Autonomiczny robot z GPS

[Mortis]

Autonomiczny robot mobilny z nawigacją GSP

W życiu każdego studenta przychodzi monet, kiedy musi się spiąć i zrobić pracę inżynierską. Jako, że większość proponowanych tematów przez uczelnię nie wpadło w obszar moich zainteresowań, a już od jakiegoś czasu chciałem „pobawić się” w budowę robota z GPS to właśnie taki temat zaproponowałem promotorowi i bez problemów został zaakceptowany (kierunek – AiR). Potem jak się okazało nie był to do końca dobry pomysł z uwagi na problemu w testowaniu GPS – testy przypadły głównie na styczeń – a więc w tym roku deszcze itp. a nawigację trzeba jednak testować na dworze. To tyle tytułem wstępu a teraz do bardziej praktycznych zagadnień.

Robot z założenie miał być 2 kołowy + jedno koło wleczone, posiadać moduł bluetooth do wstępnej kalibracji i wpisywaniu współrzędnych, sterowany za pomocą Arduino Nano (w tym przypadku klon), a jego zmysłami poznawania świata miał być: moduł GPS Neo-6m, magnetometr oraz 3 czujniki ultradźwiekowe z przodu do wykrywania przeszkód.

Przeszukałem pełno gotowych platform mobilnych ale żadna mi do końca nie pasowała, a że od niedawna byłem właścicielem drukarki 3D to postanowiłem zaprojektować własną i wydrukować z PLA. Projekt owej platformy zrobiłem w środowisku CAD w programie Solid Edge i wyglądał tak jak poniżej.

Składa się z 2 platform oraz miejsca na czujniki ultradźwiękowe: dolna na arduino, sterownik i akumulator, a górna na pozostałe podzespoły. Jak widać pokusiłem się o zamodelowanie również felg do już gotowych kół – okazało się że mają efekt „ósemkowania” co uniemożliwiało prostą jazdę. Koło wleczone zastąpiłem jednak Ball Caster'em, ponieważ te które użyłem miało straszne luzy i również powodowało samoczynną jazdę po łuku. A tak prezentuje się już wydrukowana i złożona platforma:

Jako że wszystko było zamodelowane w CAD’zie to mogłem porobić rysunki złożeniowe rodem jak z sklepów meblowych  (może projektowanie mechaniczne to dobry pomysł na artykuł )

Kolejnym krokiem było zrobienie elektroniki. Aby wyglądało to w miarę estetyczniej to pokusiłem się o zrobienie płytki PCB – projekt w KiCad'zie a potem termotransferem na laminat (tam gdzie Arduino to płytka dwustronna, a tam gdzie moduły jedno)

Jeszcze tylko zasilanie – Li-Pol 2s firmy Redox (pomocny w ogarnięciu tego tematu był artykuł na Forbocie – wielkie dzięki za kompendium wiedzy w pigułce) i możemy zaczynać programować – a to dla mnie było największym wyzwaniem. Wrzuciłbym kod ale to jest 700 linijek napisanych raczej łopatologicznie więc tylko ja się w nim odnajduję Jak byście mieli jakieś pytania odnośnie działania jakiejś części to podrzucę i postaram się wyjaśnić.  

Jako, że byłem na AiR no to fajnie by było wrzucić jakiś nawet prosty regulator – zdecydowałem się na Proporcjonalny a układ regulacji wygląda następująco: (KSN – kompensacja strefy nieczułości)

Działał on dosyć dobrze, im robot "był dalej" od zadanego kontu tym szybciej obracał się a im bliżej tym zwalniał, zaś przeregulowanie było znikome.

Gotowy robot prezentuje się tak:

 

Niestety wszystko nie było takie piękne i proste, a to niektóre napotkane problemy

Magnetometr praktycznie nie działał. Wskazywał azymut w przedziale może z 0-15^o. Powodem było pole magnetyczne wytwarzane przez magnesy silników. Google jednak nie znały odpowiedzi co zrobić z tym faktem więc testowałem po kolei różne warianty i tak o to idealnym rozwiązaniem okazało się umieszczenie silników w stalowe rurki.

Z powody złych warunków na dworze testowanie robota nie było zawsze możliwe. Arduino też nie wyrabiał jak dostawał tyle danych (GPS okazał się bardzo obciążający – w momencie kiedy dostawał pakiet danych to Ardu zaczęło wariować). GPS i bluetooth nie mogły działać w tym samym momencie więc nie miałem możliwości zdalnie dowiedzenia się co robot w danej chwili „miał na myśli”. Generalnie to wszystko działało ale osobno: jak testowałem unikanie przeszkód i ustawianie się na dany kąt to była gitara. Dołożyłem do tego GPS to raz działało a raz nie – jak wspomniałem po dostaniu pakietu danych zaczynał wariować przez chwilę. W planach mam zamianę Ardu na STM32 i spróbowanie ponownie ruszyć temat.

