GPS / GNSS Module

Qué es

Un receptor GNSS: un chip que escucha las señales de sincronismo que difunde una constelación de satélites y calcula su propia posición a partir de las diferencias entre sus tiempos de llegada. El NEO-6M es el módulo con el que se topa la mayoría de los robots de afición: un receptor u-blox, una antena de parche cerámica y un puerto serie.

Es el único sensor de un robot que informa de una posición absoluta. Todo lo demás en este sitio —encoders, una IMU, una matriz de reflectancia— mide un cambio o una característica local. El GPS es lo que impide que la deriva de la odometría sea ilimitada, y es la razón por la que a un rover exterior se le puede dar un destino a un kilómetro de distancia.

Cómo funciona

No le hablas tú. Te habla él, a 9600 baudios, en frases NMEA 0183: una línea separada por comas por mensaje, varias veces por segundo.

Dos de ellas llevan todo lo que un robot necesita:

$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,...   fix quality, sats, HDOP
$GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4,084.4,...      validity, position, speed, course

Lee la solución y después aplícale un filtro. El campo de estado de RMC es A para activa o V para inválida, y la calidad de la solución en GGA es 0 cuando no hay solución: en ambos casos la frase sigue llevando coordenadas de aspecto creíble. El campo HDOP es el que detecta el fallo más sutil: describe la geometría de los satélites, y una geometría mala produce una respuesta confiante desplazada dezenas de metros.

La latitud llega en grados y minutos decimales (4807.038 son 48° 07.038′), que no son grados. Convierte una vez, y luego vuelve a convertir a metros respecto a un origen fijo —la aritmética está aquí— y todo lo que viene después funciona en unidades que un controlador entiende.

Cuándo usarlo

Usa uno siempre que el robot trabaje al aire libre a distancias que la odometría no aguanta: un rover con waypoints, un cortacésped, una plataforma de topografía, un robot agrícola. En términos generales, pasados los treinta metros de recorrido, la navegación por cuenta propia por sí sola ya ha acumulado más error del que arrastra una solución de GPS.

No lo busques en interiores, nunca, bajo ningún concepto. Y no lo busques por precisión: 2,5 m es mucho para un robot de 30 cm de ancho. El GPS te dice en qué parte del campo estás; un encoder de rueda te dice dónde estás dentro de un metro de ahí. Usa ambos, fusionados.

La vía de mejora, por orden de valor: primero una frecuencia de actualización mayor (5 o 10 Hz elimina casi toda la desfase), luego un módulo multiconstelación (GPS más GLONASS o Galileo mejora la geometría y por tanto el HDOP), y solo después RTK, que llega a centímetros y necesita una estación base, un enlace de datos y otro presupuesto.

Errores comunes

• El arranque en frío son minutos, no segundos. Sin almanaque, el receptor tiene que descargar uno de los satélites a 50 bits por segundo. Un robot que parece muerto al primer encendido al aire libre normalmente solo está esperando.
• No tiene rumbo. Solo posición. Combínalo con un magnetómetro o un giróscopo: el rumbo sobre el suelo no significa nada por debajo de unos 1 m/s.
• 5 V en el RX matan los módulos de 3,3 V. Comprueba si tu placa adaptadora convierte el nivel. El TX del módulo hacia una placa de 5 V no tiene problema.
• La antena necesita cielo, no vista. El metal por encima —incluida tu propia placa del chasis— te cuesta satélites. Móntala arriba, plana y hacia arriba.
• Nunca sigas soluciones en crudo. Haz la navegación por cuenta propia entre ellas y corrige con cada una; seguir las soluciones directamente cuesta un orden de magnitud en error de seguimiento y cuatro veces el giro.
• Seis decimales son 11 cm, y más de lo que cabe en un float. Convierte a metros respecto a un origen de misión en lugar de hacer aritmética con grados en crudo.

Patillaje y cableado

Puedes dejar RX sin conectar del todo. Un módulo GPS en su estado por defecto transmite NMEA a 9600 baudios sin que se lo pidas, y para un robot que solo lee posición, eso es todo lo que necesitas. Conecta RX solo cuando quieras subir la frecuencia de actualización o silenciar las frases que no uses.

Leerlo sin biblioteca

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial gps(4, 3);          // RX from module TX, TX to module RX

char line[100];
uint8_t len = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  gps.begin(9600);
}

void loop() {
  while (gps.available()) {
    char c = gps.read();
    if (c == '\n') {
      line[len] = '\0';
      if (strncmp(line, "$GPRMC", 6) == 0) handleRmc(line);
      len = 0;
    } else if (len < sizeof(line) - 1) {
      line[len++] = c;
    }
  }
}

void handleRmc(char *s) {
  // $GPRMC,time,status,lat,N/S,lon,E/W,speed,course,date,...
  char *field[13] = {nullptr};
  uint8_t n = 0;
  for (char *tok = strtok(s, ","); tok && n < 13; tok = strtok(nullptr, ",")) field[n++] = tok;

  if (n < 7 || field[2][0] != 'A') return;      // 'V' = void. Coordinates are still present
                                                 // and still meaningless. Gate on this.
  Serial.print(toDegrees(field[3], field[4][0]), 6);
  Serial.print(' ');
  Serial.println(toDegrees(field[5], field[6][0]), 6);
}

