Cortador de grama RTK com GPS: 16 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Este cortador de grama robô é capaz de cortar grama totalmente automático em um curso predeterminado. Graças à orientação GPS RTK, o percurso é reproduzido a cada corte com uma precisão superior a 10 centímetros.

Etapa 1: INTRODUÇÃO

Descreveremos aqui um cortador de grama robô capaz de cortar a grama de forma totalmente automática em um curso determinado com antecedência. Graças à orientação GPS RTK, o percurso é reproduzido a cada corte com uma precisão superior a 10 centímetros (minha experiência). O controle é baseado em um cartão Aduino Mega, complementado por alguns escudos de controle do motor, acelerômetros e bússola, bem como um cartão de memória.

É uma conquista não profissional, mas me permitiu perceber os problemas encontrados na robótica agrícola. Esta disciplina muito jovem está se desenvolvendo rapidamente, estimulada por uma nova legislação sobre a redução de ervas daninhas e pesticidas. Por exemplo, aqui está um link para a última feira de robótica agrícola em Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Algumas empresas, como a Naio Technologies, já fabricam robôs operacionais (https://www.naio-technologies.com/).

Em comparação, minha conquista é muito modesta, mas, no entanto, permite entender o interesse e os desafios de uma forma lúdica. … E então realmente funciona! … E pode, portanto, ser usado para cortar grama ao redor de sua casa, preservando seu tempo livre…

Mesmo que não descreva a realização nos últimos detalhes, as indicações que dou são valiosas para quem deseja lançar. Não hesite em colocar questões ou sugestões, o que me permitirá terminar a minha apresentação para benefício de todos.

Eu ficaria muito feliz se este tipo de projeto pudesse dar a pessoas muito mais jovens o gosto pela engenharia…. a fim de estarmos prontos para o grande roubo que nos espera….

Além disso, este tipo de projeto seria perfeitamente adequado para um grupo de jovens motivados em um clube ou fablab, para praticar o trabalho em grupo, com arquitetos mecânicos, elétricos, de software chefiados por um engenheiro de sistemas, como na indústria.

Etapa 2: ESPECIFICAÇÕES PRINCIPAIS

O objetivo é produzir um protótipo operacional de segadeira capaz de cortar grama de forma autônoma em terrenos que podem apresentar irregularidades significativas (prados em vez de gramados).

A contenção de campo não pode ser baseada em uma barreira física ou limitação de fio-guia enterrado como para robôs cortadores de grama. Os campos a serem ceifados são realmente variáveis e de grande superfície.

Para a barra de corte, o objetivo é manter o crescimento da grama a uma determinada altura após uma primeira roçada ou escovagem obtida por outro meio.

Etapa 3: APRESENTAÇÃO GERAL

O sistema consiste em um robô móvel e uma base fixa.

No robô móvel, encontramos:

- O painel

- A caixa de controle geral, incluindo um cartão de memória.

- o joystick manual

- O GPS configurado como "rover" e o receptor RTK

- 3 rodas motorizadas

- Motores de rolos de rodas

- a barra de corte consiste em 4 discos rotativos, cada um carregando 3 lâminas de corte na periferia (largura de corte de 1 metro)

- a caixa de gerenciamento da barra de corte

- as baterias

Na base fixa encontramos o GPS configurado como “base” assim como o transmissor das correções RTK. Notamos que a antena é colocada em altura de modo a irradiar por algumas centenas de metros ao redor da casa.

Além disso, a antena GPS está à vista de todo o céu sem qualquer ocultação por edifícios ou vegetação.

Os modos Rover e a base GPS serão descritos e explicados na seção GPS.

Etapa 4: INSTRUÇÕES DE OPERAÇÃO (1/4)

Proponho-me conhecer o robô através do seu manual que faz bem aparecer todas as suas funcionalidades.

Descrição do painel:

- Uma mudança geral

- Um primeiro seletor de 3 posições permite selecionar os modos de operação: modo de deslocamento manual, modo de gravação de trilha, modo de corte

- Um botão de pressão é usado como um marcador. Veremos seus usos.

- Dois outros seletores de 3 posições são usados para selecionar um número de arquivo de 9. Portanto, temos 9 arquivos de corte ou registros de viagem para 9 campos diferentes.

