-ovest della Francia, ho scelto circuiti che lavorano con le costellazioni dei satelliti GPS americani e con la costellazione russa Glonass.

È importante disporre del numero massimo di satelliti per beneficiare della migliore precisione. Nel mio caso, attualmente ho tra 10 e 16 satelliti.

Dobbiamo anche comprare

- 2 adattatori USB, necessari per collegare il circuito GPS a un PC (test e configurazione)

- 2 antenne GPS + 2 cavi adattatori

- una coppia di trasmettitori-ricevitori 3DR in modo che la base possa inviare le sue correzioni al rover e il rover le riceva.

Passaggio 11: GPS RTK (3/3)

L'avviso GPS presente sul sito Navspark consente di implementare i circuiti in modo graduale.

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

Sul sito Navspark troveremo anche

- il software da installare sul proprio PC Windows per visualizzare le uscite GPS e programmare i circuiti in base e rover.

- Una descrizione del formato dei dati GPS (frasi NMEA)

Tutti questi documenti sono in inglese ma sono relativamente facili da capire. Inizialmente, l'implementazione avviene senza il minimo circuito elettronico grazie agli adattatori USB che forniscono anche tutte le alimentazioni elettriche.

La progressione è la seguente:

- Testare i singoli circuiti che funzionano come semplici GPS. La vista cloud dei ponti mostra una stabilità di pochi metri.

- Programmazione di un circuito in ROVER e l'altro in BASE

- Realizzare un sistema RTK collegando i due moduli con un unico filo. La vista a nuvola dei ponti mostra una stabilità relativa di ROVER/BASE di pochi centimetri!

- Sostituzione del cavo di collegamento BASE e ROVER con i ricetrasmettitori 3DR. Anche in questo caso il funzionamento in RTK consente una stabilità di pochi centimetri. Ma questa volta BASE e ROVER non sono più collegati da un collegamento fisico…..

- Sostituzione della visualizzazione del PC con una scheda Arduino programmata per ricevere i dati GPS su un ingresso seriale… (vedi sotto)

Fase 12: PARTE ELETTRICA (1/2)

La scatola di controllo elettrica

La foto 1 mostra le principali schede della scatola di controllo che verranno dettagliate di seguito.

Cablaggio del GPS

Il cablaggio GPS della base e del tosaerba è mostrato nella Figura 2.

Tale cablaggio si realizza naturalmente seguendo lo stato di avanzamento delle istruzioni GPS (vedi sezione GPS). In tutti i casi è presente un adattatore USB che permette di programmare i circuiti sia in base che in rover grazie al software per PC fornito da Navspark. Grazie a questo programma abbiamo anche tutte le informazioni di posizione, numero di satelliti, ecc…

Nella sezione rasaerba, il pin Tx1 del GPS è collegato all'ingresso seriale 19 (Rx1) della scheda ARDUINO MEGA per ricevere le frasi NMEA.

Nella base il pin Tx1 del GPS viene inviato al pin Rx della radio 3DR per l'invio delle correzioni. Nel rasaerba le correzioni ricevute dalla radio 3DR vengono inviate al pin Rx2 del circuito GPS.

Si precisa che tali correzioni e la loro gestione sono totalmente assicurate dai circuiti GPS RTK. Pertanto, la scheda Aduino MEGA riceve solo valori di posizione corretti.

Fase 13: PARTE ELETTRICA (2/2)

La scheda Arduino MEGA e i suoi shield

- MEGA scheda arduino

- Scudo motore ruota posteriore

- Scudo motore ruota anteriore

- Scudo arte SD

Nella Figura 1 si nota che i connettori plug-in sono stati posti tra le schede in modo che il calore dissipato nelle schede motore potesse sfogarsi. Inoltre, questi inserti consentono di tagliare collegamenti indesiderati tra le carte, senza doverli modificare.

La Figura 2 e la Figura 3 mostrano come vengono lette le posizioni degli inverter del cruscotto e del joystick.

Step 14: IL PROGRAMMA DI GUIDA ARDUINO

La scheda del microcontrollore è un Arduino MEGA (UNO non ha abbastanza memoria). Il programma di guida è molto semplice e classico. Ho sviluppato una funzione per ogni operazione base da eseguire (lettura cruscotto, acquisizione dati GPS, display LCD, controllo avanzamento macchina o rotazione, ecc…). Queste funzioni sono quindi facilmente utilizzabili nel programma principale. La bassa velocità della macchina (3 metri/minuto) rende le cose molto più facili.

La barra di taglio però non è gestita da questo programma ma dal programma della scheda UNO che si trova nell'apposito box.

