Mesin Pemotong Berbasis GPS RTK: 16 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Robot pemotong rumput ini mampu memotong rumput secara otomatis pada lintasan yang telah ditentukan. Berkat panduan GPS RTK, lapangan direproduksi dengan setiap pemotongan dengan presisi lebih baik dari 10 sentimeter.

Langkah 1: PENDAHULUAN

Disini akan kami jelaskan sebuah robot pemotong rumput yang mampu memotong rumput secara otomatis pada lintasan yang telah ditentukan sebelumnya. Berkat panduan GPS RTK, kursus direproduksi pada setiap pemotongan dengan presisi lebih baik dari 10 sentimeter (pengalaman saya). Kontrol didasarkan pada kartu Aduino Mega, dilengkapi dengan beberapa pelindung kontrol motor, akselerometer dan kompas serta kartu memori.

Ini adalah pencapaian non-profesional, tetapi telah memungkinkan saya untuk menyadari masalah yang dihadapi dalam robotika pertanian. Disiplin yang sangat muda ini berkembang pesat, didorong oleh undang-undang baru tentang pengurangan gulma dan pestisida. Misalnya, berikut ini tautan ke pameran robotika pertanian terbaru di Toulouse (https://www.fira-agtech.com/). Beberapa perusahaan seperti Naio Technologies sudah memproduksi robot operasional (https://www.naio-technologies.com/).

Sebagai perbandingan, pencapaian saya sangat sederhana tetapi tetap memungkinkan untuk memahami minat dan tantangan dengan cara yang menyenangkan. …. Dan kemudian itu benar-benar berfungsi! … dan karena itu dapat digunakan untuk memotong rumput di sekitar rumahnya, sambil menjaga waktu luangnya …

Sekalipun realisasinya tidak saya uraikan secara detail, indikasi yang saya berikan sangat berharga bagi yang ingin meluncurkannya. Jangan ragu untuk mengajukan pertanyaan atau memberikan saran, yang akan memungkinkan saya untuk menyelesaikan presentasi saya untuk kepentingan semua orang.

Saya akan sangat senang jika proyek jenis ini dapat memberikan rasa kepada orang-orang yang jauh lebih muda untuk bidang teknik…. agar siap untuk robolution besar yang menanti kita….

Selain itu, jenis proyek ini akan sangat cocok untuk sekelompok anak muda yang termotivasi di klub atau fablab, untuk berlatih bekerja sebagai kelompok proyek, dengan arsitek perangkat lunak, listrik, mekanik yang dipimpin oleh seorang insinyur sistem, seperti di industri.

Langkah 2: SPESIFIKASI UTAMA

Tujuannya adalah untuk menghasilkan prototipe mesin pemotong operasional yang mampu memotong rumput secara mandiri di medan yang mungkin memiliki ketidakteraturan yang signifikan (padang rumput daripada halaman rumput).

Penahanan lapangan tidak dapat didasarkan pada penghalang fisik atau batasan kawat pemandu yang terkubur seperti untuk robot pemotong rumput. Ladang yang akan dipangkas memang bervariasi dan permukaannya luas.

Untuk batang potong, tujuannya adalah untuk mempertahankan pertumbuhan rumput pada ketinggian tertentu setelah pemotongan atau penyikatan pertama dilakukan dengan cara lain.

Langkah 3: PRESENTASI UMUM

Sistem ini terdiri dari robot bergerak dan basis tetap.

Di robot seluler kami menemukan:

- Dasbor

- Kotak kontrol umum termasuk kartu memori.

- joystick manual

- GPS dikonfigurasi sebagai "penjelajah" dan Penerima RTK

- 3 roda bermotor

- Motor rol roda

- bilah pemotong yang terdiri dari 4 cakram berputar masing-masing membawa 3 bilah pemotong di pinggirannya (lebar pemotongan 1 meter)

- kotak manajemen bilah pemotong

- baterai

Di pangkalan tetap kami menemukan GPS yang dikonfigurasi sebagai "basis" serta pemancar koreksi RTK. Kami mencatat bahwa antena ditempatkan di ketinggian sehingga memancar beberapa ratus meter di sekitar rumah.

