Costruisci un rover GPS autonomo tra punti di passaggio

Cosa stai costruendo

Un robot a cui consegni un elenco di coordinate: lo metti sull’erba e poi ti allontani.

Ogni altro robot mobile di questo sito reagisce a ciò che ha direttamente davanti: una linea, un muro, un ostacolo, un bordo. Questo esegue un piano, in un mondo senza punti di riferimento, usando un sensore che gli mente poche volte al minuto. Quella combinazione è ciò che lo rende la costruzione mobile più difficile qui e quella che insegna di più.

Le tre cose che lo decidono

Il robot seguilinea è la parte facile. Pure pursuit è dodici righe e un solo parametro. Con una stima perfetta della posizione mantiene 0.09 m di errore RMS sul percorso di laboratorio.

La stima della posizione è tutto il progetto. Lo stesso controllore, alimentato con un fix GPS a 1 Hz con rumore su scala metrica, mantiene 1.25 m: quattordici volte peggio, e richiede quattro volte e mezza più sterzata per farlo. Il controllore contribuisce per meno di un decimo dell’errore finale.

Quindi l’ordine di costruzione è: robot seguilinea al chiuso, stima all’aperto. Dimostra la sterzata dove la posizione è quasi esatta, poi vai a combattere il sensore. Fare entrambe le cose insieme produce un robot che vaga per motivi che non puoi separare.

Lista dei componenti

Totale: circa $55–80.

La scelta che cambia di più il progetto è il ricevitore. Un NEO-6M funziona ed è ciò che la maggior parte dei tutorial presuppone; un NEO-M8N vede GPS più GLONASS e Galileo, il che migliora la geometria dei satelliti e quindi l’HDOP. Vicino agli edifici e agli alberi, dove un rover guida davvero, è un miglioramento reale maggiore di quanto suggerisca la specifica di precisione.

Non saltare gli encoder per risparmiare $12. Tutto questo progetto è una navigazione stimata corretta da correzioni occasionali; senza encoder non c’è nulla da stimare e il rover si limita a inseguire il rumore del GPS.

Ordine di costruzione

1 — Regola il robot seguilinea nel simulatore. Un’ora nel laboratorio di inseguimento del percorso alla velocità che intendi percorrere. Trova l’anticipo in cui la curva dell’errore raggiunge il minimo; nota che si sposta quando cambi la velocità.

2 — Costruisci il gruppo di trazione e fai funzionare l’odometria. Encoder nell’odometria a trazione differenziale, poi percorri un quadrato di 2 m e vedi quanto lontano dal punto di partenza finisci. Quel numero è il tuo budget al chiuso.

3 — Fondi un orientamento. Un giroscopio alla frequenza del ciclo, corretto da qualcosa di assoluto. L’errore di orientamento è il termine che entrambi i controllori pesano di più ed è la prima cosa che l’odometria perde: il filtro complementare che stabilizza un robot bilanciato fa qui lo stesso lavoro.

4 — Segui un percorso nastrato al chiuso. Nessun GPS. Traccia un percorso sul pavimento, esegui il pure pursuit sulla stima degli encoder e misura l’errore trasversale con un righello in dieci punti. Se al chiuso non resta sotto i 10 cm, all’aperto non resterà sotto un metro.

5 — Aggiungi il ricevitore e non collegarlo ancora al controllore. Registra i fix per dieci minuti mentre il rover resta fermo, e tracciali. Vedrai il rumore, la deviazione occasionale e come l’HDOP li segua entrambi. Quel grafico vale più di qualsiasi dato di un foglio dati.

6 — Fondi, non inseguire. Fai una navigazione stimata alla frequenza del ciclo; tira delicatamente la stima verso ogni buon fix. L’aritmetica e il filtro dell’HDOP sono qui. Rifiuta qualsiasi cosa con stato void o HDOP superiore a circa 2.5.

7 — Geofence, poi esci all’aperto. Distanza massima dall’inizio, timeout della missione, interruzione fisica. Poi una missione breve, sull’erba, mentre cammini accanto al rover.

Note hardware importanti

Monta l’antenna in alto, rivolta verso il cielo e lontana da tutto. Un’antenna patch ceramica sotto una piastra del telaio perde satelliti, e perdere satelliti significa una geometria peggiore anziché l’assenza di un fix: una risposta sbagliata ma sicura invece di un fallimento evidente.

Ruote più grandi di quanto ti suggerisca l’istinto da al chiuso. Erba, ghiaia e bordo del prato sono problemi di diametro delle ruote. Cambiano anche il fattore di scala dell’odometria, quindi ricalibra sulla superficie sulla quale guiderai davvero.

Tieni il magnetometro lontano dai motori, oppure omettilo. La corrente dei motori produce un campo che sovrasta quello terrestre. Se non puoi ottenere 15 cm di separazione, usa giroscopio più course-over-ground ed evita il problema.

Registra la missione. Un guasto all’aperto che non hai registrato è un guasto che non puoi fare debug: il robot era a 40 m e tu non stavi guardando la porta seriale. Una scheda SD o un log Wi-Fi di posa, fix, HDOP ed errore trasversale trasforma ogni corsa in una prova.

Aspettati che la prima corsa all’aperto finisca prima. È proprio a questo che serve il geofence, ed è un successo.

Che aspetto ha un buon risultato

La prima colonna non indica un rover costruito male; è ciò che un fix a 2.5 m CEP a 1 Hz provoca in un controllore che gli crede. Il miglioramento di un ordine di grandezza nella seconda colonna viene dallo stimatore, non dal controllore: è lo stesso codice di pure pursuit, alimentato con una posa fusa.

Prima di scrivere il codice di navigazione, fai questo una volta: lascia il ricevitore fermo all’aperto per dieci minuti e registra ogni fix. La nuvola che ottieni è larga diversi metri e non si è mosso niente. Quel grafico è la cosa più utile che puoi osservare in questo progetto, perché spiega perché inseguire i fix grezzi non può funzionare e perché il fix è a monte del controllore.

Quando va storto

Sei degli otto riguardano più il rilevamento che il controllo: è la stessa distribuzione del micromouse e del robot per la copertura, e per la stessa ragione: l’algoritmo è la parte piccola.

Per seguire l’intera sequenza in ordine, segui il percorso di apprendimento per l’inseguimento del percorso; per la versione al chiuso dello stesso problema, il robot per la copertura della stanza ha bisogno di un piano e non di una posizione assoluta.