RTK GPS Tahrikli Biçme Makinesi: 16 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Bu robot biçme makinesi, önceden belirlenmiş bir rotada tam otomatik çim biçme yeteneğine sahiptir. RTK GPS yönlendirmesi sayesinde parkur, her çim biçme işleminde 10 santimetreden daha iyi bir hassasiyetle yeniden oluşturulur.

1. Adım: GİRİŞ

Burada önceden belirlenmiş bir rotada tamamen otomatik olarak çim biçebilen bir robot biçme makinesini anlatacağız. RTK GPS yönlendirmesi sayesinde parkur, her biçme işleminde 10 santimetreden daha iyi bir hassasiyetle yeniden üretilir (benim deneyimim). Kontrol, bazı motor kontrol kalkanları, ivmeölçerler ve pusulanın yanı sıra bir hafıza kartı ile desteklenen bir Aduino Mega kartına dayanmaktadır.

Profesyonel olmayan bir başarı ama tarımsal robotikte karşılaşılan sorunları fark etmemi sağladı. Bu çok genç disiplin, yabani otların ve pestisitlerin azaltılmasına ilişkin yeni mevzuatla teşvik edilerek hızla gelişiyor. Örneğin, burada Toulouse'daki en son tarımsal robotik fuarına bir bağlantı (https://www.fira-agtech.com/). Naio Technologies gibi bazı şirketler halihazırda operasyonel robotlar üretiyor (https://www.naio-technologies.com/).

Karşılaştırıldığında, başarım çok mütevazı ama yine de ilgiyi ve zorlukları eğlenceli bir şekilde anlamayı mümkün kılıyor. …. Ve sonra gerçekten işe yarıyor! … ve bu nedenle boş zamanını korurken evinin etrafındaki çimleri kesmek için kullanılabilir…

Gerçekleşmeyi son detaylarda anlatmasam da verdiğim göstergeler lansman yapmak isteyenler için değerli. Soru sormaktan veya önerilerde bulunmaktan çekinmeyin, bu da sunumumu herkesin yararına tamamlamamı sağlayacaktır.

Bu tür bir proje çok daha genç insanlara mühendislik zevki verebilirse gerçekten çok mutlu olurum…. bizi bekleyen büyük devrime hazır olmak için….

Ayrıca, bu tür bir proje, endüstride olduğu gibi bir sistem mühendisi tarafından yönetilen mekanik, elektrik, yazılım mimarları ile bir proje grubu olarak çalışmak için bir kulüp veya fablab'de motive olmuş bir grup genç için mükemmel bir şekilde uygundur.

2. Adım: ANA ÖZELLİKLER

Amaç, önemli düzensizliklere sahip olabilecek arazilerde (çimler yerine çayırlar) otları otonom olarak biçebilen, işlevsel bir biçme makinesi prototipi üretmektir.

Alan sınırlaması, çim biçme robotlarında olduğu gibi fiziksel bir bariyere veya gömülü kılavuz tel sınırlamasına dayanamaz. Biçilecek alanlar gerçekten değişken ve geniş yüzeylidir.

Kesme çubuğu için amaç, başka bir yolla elde edilen ilk biçme veya fırçalamadan sonra çimin büyümesini belirli bir yükseklikte tutmaktır.

Adım 3: GENEL SUNUM

Sistem bir mobil robot ve sabit bir tabandan oluşmaktadır.

Mobil robotta şunları buluyoruz:

- Gösterge paneli

- Bir hafıza kartı içeren genel kontrol kutusu.

- manuel joystick

- Bir "rover" olarak yapılandırılmış GPS ve RTK Alıcısı

- 3 motorlu tekerlek

- Tekerleklerin makaralı motorları

- her biri çevresinde 3 kesici bıçak taşıyan 4 döner diskten oluşan kesme çubuğu (1 metre kesme genişliği)

- kesme çubuğu yönetim kutusu

- bataryalar

Sabit tabanda, "temel" olarak yapılandırılmış GPS'in yanı sıra RTK düzeltmelerinin vericisini buluyoruz. Antenin evin çevresinde birkaç yüz metre yayılacak şekilde yerleştirildiğini not ediyoruz.

Ek olarak, GPS anteni, bina veya bitki örtüsü tarafından herhangi bir tıkanma olmaksızın tüm gökyüzünün görüş alanındadır.