Selain itu, antena GPS terlihat di seluruh langit tanpa gangguan oleh bangunan atau vegetasi.

Mode Rover dan basis GPS akan dijelaskan dan dijelaskan di bagian GPS.

Langkah 4: PETUNJUK PENGOPERASIAN (1/4)

Saya mengusulkan untuk berkenalan dengan robot melalui manualnya yang membuat semua fungsinya terlihat dengan baik.

Deskripsi dasbor:

- Saklar umum

- Selektor 3 posisi pertama memungkinkan untuk memilih mode operasi: mode perjalanan manual, mode perekaman trek, mode pemotongan

- Tombol tekan digunakan sebagai penanda. Kita akan melihat kegunaannya.

- Dua pemilih 3-posisi lainnya digunakan untuk memilih nomor file dari 9. Oleh karena itu, kami memiliki 9 file pemotongan atau catatan perjalanan untuk 9 bidang yang berbeda.

- Selektor 3 posisi didedikasikan untuk kontrol bilah pemotong. Posisi OFF, posisi ON, posisi kontrol terprogram.

- Tampilan dua baris

- pemilih 3 posisi untuk menentukan 3 tampilan berbeda

- LED yang menunjukkan status GPS. LED mati, tidak ada GPS. Led berkedip lambat, GPS tanpa koreksi RTK. LED berkedip cepat, koreksi RTK diterima. Led menyala, kunci GPS pada akurasi tertinggi.

Terakhir, joystick memiliki dua selektor 3 posisi. Yang kiri mengendalikan roda kiri, yang kanan mengendalikan roda kanan.

Langkah 5: PETUNJUK PENGOPERASIAN (2/4)

Mode operasi manual (GPS tidak diperlukan)

Setelah menyalakan dan memilih mode ini dengan pemilih mode, mesin dikontrol dengan joystick.

Dua selektor 3 posisi memiliki pegas balik yang selalu mengembalikannya ke posisi tengah, sesuai dengan penghentian roda.

Saat tuas kiri dan kanan didorong ke depan, kedua roda belakang berputar dan mesin berjalan lurus.

Saat Anda menarik kedua tuas ke belakang, mesin langsung mundur.

Ketika tuas didorong ke depan, mesin memutar roda stasioner.

Ketika satu tuas didorong ke depan dan yang lainnya ke belakang, mesin berputar di sekitar dirinya sendiri pada suatu titik di tengah poros yang menghubungkan roda belakang.

Motorisasi roda depan secara otomatis menyesuaikan sesuai dengan dua kontrol yang ditempatkan pada dua roda belakang.

Terakhir, dalam mode manual juga dimungkinkan untuk memotong rumput. Untuk tujuan ini, setelah memeriksa bahwa tidak ada orang di dekat cakram pemotong, kami menempatkan kotak manajemen bilah pemotong (saklar "keras" untuk keamanan). Selektor potong panel instrumen kemudian ditempatkan pada posisi ON. Pada saat ini 4 cakram dari bilah pemotong sedang berputar..

Langkah 6: PETUNJUK PENGOPERASIAN (3/4)

Lacak mode perekaman (diperlukan GPS)

- Sebelum mulai merekam lari, titik referensi sewenang-wenang untuk lapangan ditentukan dan ditandai dengan pasak kecil. Titik ini akan menjadi asal koordinat dalam bingkai geografis (foto)

- Kami kemudian memilih nomor file di mana perjalanan akan direkam, berkat dua pemilih di dasbor.

- Basis ON diatur

- Periksa apakah LED status GPS mulai berkedip dengan cepat.

- Keluar dari mode manual dengan menempatkan selektor mode panel instrumen pada posisi perekaman.

- Mesin kemudian dipindahkan secara manual ke posisi titik referensi. Justru antena GPS yang harus berada di atas landmark ini. Antena GPS ini terletak di atas titik yang berpusat di antara dua roda belakang dan yang merupakan titik putaran mesin itu sendiri.

