Cortacésped RTK con GPS: 16 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Este robot cortacésped es capaz de cortar césped de forma totalmente automática en un recorrido predeterminado. Gracias a la guía GPS RTK, el rumbo se reproduce con cada corte con una precisión superior a los 10 centímetros.

Paso 1: INTRODUCCION

Aquí describiremos un robot cortacésped capaz de cortar el césped de forma completamente automática en un recorrido determinado de antemano. Gracias a la guía GPS RTK, el rumbo se reproduce en cada corte con una precisión mejor que 10 centímetros (mi experiencia). El control se basa en una tarjeta Aduino Mega, complementada con unos escudos de control motor, acelerómetros y brújula así como una tarjeta de memoria.

Es un logro no profesional, pero me ha permitido darme cuenta de los problemas encontrados en la robótica agrícola. Esta disciplina muy joven se está desarrollando rápidamente, impulsada por una nueva legislación sobre la reducción de malezas y pesticidas. Por ejemplo, aquí hay un enlace a la última feria de robótica agrícola en Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Algunas empresas como Naio Technologies ya están fabricando robots operativos (https://www.naio-technologies.com/).

En comparación, mi logro es muy modesto pero, sin embargo, permite comprender los intereses y los desafíos de una manera lúdica. …. ¡Y entonces realmente funciona! … y, por lo tanto, se puede utilizar para cortar el césped de su casa, preservando su tiempo libre …

Incluso si no describo la realización en los últimos detalles, las indicaciones que doy son valiosas para quien le gustaría lanzar. No dude en hacer preguntas o hacer sugerencias, lo que me permitirá completar mi presentación en beneficio de todos.

Sería muy feliz si este tipo de proyecto pudiera dar a gente mucho más joven el gusto por la ingeniería…. para estar preparados para la gran revolución que nos espera….

Además, este tipo de proyecto se adaptaría perfectamente a un grupo de jóvenes motivados en un club o fablab, para practicar el trabajo en grupo de proyecto, con arquitectos mecánicos, eléctricos, de software encabezados por un ingeniero de sistemas, como en la industria.

Paso 2: PRINCIPALES ESPECIFICACIONES

El objetivo es producir un prototipo de cortacésped operativo capaz de cortar el césped de forma autónoma en terrenos que pueden tener irregularidades importantes (prados en lugar de céspedes).

La contención del campo no puede basarse en una barrera física o una limitación de cable guía enterrada como en el caso de los robots cortacésped. Los campos a segar son en efecto variables y de gran superficie.

Para la barra de corte, el objetivo es mantener el crecimiento de la hierba a una determinada altura tras un primer corte o cepillado obtenido por otro medio.

Paso 3: PRESENTACIÓN GENERAL

El sistema consta de un robot móvil y una base fija.

En el robot móvil encontramos:

- El tablero

- La caja de control general que incluye una tarjeta de memoria.

- el joystick manual

- El GPS configurado como "móvil" y el Receptor RTK

- 3 ruedas motorizadas

- Motores de rodillos de ruedas

- la barra de corte consta de 4 discos giratorios cada uno con 3 cuchillas de corte en la periferia (ancho de corte de 1 metro)

- la caja de gestión de la barra de corte

- las baterias

En la base fija encontramos el GPS configurado como "base" así como el transmisor de las correcciones RTK. Observamos que la antena está colocada en altura para irradiar unos cientos de metros alrededor de la casa.

Además, la antena GPS está a la vista de todo el cielo sin ninguna ocultación por edificios o vegetación.

Los modos Rover y la base GPS se describirán y explicarán en la sección GPS.

Paso 4: INSTRUCCIONES DE FUNCIONAMIENTO (1/4)

Propongo familiarizarme con el robot a través de su manual en el que aparecen bien todas sus funcionalidades.

Descripción del tablero:

- Un cambio general

- Un primer selector de 3 posiciones permite seleccionar los modos de funcionamiento: modo de desplazamiento manual, modo de grabación de pistas, modo de corte

- Se utiliza un pulsador como marcador. Veremos sus usos.

- Se utilizan otros dos selectores de 3 posiciones para seleccionar un número de archivo de 9. Por lo tanto, tenemos 9 archivos de corte o registros de viaje para 9 campos diferentes.

- Un selector de 3 posiciones está dedicado al control de la barra de corte. Posición OFF, posición ON, posición de control programada.