// NMEA gives ddmm.mmmm — degrees and DECIMAL MINUTES, not decimal degrees.
double toDegrees(const char *ddmm, char hemisphere) {
  double raw = atof(ddmm);
  int deg = (int)(raw / 100);
  double minutes = raw - deg * 100;
  double result = deg + minutes / 60.0;
  return (hemisphere == 'S' || hemisphere == 'W') ? -result : result;
}

Las dos líneas que más importan son precisamente las que la gente se salta.

field[2][0] != 'A' es el filtro de validez. Un receptor sin solución sigue emitiendo frases RMC perfectamente formadas con coordenadas, normalmente la última posición conocida o ceros. El código que no comprueba el flag de estado navegará con toda confianza hacia el medio del Atlántico, que es donde está 0°N 0°E.

toDegrees existe porque 4807.038 no son 4807,038 grados, y tampoco son 48,07038 grados. Son 48° 07.038′, que son 48,1173°. Tratar las coordenadas NMEA como grados decimales es el error de GPS más habitual que existe, y el error es lo bastante grande como para ser evidente, que es lo único bueno que tiene.

Para proyectos reales, usa TinyGPS++. Gestiona todos los tipos de frase, las sumas de comprobación y los casos límite. La versión manual de arriba merece ejecutarse una vez para saber qué está haciendo.

Precisión: qué significan realmente las cifras

El CEP es una mediana, no un límite. La mitad de tus soluciones son peores que 2,5 m, y la cola es larga cerca de los edificios. Para un robot de 30 cm de ancho, «en algún sitio a pocos metros» no es una posición: es un barrio.

El HDOP es el campo que hay que vigilar. Describe la geometría de los satélites más que la calidad de la señal, y es lo que produce una respuesta confiante que se equivoca por decenas de metros:

Aplica un filtro por HDOP además de por el flag de validez. Una solución con HDOP de 12 no es una solución: es una conjetura con punto decimal.

Deriva estática, y por qué importa

Deja un módulo GPS perfectamente quieto durante diez minutos y registra cada solución. Obtendrás una nube de varios metros de diámetro. No se movió nada.

Esta es la cosa más importante que puedes ver por ti mismo antes de escribir cualquier código de navegación, porque explica por qué seguir soluciones en crudo es inútil. Un controlador al que le alimentas esa nube la persigue, y el robot serpentea continuamente mientras avanza muy poco. Haz navegación por cuenta propia con encoders entre soluciones y usa cada solución solo para corregir la deriva lenta, y el mismo controlador sigue la línea limpiamente; el tutorial de navegación por waypoints tiene los números.

Configurar el módulo

Subir la frecuencia de actualización es el cambio más valioso que hay, y merece la pena hacerlo antes que nada. Los módulos u-blox aceptan comandos binarios UBX:

// UBX-CFG-RATE: 200 ms measurement period -> 5 Hz
const uint8_t setRate5Hz[] = {
  0xB5, 0x62, 0x06, 0x08, 0x06, 0x00,
  0xC8, 0x00,          // 200 ms
  0x01, 0x00,          // one measurement per solution
  0x01, 0x00,          // align to GPS time
  0xDE, 0x6A           // checksum
};

void setup() {
  gps.begin(9600);
  delay(100);
  gps.write(setRate5Hz, sizeof(setRate5Hz));
}

A 5 Hz, los 9600 baudios pasan a ser el cuello de botella: el conjunto completo de frases NMEA no cabe en 200 ms. O subes la velocidad a 38400, o deshabilitas las frases que no uses (GSV en particular es verboso e informa de detalles de satélite que ningún robot necesita).

Ten en cuenta que en un NEO-6M la configuración no persiste sin alimentación de respaldo en el módulo. Mándala en cada arranque.

Resolución de problemas

Cómo elegir un módulo

La vía de mejora merece recorrerse en orden. Una frecuencia de actualización mayor elimina casi todo el problema de desfase y no cuesta nada. Un receptor multiconstelación ve más satélites, lo que mejora la geometría y por tanto el HDOP: es una mejora real mayor de lo que sugiere la especificación de precisión, sobre todo cerca de edificios. RTK llega a centímetros y es transformador para un robot que tiene que seguir una línea en un campo, pero necesita una estación base, un enlace de datos de corrección y unas diez veces el presupuesto.

Una cosa que ningún módulo GPS te da a ningún precio: rumbo estando quieto. El rumbo sobre el suelo se deriva de posiciones sucesivas, así que por debajo de unos 1 m/s es ruido, y a velocidad cero no significa nada. Un robot que necesita saber hacia qué mira necesita un magnetómetro o un giróscopo, por bueno que sea su GPS.