- Tunggu hingga LED status GPS sekarang menyala tanpa berkedip. Ini menunjukkan bahwa GPS berada pada akurasi maksimum ("Fix" GPS).

- Posisi 0,0 asli ditandai dengan menekan penanda dasbor.

- Kami kemudian pindah ke titik berikutnya yang ingin kami petakan. Begitu tercapai, kami memberi isyarat menggunakan spidol.

- Untuk menghentikan perekaman, kami beralih kembali ke mode manual.

Langkah 7: PETUNJUK PENGOPERASIAN (4/4)

Mode pemotongan (diperlukan GPS)

Pertama, Anda harus menyiapkan file poin yang harus dilalui mesin untuk memotong seluruh bidang tanpa meninggalkan permukaan yang belum dipotong. Untuk melakukan ini, kami mendapatkan file yang disimpan di kartu memori dan dari koordinat ini, menggunakan misalnya Excel, kami membuat daftar titik seperti pada foto. Untuk setiap titik yang akan dicapai, kami menunjukkan apakah bilah pemotong ON atau OFF. Karena batang pemotonglah yang paling banyak mengkonsumsi daya (dari 50 hingga 100 Watt tergantung pada rumputnya), maka perlu berhati-hati untuk mematikan batang pemotong saat melintasi lapangan yang sudah dipangkas misalnya.

Saat papan pemotong dibuat, kartu memori diletakkan kembali pada pelindungnya di laci kontrol.

Yang tersisa kemudian adalah meletakkan PADA pangkalan dan pergi ke ladang pemotongan, tepat di atas tengara referensi. Pemilih mode kemudian diatur ke "Mow".

Pada titik ini mesin akan menunggu dengan sendirinya untuk kunci GPS RTK di "Perbaiki" ke nol koordinat dan mulai memotong.

Ketika pemotongan selesai, ia akan kembali sendiri ke titik awal, dengan akurasi sekitar sepuluh sentimeter.

Selama memotong, mesin bergerak dalam garis lurus antara dua titik berurutan dari file titik. Lebar pemotongan adalah 1,1 meter Karena mesin memiliki lebar antara roda 1 meter dan dapat berputar di sekitar roda (lihat video), dimungkinkan untuk membuat strip pemotong yang berdekatan. Ini sangat efektif!

Langkah 8: BAGIAN MEKANIK

Struktur robot

Robot dibangun di sekitar struktur kisi tabung aluminium, yang memberikan kekakuan yang baik. Dimensinya sekitar panjang 1,20 meter, lebar 1 meter dan tinggi 80 cm.

roda

Dapat bergerak berkat 3 roda sepeda anak berdiameter 20 inci: Dua roda belakang dan satu roda depan mirip dengan roda gerobak supermarket (foto 1 dan 2). Gerakan relatif dari dua roda belakang memastikan orientasinya

Motor rol

Karena ketidakteraturan di lapangan, maka perlu memiliki rasio torsi yang besar dan oleh karena itu rasio reduksi yang besar. Untuk tujuan ini saya menggunakan prinsip penekanan rol pada roda, seperti pada solex (foto 3 dan 4). Pengurangan besar memungkinkan alat berat tetap stabil di lereng, bahkan saat tenaga mesin terputus. Sebagai gantinya, mesin maju perlahan (3 meter/ menit)…tetapi rumput juga tumbuh perlahan….

Untuk desain mekanis saya menggunakan perangkat lunak menggambar Openscad (perangkat lunak skrip yang sangat efisien). Secara paralel untuk rencana detail saya menggunakan Menggambar dari Openoffice.

Langkah 9: GPS RTK (1/3)

GPS sederhana

GPS sederhana (foto 1), yang ada di mobil kami memiliki akurasi hanya beberapa meter. Jika kita merekam posisi yang ditunjukkan oleh GPS yang dipertahankan tetap selama satu jam misalnya, kita akan mengamati fluktuasi beberapa meter. Fluktuasi ini disebabkan oleh gangguan di atmosfer dan ionosfer, tetapi juga karena kesalahan pada jam satelit dan kesalahan pada GPS itu sendiri. Oleh karena itu tidak cocok untuk aplikasi kita.