- Pantalla de dos líneas

- un selector de 3 posiciones para definir 3 pantallas diferentes

- un LED que indica el estado del GPS. Leds apagados, sin GPS. Leds parpadeando lentamente, GPS sin correcciones RTK. LED parpadeante rápido, correcciones RTK recibidas. Leds encendidos, bloqueo de GPS con la máxima precisión.

Finalmente, el joystick tiene dos selectores de 3 posiciones. El izquierdo controla la rueda izquierda, el derecho controla la rueda derecha.

Paso 5: INSTRUCCIONES DE FUNCIONAMIENTO (2/4)

Modo de operación manual (no se requiere GPS)

Después de encender y seleccionar este modo con el selector de modo, la máquina se controla con el joystick.

Los dos selectores de 3 posiciones tienen un resorte de retorno que siempre los devuelve a la posición media, correspondiente al paro de las ruedas.

Cuando se empujan las palancas izquierda y derecha hacia adelante, las dos ruedas traseras giran y la máquina va en línea recta.

Cuando tira de las dos palancas hacia atrás, la máquina retrocede en línea recta.

Cuando se empuja una palanca hacia adelante, la máquina gira alrededor de la rueda estacionaria.

Cuando se empuja una palanca hacia adelante y la otra hacia atrás, la máquina gira sobre sí misma en un punto en el medio del eje que une las ruedas traseras.

La motorización de la rueda delantera se ajusta automáticamente según los dos controles colocados en las dos ruedas traseras.

Finalmente, en el modo manual también es posible cortar el césped. Para ello, después de haber comprobado que nadie está cerca de los discos de corte, ponemos en ON la caja de gestión de la barra de corte (interruptor "duro" por seguridad). El selector de corte del panel de instrumentos se coloca en ON. En este momento están girando los 4 discos de la barra de corte..

Paso 6: INSTRUCCIONES DE FUNCIONAMIENTO (3/4)

Modo de grabación de seguimiento (se requiere GPS)

- Antes de comenzar a grabar una carrera, se define un punto de referencia arbitrario para el campo y se marca con una pequeña estaca. Este punto será el origen de las coordenadas en el marco geográfico (foto)

- A continuación, seleccionamos el número de archivo en el que se registrará el viaje, gracias a los dos selectores del panel de control.

- La base ON está configurada

- Compruebe que el LED de estado del GPS comience a parpadear rápidamente.

- Salga del modo manual colocando el selector de modo del panel de instrumentos en la posición de grabación.

- A continuación, la máquina se mueve manualmente a la posición del punto de referencia. Precisamente es la antena GPS la que debe estar por encima de este hito. Esta antena GPS está ubicada sobre el punto centrado entre las dos ruedas traseras y que es el punto de rotación de la máquina sobre sí misma.

- Espere hasta que el LED de estado del GPS se encienda sin parpadear. Esto indica que el GPS está en su máxima precisión ("Fijar" GPS).

- La posición 0.0 original se marca presionando el marcador del tablero.

- Luego pasamos al siguiente punto que queremos mapear. Tan pronto como se alcanza, lo señalizamos con el marcador.

- Para finalizar la grabación volvemos al modo manual.

Paso 7: INSTRUCCIONES DE FUNCIONAMIENTO (4/4)

Modo de corte (se requiere GPS)

Primero, debe preparar el archivo de puntos por el que debe pasar la máquina para cortar todo el campo sin dejar una superficie sin cortar. Para ello obtenemos el archivo guardado en la tarjeta de memoria y a partir de estas coordenadas, usando por ejemplo Excel, generamos una lista de puntos como en la foto. Para cada uno de los puntos a alcanzar, indicamos si la barra de corte está encendida o apagada. Dado que es la barra de corte que más energía consume (de 50 a 100 Watts dependiendo del césped), es necesario tener cuidado de APAGAR la barra de corte al cruzar un campo ya segado por ejemplo.

A medida que se genera la tabla de corte, la tarjeta de memoria se vuelve a colocar en su protector en el cajón de control.

Todo lo que queda entonces es poner la base e ir al campo de corte, justo encima del punto de referencia. A continuación, el selector de modo se coloca en "Mow".

En este punto, la máquina esperará por sí misma a que el GPS RTK se bloquee en "Fijar" para poner a cero las coordenadas y comenzar a cortar.