Rover modları ve GPS tabanı, GPS bölümünde açıklanacak ve açıklanacaktır.

Adım 4: KULLANIM TALİMATLARI (1/4)

Robotu, tüm işlevlerini iyi bir şekilde gösteren kılavuzu aracılığıyla tanımayı öneriyorum.

Kontrol panelinin açıklaması:

- Genel bir anahtar

- İlk 3 konumlu seçici, çalışma modlarının seçilmesine olanak tanır: manuel seyahat modu, iz kayıt modu, biçme modu

- İşaretleyici olarak bir basma düğmesi kullanılır. Kullanımlarını göreceğiz.

- 9'dan bir dosya numarası seçmek için diğer iki 3 konumlu seçici kullanılır. Bu nedenle 9 farklı alan için 9 biçme dosyamız veya yolculuk kaydımız var.

- 3 konumlu bir seçici, kesme çubuğunun kontrolüne ayrılmıştır. KAPALI konum, AÇIK konum, programlanmış kontrol konumu.

- İki satırlı ekran

- 3 farklı ekran tanımlamak için 3 konumlu seçici

- GPS'in durumunu gösteren bir LED. Ledler kapalı, GPS yok. Yavaş yanıp sönen LED'ler, RTK düzeltmeleri olmadan GPS. Hızlı yanıp sönen LED, RTK düzeltmeleri alındı. Ledler yanıyor, GPS en yüksek doğrulukta kilitleniyor.

Son olarak, joystick'te iki adet 3 konumlu seçici bulunur. Soldaki sol tekerleği kontrol eder, sağdaki sağ tekerleği kontrol eder.

Adım 5: KULLANIM TALİMATLARI (2/4)

Manuel çalışma modu (GPS gerekli değildir)

Mod seçici ile bu modu açıp seçtikten sonra makine joystick ile kontrol edilir.

İki 3 konumlu seçicide, onları her zaman tekerleklerin durmasına karşılık gelen orta konuma döndüren bir geri dönüş yayı bulunur.

Sol ve sağ kollar ileri itildiğinde iki arka tekerlek döner ve makine düz gider.

İki kolu geri çektiğinizde makine dümdüz geri gider.

Bir kol ileri itildiğinde, makine sabit tekerleğin etrafında döner.

Bir kol ileri, diğeri geri itildiğinde, makine aksın ortasında arka tekerlekleri birleştiren bir noktada kendi etrafında döner.

Ön tekerleğin motorizasyonu, iki arka tekerlek üzerinde bulunan iki kontrole göre otomatik olarak ayarlanır.

Son olarak, manuel modda çim biçmek de mümkündür. Bu amaçla, kesme disklerinin yakınında kimsenin bulunmadığını kontrol ettikten sonra, kesme çubuğunun yönetim kutusunu (güvenlik için "hard" anahtarı) AÇIK duruma getirdik. Gösterge paneli kesim seçicisi daha sonra AÇIK konuma getirilir. Şu anda kesme çubuğunun 4 diski dönüyor..

Adım 6: KULLANIM TALİMATLARI (3/4)

Parça kayıt modu (GPS gerekli)

- Bir koşuyu kaydetmeye başlamadan önce, saha için isteğe bağlı bir referans noktası tanımlanır ve küçük bir kazıkla işaretlenir. Bu nokta coğrafi çerçevedeki koordinatların orijini olacaktır (fotoğraf)

- Ardından gösterge panelindeki iki seçici sayesinde yolculuğun kaydedileceği dosya numarasını seçiyoruz.

- AÇIK baz ayarlandı

- GPS durum LED'inin hızla yanıp sönmeye başladığını kontrol edin.

- Gösterge paneli mod seçicisini kayıt konumuna getirerek manuel moddan çıkın.

- Ardından makine manuel olarak referans noktası konumuna hareket ettirilir. Tam olarak bu dönüm noktasının üzerinde olması gereken GPS antenidir. Bu GPS anteni, iki arka tekerlek arasında ortalanan ve makinenin kendi üzerindeki dönüş noktası olan noktanın üzerinde bulunur.

- GPS durum LED'i yanıp sönmeden yanana kadar bekleyin. Bu, GPS'in maksimum doğrulukta olduğunu gösterir ("Fix" GPS).

