NEO-6M GPS-module

Wat het is

Een GNSS-ontvanger: een chip die de tijdsignalen ontvangt die een constellatie van satellieten uitzendt en op basis van de verschillen in aankomsttijd zijn eigen positie bepaalt. De NEO-6M is de module die de meeste hobbyrobots als eerste tegenkomen: een u-blox-ontvanger, een keramische patchantenne en een seriële poort.

Het is de enige sensor op een robot die een absolute positie meldt. Al het andere op deze site, van encoders tot een IMU en een reflectiearray, meet een verandering of een lokaal kenmerk. GPS voorkomt dat odometrische afwijking onbegrensd groeit en maakt het mogelijk een rover die buiten rijdt een bestemming een kilometer verderop te geven.

Hoe het werkt

Je praat niet met de module. De module praat met jou, op 9600 baud, in NMEA 0183-zinnen: één regel met door komma’s gescheiden velden per bericht, meerdere keren per seconde.

Twee daarvan bevatten alles wat een robot nodig heeft:

$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

Lees de fix en filter hem vervolgens. Het statusveld in RMC is A voor actief of V voor ongeldig, en de fixkwaliteit in GGA is 0 als er geen oplossing is. In beide gevallen bevat de zin nog steeds plausibel ogende coördinaten. Het HDOP-veld vangt de subtielere fout: het beschrijft de satellietgeometrie, en een slechte geometrie levert een overtuigend antwoord op dat tientallen meters verkeerd ligt.

De breedtegraad komt binnen als graden en decimale minuten (4807.038 is 48° 07.038′), niet als graden. Reken hem eenmaal om en daarna nogmaals naar meters ten opzichte van een vast oorsprongspunt; de rekensom staat hier. Al het daaropvolgende werk dan met eenheden die de microcontroller begrijpt.

Wanneer je hem gebruikt

Gebruik er een zodra de robot buiten werkt over afstanden waarvoor odometrie niet volstaat: een waypoint-rover, een grasmaaier, een meetplatform of een landbouwrobot. Na dertig meter rijden heeft louter dood rekenen al meer fout opgebouwd dan een GPS-fix bevat.

Gebruik hem binnenshuis nooit en gebruik hem niet voor precisie: 2,5 m is ver voor een robot van 30 cm breed. GPS vertelt je welk deel van het veld je in bent; een wielencoder vertelt je waar je binnen een meter van dat punt bent. Gebruik beide en fuseer de gegevens.

De upgradevolgorde op basis van waarde is: eerst een hogere updatefrequentie, want 5 of 10 Hz verwijdert het meeste van de veroudering; vervolgens een module voor meerdere constellaties, want GPS plus GLONASS of Galileo verbetert de geometrie en daarmee HDOP; en pas daarna RTK, dat centimeters haalt en een basisstation, een gegevensverbinding en een ander budget vereist.

Veelvoorkomende valkuilen

• Een koude start duurt minuten, niet seconden. Zonder almanak moet de ontvanger zelf een almanak downloaden; dat gebeurt met 50 bits per seconde via de satellieten. Een robot die bij de eerste inschakeling buiten dood lijkt, wacht meestal alleen.
• Hij heeft geen richting. Alleen positie. Combineer hem met een magnetometer of gyroscoop; koers over de grond is onder ongeveer 1 m/s betekenisloos.
• 5 V op RX vernietigt 3,3V-modules. Controleer of je breakout de spanningsniveaus aanpast. TX van de module naar een 5V-bord is veilig.
• De antenne heeft ongehinderd zicht op de hemel nodig. Metaal erboven, inclusief je eigen chassispaneel, kost je satellieten. Monteer de antenne bovenaan, vlak en omhoog gericht.
• Volg nooit ruwe fixes. Dood reken tussen de fixes en corrigeer bij elke fix; rechtstreeks de fixes volgen verhoogt de volgfout met een orde van grootte en de bestuurinspanning viermaal.
• Zes decimalen is 11 cm, en dat past niet in een float. Reken om naar meters ten opzichte van het oorsprongspunt van de missie in plaats van met ruwe graden te rekenen.

Pindindeling en bedrading

Je kunt RX volledig onverbonden laten. Een GPS-module in de standaardtoestand stuurt NMEA op 9600 baud zonder dat daar een verzoek voor nodig is, en voor een robot die alleen de positie leest is dat alles. Verbind RX alleen wanneer je de updatefrequentie wilt verhogen of ongebruikte zinnen wilt uitschakelen.