- Um seletor de 3 posições é dedicado ao controle da barra de corte. Posição OFF, posição ON, posição de controle programada.

- Display de duas linhas

- um seletor de 3 posições para definir 3 telas diferentes

- um LED que indica o status do GPS. Leds desligados, sem GPS. Leds piscando lentamente, GPS sem correções RTK. LED piscando rápido, correções RTK recebidas. Leds acesos, GPS lock na mais alta precisão.

Finalmente, o joystick possui dois seletores de 3 posições. O esquerdo controla a roda esquerda, o direito controla a roda direita.

Etapa 5: INSTRUÇÕES DE OPERAÇÃO (2/4)

Modo de operação manual (GPS não necessário)

Depois de ligar e selecionar este modo com o seletor de modo, a máquina é controlada com o joystick.

Os dois seletores de 3 posições possuem uma mola de retorno que sempre os retorna à posição central, correspondendo à parada das rodas.

Quando as alavancas esquerda e direita são empurradas para a frente, as duas rodas traseiras giram e a máquina fica em linha reta.

Quando você puxa as duas alavancas para trás, a máquina vai direto para trás.

Quando uma alavanca é empurrada para a frente, a máquina gira em torno da roda estacionária.

Quando uma alavanca é empurrada para frente e a outra para trás, a máquina gira em torno de si mesma em um ponto no meio do eixo que une as rodas traseiras.

A motorização da roda dianteira se ajusta automaticamente de acordo com os dois controles colocados nas duas rodas traseiras.

Finalmente, no modo manual, também é possível cortar a grama. Para isso, depois de verificar que não há ninguém próximo aos discos de corte, colocamos LIGADO a caixa de gerenciamento da barra de corte (interruptor "duro" para segurança). O seletor de corte do painel de instrumentos é então colocado em ON. Neste momento, os 4 discos da barra de corte estão girando..

Etapa 6: INSTRUÇÕES DE OPERAÇÃO (3/4)

Modo de gravação de trilha (GPS necessário)

- Antes de começar a registrar uma corrida, um ponto de referência arbitrário para o campo é definido e marcado com uma pequena estaca. Este ponto será a origem das coordenadas no quadro geográfico (foto)

- Em seguida, selecionamos o número do arquivo no qual a viagem será registrada, graças aos dois seletores no painel.

- A base ON está definida

- Verifique se o LED de status do GPS começa a piscar rapidamente.

- Saia do modo manual colocando o seletor de modo do painel de instrumentos na posição de gravação.

- A máquina é então movida manualmente para a posição do ponto de referência. Precisamente é a antena GPS que deve estar acima deste ponto de referência. Esta antena GPS está localizada acima do ponto centralizado entre as duas rodas traseiras e que é o ponto de rotação da máquina sobre ela mesma.

- Aguarde até que o LED de status do GPS acenda sem piscar. Isso indica que o GPS está em sua precisão máxima ("Fix" GPS).

- A posição 0.0 original é marcada pressionando o marcador do painel.

- Em seguida, passamos para o próximo ponto que queremos mapear. Assim que for alcançado, sinalizamos com o marcador.

- Para terminar a gravação, voltamos ao modo manual.

Etapa 7: INSTRUÇÕES DE OPERAÇÃO (4/4)

Modo de corte (GPS necessário)

Primeiro, você deve preparar o arquivo de pontos que a máquina deve percorrer para cortar todo o campo sem deixar uma superfície não cortada. Para isso obtemos o arquivo salvo no cartão de memória e a partir dessas coordenadas, usando por exemplo o Excel, geramos uma lista de pontos como na foto. Para cada um dos pontos a serem alcançados, indicamos se a barra de corte está LIGADA ou DESLIGADA. Visto que é a barra de corte que consome mais energia (de 50 a 100 Watts dependendo da grama), é necessário ter o cuidado de desligar a barra de corte ao cruzar um campo já cortado, por exemplo.

Conforme a tábua de corte é gerada, o cartão de memória é colocado de volta em sua proteção na gaveta de controle.

Resta então LIGAR a base e ir para o campo de corte, logo acima do marco de referência. O seletor de modo é então definido para "Cortar".