- Orijinal 0.0 konumu, gösterge panosu işaretçisine basılarak işaretlenir.

- Daha sonra haritalamak istediğimiz bir sonraki noktaya geçiyoruz. Ulaşılır ulaşılmaz işaretçiyi kullanarak sinyalini veririz.

- Kaydı sonlandırmak için manuel moda geri dönüyoruz.

7. Adım: KULLANMA TALİMATLARI (4/4)

Biçme modu (GPS gerekli)

Öncelikle tüm tarlayı kesilmemiş bir yüzey bırakmadan biçmek için makinenin geçmesi gereken noktalar dosyasını hazırlamanız gerekir. Bunu yapmak için hafıza kartına kaydedilen dosyayı alıyoruz ve bu koordinatlardan örneğin Excel kullanarak fotoğraftaki gibi bir nokta listesi oluşturuyoruz. Ulaşılacak noktaların her biri için kesme çubuğunun AÇIK veya KAPALI olduğunu belirtiyoruz. En fazla gücü tüketen kesme çubuğu olduğundan (çime bağlı olarak 50 ila 100 Watt arasında), örneğin halihazırda biçilmiş bir tarlayı geçerken kesme çubuğunu KAPATMAYA dikkat etmek gerekir.

Biçme tahtası oluşturulduğunda, hafıza kartı kontrol çekmecesindeki kalkanına geri konur.

Bundan sonra geriye kalan tek şey, tabanı AÇIK konuma getirmek ve referans noktasının hemen üzerindeki biçme alanına gitmektir. Mod seçici daha sonra "Mow" olarak ayarlanır.

Bu noktada makine, koordinatları sıfırlamak ve biçmeye başlamak için "Fix" içindeki GPS RTK kilidinin kendi kendine bekleyecektir.

Biçme işlemi bittiğinde, yaklaşık on santimetre hassasiyetle tek başına başlangıç noktasına geri dönecektir.

Biçme sırasında makine, nokta dosyasının ardışık iki noktası arasında düz bir çizgide hareket eder. Kesim genişliği 1,1 metredir Makinenin tekerlekler arası genişliği 1 metre olduğundan ve bir tekerlek etrafında dönebildiğinden (videoya bakınız), bitişik biçme şeritleri yapmak mümkündür. Bu çok etkili!

Adım 8: MEKANİK PARÇA

Robotun yapısı

Robot, iyi bir sertlik sağlayan alüminyum borulardan oluşan bir kafes yapısı etrafında inşa edilmiştir. Boyutları yaklaşık 1.20 metre uzunluğunda, 1 metre genişliğinde ve 80 cm yüksekliğindedir.

Tekerlekler

20 inç çapındaki 3 çocuk bisiklet tekerleği sayesinde hareket edebilir: Süpermarket arabalarının tekerleğine benzer iki arka tekerlek ve bir ön tekerlek (fotoğraf 1 ve 2). İki arka tekerleğin göreceli hareketi, yönünü sağlar

makaralı motorlar

Sahadaki düzensizlikler nedeniyle büyük tork oranlarına ve dolayısıyla büyük bir redüksiyon oranına sahip olmak gerekir. Bu amaçla, bir solexte olduğu gibi tekerleğe silindirle basma prensibini kullandım (fotoğraf 3 ve 4). Büyük azalma, motor gücü kesildiğinde bile makineyi bir yokuşta sabit tutmayı mümkün kılar. Buna karşılık, makine yavaş ilerler (3 metre/dakika)…ama çim de yavaş büyür….

Mekanik tasarım için çizim yazılımı Openscad'i (çok verimli komut dosyası yazılımı) kullandım. Detay planlarına paralel olarak Drawing from Openoffice kullandım.

Adım 9: RTK GPS (1/3)

Basit GPS

Arabamızdaki basit GPS (fotoğraf 1) sadece birkaç metre hassasiyete sahiptir. Örneğin bir saat boyunca sabit tutulan böyle bir GPS tarafından belirtilen konumu kaydedersek, birkaç metrelik dalgalanmaları gözlemleyeceğiz. Bu dalgalanmalar atmosferdeki ve iyonosferdeki rahatsızlıklardan, aynı zamanda uyduların saatlerindeki hatalardan ve GPS'in kendisindeki hatalardan kaynaklanmaktadır. Bu nedenle uygulamamız için uygun değildir.