GPS RTK

Untuk meningkatkan akurasi ini, digunakan dua Gps pada jarak kurang dari 10 km (foto 2). Dalam kondisi ini, kita dapat menganggap bahwa gangguan atmosfer dan ionosfer identik pada masing-masing GPS. Dengan demikian perbedaan posisi antara kedua GPS tidak lagi terganggu (diferensial). Jika sekarang kita memasang salah satu GPS (basis) dan menempatkan yang lain pada kendaraan (penjelajah), kita akan memperoleh pergerakan kendaraan secara tepat dari pangkalan tanpa gangguan. Selain itu, GPS ini melakukan pengukuran waktu penerbangan jauh lebih tepat daripada GPS sederhana (pengukuran fase pada operator).

Berkat peningkatan ini, kami akan memperoleh akurasi pengukuran sentimetri untuk pergerakan rover relatif terhadap pangkalan.

Sistem RTK (Real Time Kinematic) inilah yang kami pilih untuk digunakan.

Langkah 10: GPS RTK (2/3)

Saya membeli 2 sirkuit GPS RTK (foto 1) dari perusahaan Navspark.

Sirkuit ini dipasang pada PCB kecil yang dilengkapi dengan pin pitch 2,54 mm, yang oleh karena itu dipasang langsung pada pelat uji.

Karena proyek ini terletak di barat daya Prancis, saya memilih sirkuit yang bekerja dengan konstelasi satelit GPS Amerika serta konstelasi Glonass Rusia.

Penting untuk memiliki jumlah satelit maksimum untuk mendapatkan keuntungan dari akurasi terbaik. Dalam kasus saya, saat ini saya memiliki antara 10 dan 16 satelit.

Kita juga harus membeli

- 2 adaptor USB, diperlukan untuk menghubungkan sirkuit GPS ke PC (pengujian dan konfigurasi)

- 2 antena GPS + 2 kabel adaptor

- sepasang pemancar-penerima 3DR sehingga pangkalan dapat mengeluarkan koreksinya ke rover dan rover menerimanya.

Langkah 11: GPS RTK (3/3)

Pemberitahuan GPS yang ditemukan di situs Navspark memungkinkan sirkuit diimplementasikan secara bertahap.

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

Di situs web Navspark kami juga akan menemukan

- perangkat lunak yang akan diinstal pada PC Windows-nya untuk melihat output GPS dan sirkuit program di base dan rover.

- Deskripsi format data GPS (frasa NMEA)

Semua dokumen ini dalam bahasa Inggris tetapi relatif mudah dimengerti. Awalnya, implementasi dilakukan tanpa sirkuit elektronik sedikit pun berkat adaptor USB yang juga menyediakan semua pasokan daya listrik.

Perkembangannya adalah sebagai berikut:

- Menguji sirkuit individu yang berfungsi sebagai GPS sederhana. Pemandangan awan jembatan menunjukkan stabilitas beberapa meter.

- Pemrograman satu sirkuit di ROVER dan yang lainnya di BASE

- Membangun sistem RTK dengan menghubungkan dua modul dengan satu kabel. Tampilan awan jembatan menunjukkan stabilitas relatif ROVER/BASE beberapa sentimeter!

- Penggantian kabel penghubung BASE dan ROVER dengan transceiver 3DR. Di sini sekali lagi operasi di RTK memungkinkan stabilitas beberapa sentimeter. Tapi kali ini BASE dan ROVER tidak lagi terhubung oleh link fisik…..

- Penggantian visualisasi PC dengan papan Arduino yang diprogram untuk menerima data GPS pada input serial… (lihat di bawah)

Langkah 12: BAGIAN LISTRIK (1/2)

Kotak kontrol listrik

Foto 1 menunjukkan papan kotak kontrol utama yang akan dirinci di bawah ini.

Pengkabelan GPS

Kabel GPS dasar dan mesin pemotong rumput ditunjukkan pada Gambar 2.