Dodatkowo napisałem prostą aplikację w C#, która komunikowała się z robotem przez bluetooth i można było łatwiej testować podzespoły i wprowadzać współrzędne.

 

Praca została obroniona na 5  więc było warto poświęcić nad tym dużo czasu.
Zapraszam do komentowania

Edytowano Maj 9, 2020 przez Mortis

[ethanak]

16 godzin temu, Mortis napisał:

Koło wleczone zastąpiłem jednak Ball Caster'em, ponieważ te które użyłem miało straszne luzy i również powodowało samoczynną jazdę po łuku.

Mam podobny problem z moim Zbignasiem (tyle że koło jest z przodu). Przy jeździe do przodu zachowuje się idealnie. Przy jeździe w tył robot ma skłonności do "myszkowania". W następnej wersji będzie pewnie ballcaster...

Ciekawe - bo intuicja podpowiada że powinno być odwrotnie...

[Mortis]

To bardzo podobnie a nawet dokładnie na odwrót  U mnie do przodu skręcał a do tyłu jechał prosto. Ball caster fajna sprawa, ale jednak nie do zastosowań zewnętrznych - piasek łatwo się dostaje i kula już się nie obraca. Może ta wersja z metalową byłaby lepsza 

Tam na drugim screenie aplikacji jest taki prosty sposób na ustawienie zbieżności. Suwakami ustala się jaka wartość ma być zawsze odejmowana od którego silnika tak, żeby jechał prosto - przy małych wartościach się sprawdza bo nie powoduje wyraźnych zmian np przy skręcaniu.

Edytowano Maj 11, 2020 przez Mortis

[MajsterArduino]

Mam pytanie co to za model gps.

[Mortis]

Neo-6m z anteną ceramiczną.

[Elvis]

Robiłeś może jakąś analizę dokładności danych z GPS? Pytam bo to dość mały robot i kilka metrów to dla niego spory dystans, a z moich doświadczeń z odbiornikami GPS otrzymywanie "szumu", który wygląda jak skoki po kilka metrów to normalne działanie. I bardzo mnie ciekawi jak sobie poradziłeś z tym problemem.

[Mortis]

W planach było zrobienie takiej analizy ale trochę za późno zabrałem się za pracę i już czasu na to zabrakło. Z tego co dało się wywnioskować to niestety były te skoki (wg. noty to dokładność do 2m powinna być) i w dużym stopniu uniemożliwiało  trzymanie się założonej trasy (ponoć nie działanie to element działania  ) Chciałem pokusić się o enkodery i może zastosować jakiś filtr Kalmana no ale niestety czas... Projekt na pewno jeszcze ruszę bo nieoficjalnie to miał być prototyp autonomicznej kosiarki do testowania samej jazdy i będę musiał coś wymyśleć, żeby lepiej ustalał swoja pozycję. Masz może na to jakieś rozwiązanie?

[Elvis]

Niestety nie znam metody na użycie GPS w małym robocie, dlatego zapytałem. Dokładność 2m to bardzo optymistyczne założenie. Filtr Kalmana to dobry pomysł, sprawdza się w nawigacji samochodowej - ale znowu, przy rozmiarze i szybkości reakcji robota raczej nie zadziała poprawnie.

Można uzyskać wysoką dokładność w przypadku GPS, taki sprzęt używany jest np. w geodezji - ale ceny są zupełnie inne niż w przypadku opisywanych modułów, czas pomiaru jest dość długi no i konieczny jest abonament na dane dla DGPS.

Edytowano Maj 16, 2020 przez Elvis

[Gość]

@Mortis Gratuluję pomysłowego rozwiązania z osłonięciem silniczków i mam pytanie czy Twój układ możesz tak przerobić, żeby działał w 4 kołowej platformie jezdnej z 2 kołami napędzanymi silnikami DC 24V 250W, dwoma kołami wleczonymi lub pchanymi, jako sterowanie dżojstik analogowy lub z hallami. Z czujników to zbliżeniowe z sygnalizacją dźwiękową umieszczone po 2 z przodu i tyłu. Odpada kłopotliwy magnetometr i GPS.

[Mortis]

Dziękuję  W kwestii wystartowania silników to układ za dużo się nie zmienia bo to będą te same sygnały sterujące ale sam sterownik silników by musiał być inny bo ten ma maksymalnie 2A na wyjściu co by było za mało. Komunikacja mogła by zostać po bluetooth ale ta górna płytka i złącza do niej były zrobione dedykowanie do pod te układy więc wygodniej i na pewno szybciej by się zrobiło projekt nowej płytki niż jej przerabianie.