RTK GPS'i

Bu doğruluğu artırmak için, 10 km'den daha kısa bir mesafede iki Gps kullanılır (fotoğraf 2). Bu koşullar altında, atmosfer ve iyonosferdeki rahatsızlıkların her GPS'de aynı olduğunu düşünebiliriz. Böylece iki GPS arasındaki konum farkı artık bozulmaz (diferansiyel). Şimdi GPS'lerden (taban) birini takıp diğerini bir araca (rover) yerleştirirsek, aracın tabandan hareketini sorunsuz bir şekilde tam olarak elde edeceğiz. Ayrıca, bu GPS, basit GPS'den (taşıyıcı üzerindeki faz ölçümleri) çok daha hassas bir uçuş süresi ölçümü gerçekleştirir.

Bu iyileştirmeler sayesinde, gezicinin tabana göre hareketi için bir santimetrik ölçüm doğruluğu elde edeceğiz.

Kullanmayı seçtiğimiz bu RTK (Gerçek Zamanlı Kinematik) sistemidir.

Adım 10: RTK GPS (2/3)

Navspark şirketinden 2 RTK GPS devresi (fotoğraf 1) satın aldım.

Bu devreler, 2,54 mm pinli pinlerle donatılmış küçük bir PCB üzerine monte edilmiştir, bu nedenle doğrudan test plakalarına monte edilir.

Proje Fransa'nın güneybatısında yer aldığından, Amerikan GPS uydularının takımyıldızlarının yanı sıra Rus takımyıldızı Glonass ile çalışan devreleri seçtim.

En iyi doğruluktan yararlanmak için maksimum sayıda uyduya sahip olmak önemlidir. Benim durumumda şu anda 10 ila 16 uydum var.

biz de satın almalıyız

- GPS devresini bir PC'ye bağlamak için gereken 2 USB adaptörü (testler ve konfigürasyon)

- 2 GPS anteni + 2 adaptör kablosu

- bir çift 3DR verici-alıcı, böylece baz düzeltmelerini geziciye verebilir ve gezici bunları alabilir.

Adım 11: RTK GPS (3/3)

Navspark sitesinde bulunan GPS uyarısı, devrelerin kademeli olarak uygulanmasına izin veriyor.

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

Navspark web sitesinde ayrıca bulacağız

- GPS çıkışlarını görüntülemek ve bazda ve gezicide devreleri programlamak için Windows PC'sine kurulacak yazılım.

- GPS veri formatının açıklaması (NMEA cümleleri)

Tüm bu belgeler İngilizcedir ancak nispeten anlaşılması kolaydır. Başlangıçta, tüm elektrik güç kaynaklarını da sağlayan USB adaptörler sayesinde en ufak bir elektronik devre olmadan uygulama yapılır.

İlerleme aşağıdaki gibidir:

- Basit GPS işlevi gören bireysel devrelerin test edilmesi. Köprülerin bulut görünümü, birkaç metrelik stabiliteyi gösterir.

- Bir devreyi ROVER'da ve diğerini BASE'de programlama

- İki modülü tek bir kablo ile bağlayarak bir RTK sistemi kurmak. Köprülerin bulut görünümü, ROVER/BASE'in birkaç santimetrelik göreceli stabilitesini gösterir!

- BASE ve ROVER bağlantı kablosunun 3DR alıcı-vericiler tarafından değiştirilmesi. Burada yine RTK'daki işlem birkaç santimetrelik bir stabiliteye izin verir. Ancak bu sefer BASE ve ROVER artık fiziksel bir bağlantıyla bağlı değil…..

- PC görselleştirmesinin, bir seri girişte GPS verilerini almak üzere programlanmış bir Arduino kartıyla değiştirilmesi… (aşağıya bakın)

Adım 12: ELEKTRİKLİ PARÇA (1/2)

elektrik kontrol kutusu

Fotoğraf 1, aşağıda detaylandırılacak olan ana kontrol kutusu kartlarını göstermektedir.

GPS kablolaması

Taban ve biçme makinesinin GPS kabloları Şekil 2'de gösterilmektedir.