Neste ponto, a máquina irá aguardar por si mesma o bloqueio do GPS RTK em "Fix" para zerar as coordenadas e começar a cortar.

Ao terminar a roçada, ele voltará sozinho ao ponto inicial, com uma precisão de cerca de dez centímetros.

Durante o corte, a máquina se move em linha reta entre dois pontos consecutivos do arquivo de pontos. A largura de corte é de 1,1 metros Como a máquina tem uma largura entre as rodas de 1 metro e pode girar em torno de uma roda (veja o vídeo), é possível fazer tiras de corte adjacentes. Isso é muito eficaz!

Etapa 8: PARTE MECÂNICA

A estrutura do robô

O robô é construído em torno de uma estrutura de treliça de tubos de alumínio, o que lhe confere boa rigidez. Suas dimensões são de cerca de 1,20 metros de comprimento, 1 metro de largura e 80 cm de altura.

As rodas

Pode mover-se graças a 3 rodas de bicicleta infantil com diâmetro de 20 polegadas: Duas rodas traseiras e uma roda dianteira semelhante à roda dos carrinhos de supermercado (fotos 1 e 2). O movimento relativo das duas rodas traseiras garante sua orientação

Os motores de rolos

Por causa das irregularidades no campo, é necessário ter grandes taxas de torque e, portanto, uma grande taxa de redução. Para tanto, utilizei o princípio de prensagem do rolo na roda, como em um solex (fotos 3 e 4). A grande redução permite manter a máquina estável em declives, mesmo quando a potência do motor é cortada. Em compensação, a máquina avança lentamente (3 metros / minuto) … mas a grama também cresce lentamente …

Para o projeto mecânico usei o software de desenho Openscad (software de script muito eficiente). Em paralelo, para os planos de detalhes, usei o Drawing from Openoffice.

Etapa 9: RTK GPS (1/3)

GPS simples

O GPS simples (foto 1), do nosso carro, tem uma precisão de poucos metros. Se registrarmos a posição indicada por um GPS mantido fixo por uma hora, por exemplo, observaremos flutuações de vários metros. Essas oscilações são devidas a distúrbios na atmosfera e na ionosfera, mas também a erros nos relógios dos satélites e no próprio GPS. Portanto, não é adequado para nossa aplicação.

RTK GPS

Para melhorar esta precisão, dois Gps são usados a uma distância de menos de 10 km (foto 2). Nessas condições, podemos considerar que as perturbações da atmosfera e da ionosfera são idênticas em cada GPS. Assim, a diferença de posição entre os dois GPS não é mais perturbada (diferencial). Se agora colocarmos um dos GPS (a base) e colocarmos o outro em um veículo (o rover), obteremos precisamente o movimento do veículo a partir da base sem perturbações. Além disso, esses GPS realizam uma medição de tempo de vôo muito mais precisa do que o simples GPS (medições de fase na transportadora).

Graças a essas melhorias, obteremos uma precisão de medição centimétrica para o movimento do rover em relação à base.

É este sistema RTK (Real Time Kinematic) que escolhemos usar.

Etapa 10: RTK GPS (2/3)

Comprei 2 circuitos GPS RTK (foto 1) da empresa Navspark.

Esses circuitos são montados em um pequeno PCB equipado com pinos de pitch de 2,54 mm, que, portanto, são montados diretamente nas placas de teste.

Como o projeto está localizado no sudoeste da França, optei por circuitos que funcionassem com as constelações de satélites GPS americanos e também com a constelação russa de Glonass.

É importante ter o número máximo de satélites para se beneficiar da melhor precisão. No meu caso, atualmente tenho entre 10 e 16 satélites.

Nós também temos que comprar

- 2 adaptadores USB, necessários para conectar o circuito GPS a um PC (testes e configuração)

- 2 antenas GPS + 2 cabos adaptadores

- um par de transmissores-receptores 3DR para que a base possa emitir suas correções para o rover e o rover as receba.

Etapa 11: RTK GPS (3/3)

O aviso GPS encontrado no site Navspark permite que os circuitos sejam implementados gradualmente.

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

No site Navspark também encontraremos

- o software a ser instalado em seu PC com Windows para visualizar as saídas GPS e programar circuitos na base e no rover.