Zonder bibliotheek lezen

#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;
}

De twee belangrijkste regels zijn juist de regels die mensen overslaan.

field[2][0] != 'A' is de geldigheidscontrole. Een ontvanger zonder fix zendt nog steeds volkomen correct gevormde RMC-zinnen met coördinaten, meestal de laatst bekende positie of nullen. Code die de statusvlag niet controleert, navigeert vol vertrouwen naar het midden van de Atlantische Oceaan, want daar ligt 0°N 0°E.

toDegrees bestaat omdat 4807.038 niet 4807.038 graden is, maar ook niet 48.07038 graden. Het is 48° 07.038′, oftewel 48.1173°. NMEA-coördinaten als decimale graden behandelen is de meest voorkomende GPS-fout en de fout is groot genoeg om duidelijk op te vallen, wat het enige goede eraan is.

Gebruik voor echte projecten TinyGPS++. Die verwerkt elk type NMEA-zin, controlesommen en randgevallen. Voer de handmatige versie hierboven één keer uit, zodat je weet wat hij doet.

Nauwkeurigheid: wat de getallen echt betekenen

CEP is een mediaan, geen grens. De helft van je fixes is slechter dan 2,5 m en de staart is lang bij gebouwen. Voor een robot van 30 cm breed is “ergens binnen enkele meters” geen positie, maar een buurt.

HDOP is het veld om in de gaten te houden. Het beschrijft de satellietgeometrie, niet de signaalkwaliteit, en het veroorzaakt het overtuigende antwoord dat tientallen meters verkeerd ligt:

Filter ook op HDOP en niet alleen op de geldigheidsvlag. Een fix met HDOP van 12 is geen fix; het is een gok met een decimaalteken.

Statische afwijking en waarom die belangrijk is

Laat een GPS-module tien minuten volledig stilstaan en leg elke fix vast. Je krijgt een wolk van enkele meters doorsnede. Er is niets bewogen.

Dit is het belangrijkste dat je zelf moet zien voordat je navigatiecode schrijft, omdat het verklaart waarom het volgen van ruwe fixes zinloos is. Een regelaar die die wolk krijgt blijft hem achternaal jagen, waardoor de robot doorlopend slingert en weinig vooruitgang boekt. Dood reken met encoders tussen de fixes en gebruik elke fix alleen om de langzame afwijking te corrigeren; dezelfde regelaar volgt dan schoon. De tutorial over waypointnavigatie bevat de getallen.

De module configureren

De updatefrequentie verhogen is de waardevolste enkele wijziging en verdient prioriteit boven alles. u-blox-modules nemen binaire UBX-opdrachten aan:

// 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));
}

Bij 5 Hz wordt 9600 baud de beperking: de volledige reeks NMEA-zinnen past niet binnen 200 ms. Verhoog de baudrate naar 38400 of schakel de ongebruikte zinnen uit. GSV is bijzonder uitgebreid en bevat satellietgegevens die voor geen enkele robot nodig zijn.

Let op: bij een NEO-6M blijft de configuratie niet behouden zonder back-upvoeding op de module. Stuur de configuratie bij elke start opnieuw.

Problemen oplossen

Een module kiezen

Doorloop de upgrades in de volgorde van hun waarde. Een hogere updatefrequentie verwijdert het meeste verouderingsprobleem en kost niets. Een ontvanger voor meerdere constellaties ziet meer satellieten, wat de geometrie en daarmee HDOP verbetert. Dat is in de praktijk een grotere winst dan de nauwkeurigheidsspecificatie doet vermoeden, vooral nabij gebouwen. RTK haalt centimeterprecisie en verbetert de lijnvolging van een robot die een lijn over een veld moet volgen fundamenteel, maar vraagt een basisstation, een verbinding voor correctiegegevens en ongeveer tien keer het budget.

Eén ding krijg je van geen enkele GPS-module voor elke prijs: richting terwijl de robot stilstaat. Koers over de grond wordt afgeleid uit opeenvolgende posities, dus onder ongeveer 1 m/s is dat ruis en bij nul snelheid betekenisloos. Een robot dat moet weten welke kant hij op kijkt, heeft een magnetometer of gyroscoop nodig, hoe goed de GPS ook is.