Bu kablolama, doğal olarak GPS talimatlarının ilerlemesi takip edilerek elde edilir (GPS bölümüne bakın). Her durumda, Navspark tarafından sağlanan PC yazılımı sayesinde devreleri bazda veya gezicide programlamanıza izin veren bir USB adaptörü vardır. Bu program sayesinde ayrıca tüm konum bilgilerine, uydu sayılarına vs…

Biçme bölümünde, GPS'in Tx1 pini, NMEA cümlelerini almak için ARDUINO MEGA kartının 19 (Rx1) seri girişine bağlanır.

Tabanda, GPS'in Tx1 pimi, düzeltmeleri göndermek için 3DR radyonun Rx pimine gönderilir. Biçme makinesinde, 3DR radyo tarafından alınan düzeltmeler, GPS devresinin Rx2 pinine gönderilir.

Bu düzeltmelerin ve bunların yönetiminin tamamen GPS RTK devreleri tarafından sağlandığı belirtilmektedir. Böylece, Aduino MEGA kartı yalnızca düzeltilmiş konum değerlerini alır.

Adım 13: ELEKTRİKLİ PARÇA (2/2)

Arduino MEGA kartı ve kalkanları

- MEGA arduino kartı

- Arka tekerlek motorları kalkanı

- Ön tekerlek motor kalkanı

- Kalkan arte SD

Şekil 1'de, motor kartlarında yayılan ısının dışarı atılabilmesi için kartlar arasına geçmeli konektörlerin yerleştirildiği belirtilmektedir. Ek olarak, bu ekler, kartlar arasında istenmeyen bağlantıları değiştirmenize gerek kalmadan kesmenize olanak tanır.

Şekil 2 ve Şekil 3, gösterge paneli invertörlerinin ve joystick'in konumlarının nasıl okunduğunu gösterir.

Adım 14: ARDUINO SÜRÜŞ PROGRAMI

Mikrodenetleyici kartı bir Arduino MEGA'dır (UNO yeterli belleğe sahip değildir). Sürüş programı çok basit ve klasik. Gerçekleştirilecek her temel işlem için bir fonksiyon geliştirdim (gösterge tablosu okuma, GPS veri toplama, LCD ekran, makine ilerleme veya dönüş kontrolü, vb.). Bu işlevler daha sonra ana programda kolayca kullanılır. Makinenin yavaş hızı (3 metre/dakika) işleri çok kolaylaştırıyor.

Ancak, kesme çubuğu bu program tarafından değil, özel kutuda bulunan UNO panosunun programı tarafından yönetilir.

Programın KURULUM bölümünde buluyoruz

- Giriş veya çıkışlarda MEGA kartının faydalı pin başlatmaları;

- LCD ekran başlatma

- SD hafıza kartı başlatma

- Donanım seri arabiriminden GPS'e aktarım hızının başlatılması;

- Seri arabirimden IDE'ye aktarım hızının başlatılması;

- Motorları ve kesme çubuğunu kapatma

Programın başında bulduğumuz LOOP kısmında

- Gösterge paneli ve joystick, GPS, pusula ve ivmeölçer okumaları;

- gösterge paneli mod seçicisinin durumuna bağlı olarak 3 uçlu seçici (manuel, kayıt, biçme)

LOOP döngüsü, en yavaş adım olan GPS'in asenkron okumasıyla noktalanır. Yani yaklaşık her 3 saniyede bir döngünün başına dönüyoruz.

Normal mod baypas modunda, hareket fonksiyonu joystick'e göre kontrol edilir ve ekran yaklaşık her 3 saniyede bir güncellenir (konum, GPS durumu, pusula yönü, eğim…). BP işaretine basıldığında, coğrafi işarette metre cinsinden ifade edilecek konum koordinatları sıfırlanır.

Tasarruf modu şantında, hareket sırasında ölçülen tüm pozisyonlar SD karta kaydedilir (yaklaşık 3 saniyelik süre). Bir ilgi noktasına ulaşıldığında, işaretleyiciye basılması kaydedilir. SD kartta. Makinenin konumu, başlangıç noktası merkezli coğrafi işarette metre cinsinden her 3 saniyede bir görüntülenir.