- Uma descrição do formato de dados GPS (frases NMEA)

Todos esses documentos estão em inglês, mas são relativamente fáceis de entender. Inicialmente, a implementação é feita sem o menor circuito eletrônico graças aos adaptadores USB que também fornecem todas as fontes de alimentação elétrica.

A progressão é a seguinte:

- Teste de circuitos individuais que funcionam como simples GPS. A visão da nuvem de pontes mostra estabilidade de alguns metros.

- Programação de um circuito em ROVER e outro em BASE

- Construir um sistema RTK conectando os dois módulos com um único fio. A visão da nuvem das pontes mostra uma estabilidade relativa de ROVER / BASE de alguns centímetros!

- Substituição do fio de conexão BASE e ROVER pelos transceptores 3DR. Aqui, novamente, a operação em RTK permite uma estabilidade de alguns centímetros. Mas desta vez BASE e ROVER não estão mais conectados por um link físico…..

- Substituição da visualização do PC por uma placa Arduino programada para receber dados GPS em uma entrada serial … (veja abaixo)

Etapa 12: PARTE ELÉTRICA (1/2)

A caixa de controle elétrico

A foto 1 mostra as placas da caixa de controle principal que serão detalhadas a seguir.

Fiação do GPS

A fiação do GPS da base e do cortador é mostrada na Figura 2.

Este cabeamento é feito naturalmente seguindo o progresso das instruções do GPS (veja a seção GPS). Em todos os casos, existe um adaptador USB que permite programar os circuitos tanto em base como em rover graças ao software para PC fornecido pela Navspark. Graças a este programa, também temos todas as informações de posição, número de satélites, etc …

Na seção segadeira, o pino Tx1 do GPS é conectado à entrada serial 19 (Rx1) da placa ARDUINO MEGA para receber as frases NMEA.

Na base o pino Tx1 do GPS é enviado para o pino Rx do rádio 3DR para envio das correções. No cortador, as correções recebidas pelo rádio 3DR são enviadas para o pino Rx2 do circuito GPS.

De referir que estas correcções e a sua gestão são integralmente asseguradas pelos circuitos GPS RTK. Assim, a placa Aduino MEGA recebe apenas valores de posição corrigidos.

Etapa 13: PARTE ELÉTRICA (2/2)

A placa Arduino MEGA e seus escudos

- Placa arduino MEGA

- Blindagem dos motores da roda traseira

- Blindagem do motor da roda dianteira

- Shield arte SD

Na Figura 1, nota-se que conectores plug-in foram colocados entre as placas para que o calor dissipado nas placas do motor pudesse ser ventilado. Além disso, essas inserções permitem cortar links indesejados entre os cartões, sem ter que modificá-los.

A Figura 2 e a Figura 3 mostram como são lidas as posições dos inversores do painel de instrumentos e do joystick.

Etapa 14: O PROGRAMA DE CONDUÇÃO ARDUINO

A placa do microcontrolador é um Arduino MEGA (UNO não tem memória suficiente). O programa de condução é muito simples e clássico. Desenvolvi uma função para cada operação básica a ser realizada (leitura do painel, aquisição de dados GPS, display LCD, avanço da máquina ou controle de rotação, etc …). Essas funções são facilmente utilizadas no programa principal. A baixa velocidade da máquina (3 metros / minuto) torna as coisas muito mais fáceis.

No entanto, a barra de corte não é gerida por este programa, mas sim pelo programa da placa UNO que se encontra na caixa específica.

Na parte SETUP do programa, encontramos

- Inicializações úteis dos pinos da placa MEGA nas entradas ou saídas;

- Inicialização do display LCD

- Inicialização do cartão de memória SD

- Inicialização da velocidade de transferência da interface serial do hardware para o GPS;

- Inicialização da velocidade de transferência da interface serial para o IDE;

- Desligamento de motores e barra de corte

Na parte LOOP do programa, encontramos no início

- Leituras do painel de instrumentos e joystick, GPS, bússola e acelerômetro;

- um seletor de 3 derivações, dependendo do status do seletor de modo do painel de instrumentos (manual, gravação, corte)

O loop LOOP é pontuado pela leitura assíncrona do GPS, que é o passo mais lento. Portanto, voltamos ao início do loop a cada 3 segundos.