Cuando termine el corte, volverá solo al punto de partida, con una precisión de unos diez centímetros.

Durante el corte, la máquina se mueve en línea recta entre dos puntos consecutivos del archivo de puntos. El ancho de corte es de 1,1 metros. Dado que la máquina tiene un ancho entre ruedas de 1 metro y puede girar alrededor de una rueda (ver video), es posible hacer tiras de corte adyacentes. ¡Esto es muy efectivo!

Paso 8: PARTE MECÁNICA

La estructura del robot

El robot está construido alrededor de una estructura de celosía de tubos de aluminio, lo que le confiere una buena rigidez. Sus dimensiones son de aproximadamente 1,20 metros de largo, 1 metro de ancho y 80 cm de alto.

Las ruedas

Se puede mover gracias a 3 ruedas de bicicleta infantil de 20 pulgadas de diámetro: Dos ruedas traseras y una rueda delantera similar a la rueda de los carritos de supermercado (fotos 1 y 2). El movimiento relativo de las dos ruedas traseras asegura su orientación

Los motores de rodillos

Debido a las irregularidades en el campo, es necesario tener relaciones de par grandes y, por lo tanto, una relación de reducción grande. Para ello utilicé el principio del rodillo presionando la rueda, como en un solex (fotos 3 y 4). La gran reducción permite mantener la máquina estable en una pendiente, incluso cuando se corta la potencia del motor. A cambio, la máquina avanza lentamente (3 metros / minuto)… pero la hierba también crece lentamente….

Para el diseño mecánico utilicé el software de dibujo Openscad (software de script muy eficiente). Paralelamente, para los planos de detalle utilicé Drawing from Openoffice.

Paso 9: GPS RTK (1/3)

GPS simple

El GPS simple (foto 1), el de nuestro coche, tiene una precisión de tan solo unos metros. Si registramos la posición indicada por dicho GPS mantenida fija durante una hora por ejemplo, observaremos fluctuaciones de varios metros. Estas fluctuaciones se deben a perturbaciones en la atmósfera y la ionosfera, pero también a errores en los relojes de los satélites y errores en el propio GPS. Por tanto, no es adecuado para nuestra aplicación.

GPS RTK

Para mejorar esta precisión, se utilizan dos Gps a una distancia de menos de 10 km (foto 2). En estas condiciones, podemos considerar que las perturbaciones de la atmósfera y la ionosfera son idénticas en cada GPS. Por lo tanto, la diferencia de posición entre los dos GPS ya no se ve perturbada (diferencial). Si ahora acoplamos uno de los GPS (la base) y colocamos el otro en un vehículo (el rover), obtendremos con precisión el movimiento del vehículo desde la base sin perturbaciones. Además, estos GPS realizan una medición del tiempo de vuelo mucho más precisa que el GPS simple (mediciones de fase en la portadora).

Gracias a estas mejoras, obtendremos una precisión de medición centimétrica para el movimiento del rover con respecto a la base.

Es este sistema RTK (Real Time Kinematic) el que hemos elegido utilizar.

Paso 10: GPS RTK (2/3)

Compré 2 circuitos GPS RTK (foto 1) de la empresa Navspark.

Estos circuitos están montados en un pequeño PCB equipado con pines de paso de 2,54 mm, que por lo tanto se monta directamente en las placas de prueba.

Como el proyecto está ubicado en el suroeste de Francia, elegí circuitos que funcionan con las constelaciones de satélites GPS estadounidenses, así como con la constelación rusa Glonass.

Es importante tener el máximo número de satélites para beneficiarse de la mejor precisión. En mi caso, actualmente tengo entre 10 y 16 satélites.

Tambien tenemos que comprar

- 2 adaptadores USB, necesarios para conectar el circuito GPS a una PC (pruebas y configuración)

- 2 antenas GPS + 2 cables adaptadores

- un par de transmisores-receptores 3DR para que la base pueda emitir sus correcciones al móvil y el móvil las reciba.

Paso 11: GPS RTK (3/3)

El aviso de GPS que se encuentra en el sitio de Navspark permite que los circuitos se implementen gradualmente.

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

En el sitio web de Navspark también encontraremos

- el software que se instalará en su PC con Windows para ver las salidas de GPS y programar los circuitos en la base y el móvil.