Biçme modunda şönt: Makine daha önce referans noktasının üzerine taşındı. Mod seçiciyi "biçme" konumuna getirdiğinizde, program GPS çıkışlarını ve özellikle durum bayrağının değerini gözlemler. Durum bayrağı "Fix" olarak değiştiğinde, program sıfır konumunu gerçekleştirir. Daha sonra ulaşılması gereken ilk nokta SD belleğin biçme dosyasında okunur. Bu noktaya gelindiğinde, makinenin dönüşü, biçme dosyasında belirtildiği gibi, ya bir tekerlek etrafında ya da iki tekerleğin merkezi etrafında yapılır.

İşlem, son noktaya (genellikle başlangıç noktası) ulaşılana kadar kendini tekrar eder. Bu noktada program makineyi ve kesme çubuğunu durdurur.

Adım 15: KESİM ÇUBUĞU VE YÖNETİMİ

Kesme çubuğu, 1200 rpm hızında dönen 4 diskten oluşur. Her diskte 3 adet kesici bıçak bulunur. Bu diskler 1,2 metre genişliğinde sürekli bir kesme bandı oluşturacak şekilde düzenlenmiştir.

Akımı sınırlamak için motorlar kontrol edilmelidir

- başlangıçta, disklerin ataleti nedeniyle

- çok fazla çimin neden olduğu tıkanmalar nedeniyle kesim sırasında

Bu amaçla, her motorun devresindeki akım, düşük değerli sargılı dirençlerle ölçülür. UNO kartı, bu akımları ölçmek ve motorlara uyarlanmış bir PWM komutu göndermek için kablolanmış ve programlanmıştır.

Böylece, başlangıçta hız kademeli olarak 10 saniye içinde maksimum değerine yükselir. Çimen tarafından tıkanma durumunda motor 10 saniye durur ve 2 saniye tekrar çalışır. Sorun devam ederse, 10 saniyelik dinlenme ve 2 saniyelik yeniden başlatma döngüsü yeniden başlar. Bu koşullar altında, kalıcı blokaj durumunda bile motor ısınması sınırlı kalır.

UNO kartı pilot programdan sinyal aldığında motorlar çalışır veya durur. Ancak bir sabit anahtar, hizmet operasyonlarını güvence altına almak için gücün güvenilir bir şekilde kapatılmasını sağlar

Adım 16: NE YAPILMALIDIR? HANGİ İYİLEŞTİRMELER?

GPS düzeyinde

Bitki örtüsü (ağaçlar), aracın görüşündeki uydu sayısını sınırlayabilir ve doğruluğu azaltabilir veya RTK kilitlemesini önleyebilir. Bu nedenle, aynı anda mümkün olduğu kadar çok uydu kullanmak bizim çıkarımızadır. Bu nedenle GPS ve Glonass takımyıldızlarını Galileo takımyıldızı ile tamamlamak ilginç olurdu.

En fazla 15 yerine 20'den fazla uydudan faydalanabilmeli, bu da bitki örtüsü ile kaymadan kurtulmayı mümkün kılmaktadır.

Arduino RTK kalkanları bu 3 takımyıldız ile aynı anda çalışarak var olmaya başlıyor:

Ayrıca bu kalkanlar çok kompakttır (foto 1) çünkü hem GPS devresini hem de alıcı-vericiyi aynı destek üzerinde barındırırlar.

…. Ama fiyatı kullandığımız devrelere göre çok daha yüksek.

GPS'i tamamlamak için bir LIDAR kullanma

Ne yazık ki, ağaç yetiştiriciliğinde bitki örtüsü çok önemlidir (örneğin ela tarlası). Bu durumda, 3 takımyıldızı ile bile RTK kilitlemesi mümkün olmayabilir.

Bu nedenle, GPS'in anlık yokluğunda bile konumun korunmasına izin verecek bir sensörün tanıtılması gereklidir.

Bana öyle geliyor ki (deneyimim olmadı) bir LIDAR kullanımı bu işlevi yerine getirebilir. Bu durumda ağaçların gövdelerini tespit etmek çok kolaydır ve robotun ilerlemesini gözlemlemek için kullanılabilir. GPS, sıra sonunda, bitki örtüsü çıkışında işlevine devam edecekti.

Uygun bir LIDAR türü örneği aşağıdaki gibidir (Foto 2):

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