Pengkabelan ini secara alami dicapai dengan mengikuti kemajuan petunjuk GPS (lihat bagian GPS). Dalam semua kasus, ada adaptor USB yang memungkinkan Anda untuk memprogram sirkuit baik di pangkalan atau di bajak berkat perangkat lunak PC yang disediakan oleh Navspark. Berkat program ini, kami juga memiliki semua informasi posisi, jumlah satelit, dll…

Di bagian mesin pemotong rumput, pin Tx1 GPS terhubung ke input serial 19 (Rx1) papan ARDUINO MEGA untuk menerima frase NMEA.

Di pangkalan, pin Tx1 GPS dikirim ke pin Rx radio 3DR untuk mengirim koreksi. Di mesin pemotong rumput koreksi yang diterima oleh radio 3DR dikirim ke pin Rx2 dari sirkuit GPS.

Perlu dicatat bahwa koreksi ini dan manajemennya sepenuhnya dipastikan oleh sirkuit RTK GPS. Dengan demikian, papan MEGA Aduino hanya menerima nilai posisi yang dikoreksi.

Langkah 13: BAGIAN LISTRIK (2/2)

Papan Arduino MEGA dan pelindungnya

- papan arduino MEGA

- Pelindung motor roda belakang

- Pelindung motor roda depan

- Perisai arte SD

Pada Gambar 1, terlihat bahwa konektor plug-in ditempatkan di antara papan sehingga panas yang hilang di papan mesin dapat dibuang. Selain itu, sisipan ini memungkinkan Anda untuk memotong tautan yang tidak diinginkan di antara kartu, tanpa harus mengubahnya.

Gambar 2 dan Gambar 3 menunjukkan bagaimana posisi inverter panel instrumen dan joystick dibaca.

Langkah 14: PROGRAM MENGEMUDI ARDUINO

Papan mikrokontroler adalah Arduino MEGA (UNO tidak memiliki cukup memori). Program mengemudi sangat sederhana dan klasik. Saya telah mengembangkan fungsi untuk setiap operasi dasar yang akan dilakukan (pembacaan dasbor, akuisisi data GPS, tampilan LCD, gerak maju mesin atau kontrol rotasi, dll…). Fungsi-fungsi ini kemudian dengan mudah digunakan dalam program utama. Kecepatan mesin yang lambat (3 meter/ menit) membuat segalanya lebih mudah.

Namun, cutting bar tidak dikelola oleh program ini tetapi oleh program dari papan UNO yang terletak di kotak tertentu.

Di bagian SETUP program, kami menemukan

- Inisialisasi pin yang berguna dari papan MEGA dalam input atau output;

- Inisialisasi layar LCD

- Inisialisasi kartu memori SD

- Inisialisasi kecepatan transfer dari antarmuka serial perangkat keras ke GPS;

- Inisialisasi kecepatan transfer dari antarmuka serial ke IDE;

- Mematikan mesin dan memotong bar

Di bagian LOOP dari program yang kita temukan di awal

- Panel instrumen dan joystick, GPS, kompas dan pembacaan akselerometer;

- selektor 3-lead, tergantung pada status selektor mode panel instrumen (manual, perekaman, pemotongan)

Loop LOOP diselingi oleh pembacaan asinkron GPS yang merupakan langkah paling lambat. Jadi kita kembali ke awal loop setiap 3 detik.

Dalam bypass mode normal, fungsi gerakan dikontrol sesuai dengan joystick dan tampilan diperbarui kira-kira setiap 3 detik (posisi, status GPS, arah kompas, kemiringan…). Menekan penanda BP membuat titik nol koordinat posisi yang akan dinyatakan dalam meter di tengara geografis.

Dalam shunt mode simpan, semua posisi yang diukur selama perpindahan dicatat pada kartu SD (periode sekitar 3 detik). Ketika suatu tempat tujuan tercapai, menekan penanda disimpan. dalam kartu SD. Posisi mesin ditampilkan setiap 3 detik, dalam meter di tengara geografis yang berpusat pada titik asal.