No bypass do modo normal, a função de movimento é controlada de acordo com o joystick e o display é atualizado aproximadamente a cada 3 segundos (posição, status do GPS, direção da bússola, inclinação …). Um toque no marcador BP zera as coordenadas de posição que serão expressas em metros no marco geográfico.

No shunt do modo de salvar, todas as posições medidas durante o movimento são registradas no cartão SD (período de cerca de 3 segundos). Quando um ponto de interesse é alcançado, o pressionamento do marcador é salvo. no cartão SD. A posição da máquina é exibida a cada 3 segundos, em metros, no marco geográfico centrado no ponto de origem.

No modo de corte, shunt: A máquina foi movida anteriormente acima do ponto de referência. Ao mudar o seletor de modo para "corte", o programa observa as saídas GPS e, em particular, o valor da bandeira de status. Quando o flag de status muda para "Fix", o programa executa a posição zero. O primeiro ponto a ser alcançado é então lido no arquivo de corte da memória SD. Quando este ponto é alcançado, o giro da máquina é feito conforme indicado na pasta de corte, seja em torno de uma roda, ou em torno do centro das duas rodas.

O processo se repete até que o último ponto seja alcançado (geralmente o ponto de partida). Neste ponto, o programa para a máquina e a barra de corte.

Etapa 15: A BARRA DE CORTE E SUA GESTÃO

A barra de corte consiste em 4 discos girando na velocidade de 1200 rpm. Cada disco está equipado com 3 lâminas de corte. Esses discos são dispostos de forma a formar uma faixa de corte contínua de 1,2 metros de largura.

Os motores devem ser controlados para limitar a corrente

- na inicialização, devido à inércia dos discos

- durante o corte, por causa de bloqueios causados por muita grama

Para isso, a corrente no circuito de cada motor é medida por resistores bobinados de baixo valor. A placa UNO é conectada e programada para medir essas correntes e enviar um comando PWM adaptado aos motores.

Assim, na inicialização, a velocidade aumenta gradativamente até seu valor máximo em 10 segundos. Em caso de bloqueio por grama, o motor para por 10 segundos e tenta novamente por 2 segundos. Se o problema persistir, o repouso de 10 segundos e o ciclo de reinicialização de 2 segundos são reiniciados. Nessas condições, o aquecimento do motor permanece limitado, mesmo em caso de bloqueio permanente.

Os motores dão partida ou param quando a placa UNO recebe o sinal do programa piloto. No entanto, um interruptor rígido permite desligar a energia de forma confiável para proteger as operações de serviço

Etapa 16: O QUE DEVE SER FEITO? QUE MELHORIAS?

No nível do GPS

A vegetação (árvores) pode limitar o número de satélites à vista do veículo e reduzir a precisão ou impedir o travamento RTK. Portanto, é do nosso interesse usar o maior número possível de satélites ao mesmo tempo. Portanto, seria interessante completar as constelações GPS e Glonass com a constelação Galileo.

Deveria ser possível beneficiar de mais de 20 satélites em vez de um máximo de 15, o que permite eliminar a escumação da vegetação.

Os escudos Arduino RTK estão começando a existir trabalhando simultaneamente com estas 3 constelações:

Além disso, essas blindagens são muito compactas (foto 1) porque incluem o circuito GPS e o transceptor no mesmo suporte.

… Mas o preço é muito superior ao dos circuitos que usamos

Usando um LIDAR para complementar o GPS

Infelizmente, na arboricultura acontece que a cobertura vegetal é muito importante (aveleira por exemplo). Neste caso, mesmo com as 3 constelações o bloqueio RTK pode não ser possível.

Portanto, é necessário introduzir um sensor que permita manter a posição mesmo na ausência momentânea de GPS.

Parece-me (não tenho experiência) que a utilização de um LIDAR pode cumprir esta função. Os troncos das árvores são muito fáceis de detectar neste caso e podem ser usados para observar o progresso do robô. O GPS voltaria a funcionar no final da linha, na saída da cobertura vegetal.

Um exemplo de um tipo adequado de LIDAR é o seguinte (Foto2):

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