- Una descripción del formato de datos GPS (frases NMEA)

Todos estos documentos están en inglés pero son relativamente fáciles de entender. Inicialmente, la implementación se realiza sin el menor circuito electrónico gracias a los adaptadores USB que también proporcionan todas las fuentes de alimentación eléctrica.

La progresión es la siguiente:

- Prueba de circuitos individuales que funcionan como un simple GPS. La vista de nubes de los puentes muestra una estabilidad de unos pocos metros.

- Programación de un circuito en ROVER y el otro en BASE

- Construcción de un sistema RTK conectando los dos módulos con un solo cable. ¡La vista de nubes de los puentes muestra una estabilidad relativa de ROVER / BASE de unos pocos centímetros!

- Reemplazo del cable de conexión BASE y ROVER por los transceptores 3DR. Aquí nuevamente el funcionamiento en RTK permite una estabilidad de unos centímetros. Pero esta vez BASE y ROVER ya no están conectados por un enlace físico…..

- Reemplazo de visualización de PC con una placa Arduino programada para recibir datos GPS en una entrada serial … (ver más abajo)

Paso 12: PIEZA ELÉCTRICA (1/2)

La caja de control eléctrico

La foto 1 muestra los principales tableros de la caja de control que se detallarán a continuación.

Cableado del GPS

El cableado del GPS de la base y del cortacésped se muestra en la Figura 2.

Este cableado se logra naturalmente siguiendo el progreso de las instrucciones del GPS (consulte la sección GPS). En todos los casos, existe un adaptador USB que permite programar los circuitos ya sea en base o en rover gracias al software para PC provisto por Navspark. Gracias a este programa, también tenemos toda la información de posición, número de satélites, etc…

En la sección del cortacésped, el pin Tx1 del GPS está conectado a la entrada serial 19 (Rx1) de la placa ARDUINO MEGA para recibir las frases NMEA.

En la base se envía el pin Tx1 del GPS al pin Rx de la radio 3DR para enviar las correcciones. En el cortacésped las correcciones recibidas por la radio 3DR se envían al pin Rx2 del circuito GPS.

Se observa que estas correcciones y su gestión están totalmente garantizadas por los circuitos GPS RTK. Por lo tanto, la placa Aduino MEGA recibe solo valores de posición corregidos.

Paso 13: PARTE ELÉCTRICA (2/2)

La placa Arduino MEGA y sus escudos

- Placa arduino MEGA

- Escudo de motores de rueda trasera

- Escudo del motor de la rueda delantera

- Escudo arte SD

En la Figura 1, se observa que se colocaron conectores enchufables entre las placas para que el calor disipado en las placas del motor pudiera ventilar. Además, estas inserciones le permiten cortar enlaces no deseados entre las tarjetas, sin tener que modificarlas.

La Figura 2 y la Figura 3 muestran cómo se leen las posiciones de los inversores del tablero de instrumentos y el joystick.

Paso 14: EL PROGRAMA DE CONDUCCIÓN DE ARDUINO

La placa del microcontrolador es un Arduino MEGA (UNO no tiene suficiente memoria). El programa de conducción es muy sencillo y clásico. He desarrollado una función para cada operación básica a realizar (lectura del tablero, adquisición de datos GPS, display LCD, control de avance o rotación de la máquina, etc…). Estas funciones se utilizan fácilmente en el programa principal. La baja velocidad de la máquina (3 metros / minuto) facilita mucho las cosas.

Sin embargo, la barra de corte no es gestionada por este programa sino por el programa de la junta UNO que se encuentra en la casilla específica.

En la parte SETUP del programa encontramos

- Útiles inicializaciones de pines de la placa MEGA en entradas o salidas;

- Inicialización de la pantalla LCD

- Inicialización de la tarjeta de memoria SD

- Inicialización de la velocidad de transferencia desde la interfaz serial del hardware al GPS;

- Inicialización de la velocidad de transferencia de la interfaz serial al IDE;

- Apagado de motores y barra de corte

En la parte LOOP del programa encontramos al principio

- Panel de instrumentos y joystick, GPS, brújula y lecturas del acelerómetro;

- un selector de 3 derivaciones, según el estado del selector de modo del panel de instrumentos (manual, grabación, corte)

El bucle LOOP está puntuado por la lectura asincrónica del GPS, que es el paso más lento. Así que volvemos al principio del ciclo aproximadamente cada 3 segundos.