Dalam mode pemotongan shunt: Mesin sebelumnya dipindahkan di atas titik referensi. Saat mengalihkan pemilih mode ke "memotong", program mengamati output GPS dan khususnya nilai bendera status. Ketika bendera status berubah menjadi "Perbaiki", program melakukan posisi nol. Poin pertama yang harus dicapai adalah kemudian membaca file pemotongan memori SD. Ketika titik ini tercapai, putaran mesin dilakukan seperti yang ditunjukkan dalam file pemotongan, baik di sekitar roda, atau di sekitar pusat kedua roda.

Proses berulang sampai titik terakhir tercapai (biasanya titik awal). Pada titik ini program menghentikan mesin dan bilah pemotong.

Langkah 15: CUTTING BAR DAN MANAJEMENNYA

Bilah pemotong terdiri dari 4 cakram yang berputar pada kecepatan 1200 rpm. Setiap cakram dilengkapi dengan 3 bilah pemotong. Cakram-cakram ini disusun sedemikian rupa sehingga membuat pita pemotongan kontinu dengan lebar 1,2 meter.

Mesin harus dikontrol untuk membatasi arus

- saat start-up, karena inersia cakram

- selama pemotongan, karena penyumbatan yang disebabkan oleh terlalu banyak rumput

Untuk tujuan ini arus dalam rangkaian masing-masing motor diukur dengan resistor melingkar bernilai rendah. Papan UNO disambungkan dan diprogram untuk mengukur arus ini dan mengirim perintah PWM yang disesuaikan dengan motor.

Jadi, saat start-up, kecepatan secara bertahap meningkat ke nilai maksimumnya dalam 10 detik. Dalam kasus penyumbatan oleh rumput, mesin berhenti selama 10 detik dan mencoba lagi selama 2 detik. Jika masalah berlanjut, siklus istirahat 10 detik dan siklus ulang 2 detik dimulai lagi. Dalam kondisi ini, pemanasan mesin tetap terbatas, bahkan dalam kasus pemblokiran permanen.

Mesin mulai atau berhenti ketika papan UNO menerima sinyal dari program percontohan. Namun hard switch memungkinkan untuk mematikan daya secara andal untuk mengamankan operasi servis

Langkah 16: APA YANG HARUS DILAKUKAN? PERBAIKAN APA?

Di tingkat GPS

Vegetasi (pohon) dapat membatasi jumlah satelit dalam pandangan kendaraan dan mengurangi akurasi atau mencegah penguncian RTK. Oleh karena itu, kami berkepentingan untuk menggunakan sebanyak mungkin satelit pada saat yang bersamaan. Oleh karena itu akan menarik untuk melengkapi konstelasi GPS dan Glonass dengan konstelasi Galileo.

Seharusnya dimungkinkan untuk mendapatkan keuntungan dari lebih dari 20 satelit, bukan maksimal 15, yang memungkinkan untuk menghilangkan skimming oleh vegetasi.

Perisai Arduino RTK mulai ada bekerja secara bersamaan dengan 3 konstelasi ini:

Selain itu, pelindung ini sangat ringkas (foto 1) karena mencakup sirkuit GPS dan transceiver pada dukungan yang sama.

…. Tetapi harganya jauh lebih tinggi daripada sirkuit yang kami gunakan

Menggunakan LIDAR untuk melengkapi GPS

Sayangnya, dalam arborikultur, tutupan vegetasi sangat penting (misalnya ladang hazel). Dalam hal ini, bahkan dengan 3 konstelasi RTK, penguncian mungkin tidak dapat dilakukan.

Oleh karena itu perlu untuk memperkenalkan sensor yang akan memungkinkan untuk mempertahankan posisi bahkan dalam ketiadaan sesaat GPS.

Sepertinya saya (saya belum punya pengalaman) bahwa penggunaan LIDAR dapat memenuhi fungsi ini. Batang pohon sangat mudah dikenali dalam hal ini dan dapat digunakan untuk mengamati kemajuan robot. GPS akan melanjutkan fungsinya di akhir baris, di pintu keluar tutupan vegetasi.

Contoh jenis LIDAR yang cocok adalah sebagai berikut (Foto2):

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