Nella parte SETUP del programma troviamo

- Utili inizializzazioni dei pin della scheda MEGA in ingressi o uscite;

- Inizializzazione display LCD

- Inizializzazione della scheda di memoria SD

- Inizializzazione della velocità di trasferimento dall'interfaccia seriale hardware al GPS;

- Inizializzazione della velocità di trasferimento dall'interfaccia seriale all'IDE;

- Spegnimento motori e barra di taglio

Nella parte LOOP del programma troviamo all'inizio

- Quadro strumenti e joystick, letture GPS, bussola e accelerometro;

- un selettore a 3 derivazioni, a seconda dello stato del selettore di modalità del quadro strumenti (manuale, registrazione, falciatura)

Il loop LOOP è scandito dalla lettura asincrona del GPS che è il passo più lento. Quindi torniamo all'inizio del ciclo circa ogni 3 secondi.

In modalità normale bypass, la funzione di movimento è controllata in base al joystick e il display viene aggiornato ogni 3 secondi circa (posizione, stato GPS, direzione bussola, inclinazione…). Una pressione sul marker BP azzera le coordinate di posizione che verranno espresse in metri nel punto di riferimento geografico.

Nella modalità di salvataggio shunt, tutte le posizioni misurate durante lo spostamento vengono registrate sulla scheda SD (periodo di circa 3 secondi). Quando viene raggiunto un punto di interesse, premendo il marker viene salvato. nella scheda SD. La posizione della macchina viene visualizzata ogni 3 secondi, in metri nel punto di riferimento geografico centrato sul punto di origine.

Nella modalità di taglio shunt: la macchina è stata precedentemente spostata al di sopra del punto di riferimento. Quando si commuta il selettore di modalità su "falciatura", il programma osserva le uscite GPS e in particolare il valore del flag di stato. Quando il flag di stato cambia in "Fix", il programma esegue la posizione zero. Il primo punto da raggiungere viene poi letto nel file di taglio della memoria SD. Raggiunto questo punto, la rotazione della macchina viene eseguita come indicato nel file di falciatura, o attorno a una ruota, o attorno al centro delle due ruote.

Il processo si ripete fino al raggiungimento dell'ultimo punto (di solito il punto di partenza). A questo punto il programma arresta la macchina e la barra di taglio.

Step 15: LA BARRA DI TAGLIO E LA SUA GESTIONE

La barra di taglio è composta da 4 dischi che ruotano alla velocità di 1200 giri/min. Ogni disco è dotato di 3 lame di taglio. Questi dischi sono disposti in modo da realizzare una fascia di taglio continua di 1,2 metri di larghezza.

I motori devono essere controllati per limitare la corrente

- all'avviamento, per inerzia dei dischi

- durante il taglio, a causa di intasamenti causati da troppa erba

A tale scopo la corrente nel circuito di ciascun motore viene misurata da resistori a spirale di basso valore. La scheda UNO è cablata e programmata per misurare queste correnti e inviare un comando PWM adattato ai motori.

Pertanto, all'avvio, la velocità aumenta gradualmente fino al suo valore massimo in 10 secondi. In caso di blocco da erba, il motore si ferma per 10 secondi e riprova per 2 secondi. Se il problema persiste, il ciclo di riposo di 10 secondi e di riavvio di 2 secondi ricomincia. In queste condizioni il riscaldamento del motore rimane limitato, anche in caso di blocco permanente.

I motori si avviano o si fermano quando la scheda UNO riceve il segnale dal programma pilota. Tuttavia, un interruttore rigido consente di spegnere in modo affidabile l'alimentazione per garantire le operazioni di servizio

Passaggio 16: COSA DEVE ESSERE FATTO? QUALI MIGLIORAMENTI?

A livello GPS

La vegetazione (alberi) può limitare il numero di satelliti in vista del veicolo e ridurre la precisione o impedire il blocco RTK. È quindi nel nostro interesse utilizzare il maggior numero possibile di satelliti contemporaneamente. Sarebbe quindi interessante completare le costellazioni GPS e Glonass con la costellazione Galileo.

Dovrebbe essere possibile beneficiare di più di 20 satelliti invece di un massimo di 15, il che consente di eliminare lo skimming dalla vegetazione.

Gli shield Arduino RTK stanno iniziando ad esistere lavorando contemporaneamente con queste 3 costellazioni:

Inoltre, questi shield sono molto compatti (foto 1) perché includono sia il circuito GPS che il ricetrasmettitore sullo stesso supporto.

…. Ma il prezzo è molto più alto di quello dei circuiti che abbiamo usato

Utilizzo di un LIDAR per completare il GPS

Purtroppo in arboricoltura capita che la copertura vegetale sia molto importante (nocciolino ad esempio). In questo caso, anche con le 3 costellazioni RTK potrebbe non essere possibile il bloccaggio.

Occorre quindi introdurre un sensore che permetta di mantenere la posizione anche in assenza momentanea del GPS.

Mi sembra (non ho avuto l'esperienza) che l'uso di un LIDAR possa svolgere questa funzione. I tronchi degli alberi sono molto facili da individuare in questo caso e possono essere utilizzati per osservare i progressi del robot. Il GPS riprenderebbe la sua funzione alla fine del filare, all'uscita della copertura vegetale.

Un esempio di un tipo adatto di LIDAR è il seguente (Foto2):

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