En el modo de bypass normal, la función de movimiento se controla de acuerdo con el joystick y la pantalla se actualiza aproximadamente cada 3 segundos (posición, estado del GPS, dirección de la brújula, inclinación…). Al presionar el marcador BP, se ponen a cero las coordenadas de posición que se expresarán en metros en el punto de referencia geográfico.

En la derivación del modo de ahorro, todas las posiciones medidas durante el movimiento se registran en la tarjeta SD (período de aproximadamente 3 segundos). Cuando se llega a un punto de interés, se guarda la pulsación del marcador. en la tarjeta SD. La posición de la máquina se muestra cada 3 segundos, en metros, en el punto de referencia geográfico centrado en el punto de origen.

En el modo de corte en derivación: la máquina se movió previamente por encima del punto de referencia. Al cambiar el selector de modo a "siega", el programa observa las salidas GPS y, en particular, el valor de la bandera de estado. Cuando la bandera de estado cambia a "Fijar", el programa realiza la posición cero. El primer punto a alcanzar se lee en el archivo de corte de la memoria SD. Cuando se alcanza este punto, el giro de la máquina se realiza como se indica en el archivo de corte, ya sea alrededor de una rueda o alrededor del centro de las dos ruedas.

El proceso se repite hasta que se alcanza el último punto (generalmente el punto de partida). En este punto, el programa detiene la máquina y la barra de corte.

Paso 15: LA BARRA DE CORTE Y SU GESTIÓN

La barra de corte consta de 4 discos que giran a una velocidad de 1200 rpm. Cada disco está equipado con 3 cuchillas de corte. Estos discos están dispuestos para formar una banda de corte continuo de 1,2 metros de ancho.

Los motores deben controlarse para limitar la corriente

- en la puesta en marcha, debido a la inercia de los discos

- durante el corte, debido a bloqueos causados por demasiada hierba

Para este propósito, la corriente en el circuito de cada motor se mide mediante resistencias en espiral de bajo valor. La placa UNO está cableada y programada para medir estas corrientes y enviar un comando PWM adaptado a los motores.

Por lo tanto, en el arranque, la velocidad aumenta gradualmente hasta su valor máximo en 10 segundos. En caso de bloqueo por hierba, el motor se detiene durante 10 segundos y vuelve a intentarlo durante 2 segundos. Si el problema persiste, el ciclo de descanso de 10 segundos y reinicio de 2 segundos comienza de nuevo. En estas condiciones, el calentamiento del motor permanece limitado, incluso en el caso de bloqueo permanente.

Los motores arrancan o se detienen cuando la placa UNO recibe la señal del programa piloto. Sin embargo, un interruptor físico permite desconectar la energía de manera confiable para asegurar las operaciones de servicio.

Paso 16: ¿QUÉ SE DEBE HACER? ¿QUÉ MEJORAS?

A nivel GPS

La vegetación (árboles) puede limitar el número de satélites a la vista del vehículo y reducir la precisión o evitar el bloqueo RTK. Por lo tanto, es de nuestro interés utilizar tantos satélites como sea posible al mismo tiempo. Por tanto, sería interesante completar las constelaciones GPS y Glonass con la constelación de Galileo.

Debería ser posible beneficiarse de más de 20 satélites en lugar de un máximo de 15, lo que permite eliminar el desnatado de la vegetación.

Los escudos Arduino RTK están comenzando a existir trabajando simultáneamente con estas 3 constelaciones:

Además, estos escudos son muy compactos (foto 1) porque incluyen tanto el circuito GPS como el transceptor en el mismo soporte.

…. Pero el precio es mucho más alto que el de los circuitos que usamos

Usando un LIDAR para complementar el GPS

Desafortunadamente, en la arboricultura sucede que la cobertura vegetal es muy importante (campo de avellanos, por ejemplo). En este caso, incluso con las 3 constelaciones, el bloqueo RTK puede no ser posible.

Por tanto, es necesario introducir un sensor que permita mantener la posición incluso en ausencia momentánea de GPS.

Me parece (no he tenido la experiencia) que el uso de un LIDAR podría cumplir esta función. Los troncos de los árboles son muy fáciles de detectar en este caso y se pueden utilizar para observar el progreso del robot. El GPS reanudaría su función al final de la fila, a la salida de la cubierta vegetal.

Un ejemplo de un tipo adecuado de LIDAR es el siguiente (Foto2):

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