Bouw een GPS-waypointrover die zelfstandig rijdt

Wat je bouwt

Een robot aan wie je een lijst met coördinaten geeft, die je op het gras zet en waarna je wegloopt.

Elke andere mobiele robot op deze site reageert op wat hij recht voor zich ziet — een lijn, een muur, een obstakel, een grens. Deze voert een plan uit in een wereld zonder herkenningspunten, met een sensor die hem enkele keren per minuut misleidt. Die combinatie maakt hem tot de moeilijkste mobiele bouw hier en degene die het meest leert.

De drie dingen die het bepalen

De volger is het eenvoudigste deel. Pure pursuit is twaalf regels en één instelling. Met een perfecte positieschatting houdt hij 0,09 m RMS-fout op de laboratoriumbaan.

De positieschatting is het hele project. Dezelfde regelaar, met een 1 Hz GPS-fix met ruis op meterschaal, houdt 1,25 m vast — veertien keer slechter — en gebruikt daarvoor vier en halve keer zoveel besturing. De regelaar draagt minder dan een tiende van de eindfout bij.

De bouwvolgorde is dus: volger binnen, schatting buiten. Bewijs de besturing waar de positie vrijwel exact is en ga daarna met de sensor vechten. Als je alles tegelijk doet, krijg je een robot die om redenen dwaalt die je niet kunt scheiden.

Stuklijst

Totaal: ongeveer $55–80.

De keuze die het meeste verschil maakt voor het project is de ontvanger. Een NEO-6M werkt en is wat de meeste tutorials aannemen; een NEO-M8N ziet GPS plus GLONASS en Galileo, wat de satellietgeometrie en dus HDOP verbetert. Dicht bij gebouwen en bomen — waar een rover daadwerkelijk rijdt — is dat in de praktijk een grotere verbetering dan de nauwkeurigheidsspecificatie doet vermoeden.

Sla de encoders niet over om $12 te besparen. Dit hele project is een schatting op basis van de eigen waarnemingen, gecorrigeerd door incidentele fixes; zonder encoders heeft de rover geen basis om te schatten en volgt hij simpelweg de ruis van GPS.

Bouwvolgorde

1 — Stel de volger af in de simulator. Een uur in het padvolglab op de snelheid waarmee je wilt rijden. Vind de vooruitkijkafstand waarop de foutcurve het laagst is; merk op dat die verschuift als je de snelheid verandert.

2 — Bouw de aandrijving en laat odometrie werken. Encoders in odometrie voor differentiële aandrijving, rijd dan een vierkant van 2 m en zie hoe ver je er vandaan eindigt. Dat getal is je budget voor binnen.

3 — Fuseer een koers. Een gyro op de regelfrequentie, gecorrigeerd door iets absoluuts. Koersfout is de grootheid die beide regelaars het zwaarst wegen, en het is de eerste die odometrie verliest — het complementaire filter dat een balanserobot stabiliseert, doet hier hetzelfde werk.

4 — Volg binnen een met tape gemaakte baan. Geen GPS. Plak een pad op de vloer, voer pure pursuit uit op de schatting uit de encoders en meet de cross-trackfout op tien punten met een liniaal. Is die binnen niet minder dan 10 cm, dan wordt hij buiten ook niet minder dan een meter.

5 — Voeg de ontvanger toe en verbind hem nog niet met de regelaar. Log de fixes tien minuten terwijl de rover stilstaat en teken ze uit. Je ziet de ruis, de incidentele uitwijking en hoe HDOP beide volgt. Die grafiek is meer waard dan een cijfer uit een datasheet.

6 — Fuseer, volg niet. Schat de positie met de eigen waarnemingen op de regelfrequentie; trek de schatting voorzichtig naar elke goede fix. De rekenkunde en de selectie op HDOP staan hier. Verwerp alles met een void-status of HDOP boven ongeveer 2,5.

7 — Zet daarna het geofence en ga naar buiten. Maximale afstand tot het startpunt, timeout voor de missie en fysieke noodstop. Daarna een korte missie op gras terwijl je ernaast loopt.

Hardware-opmerkingen die ertoe doen

Monteer de antenne bovenop, naar de hemel gericht en zo ver mogelijk van alles. Een keramische patch onder een chassisplaat verliest satellieten, en verloren satellieten betekenen slechte geometrie in plaats van geen fix — een zelfverzekerd fout antwoord in plaats van een duidelijke storing.

Grotere wielen dan je binneninstinct. Gras, grind en de rand van een gazon zijn allemaal kwesties van wieldiameter. Ze veranderen ook je odometrieschalfactor, dus kalibreer opnieuw op de ondergrond waar je werkelijk rijdt.

Houd de magnetometer uit de buurt van de motoren, of laat hem weg. Motorstroom produceert een veld dat het aardmagnetisch veld overtreft. Kun je 15 cm scheiding niet krijgen, gebruik dan gyro plus course-over-ground en vermijd het probleem.

Log de missie. Een buitenstoring die je niet hebt opgenomen is een storing die je niet kunt foutzoeken — de robot was 40 m van je vandaan en je keek niet naar de seriële poort. Een SD-kaart of een Wi-Fi-log van pose, fix, HDOP en cross-trackfout maakt van elke rit bewijs.

Verwacht dat de eerste buitenrit vroegtijdig eindigt. Daar is het geofence voor, en dat is een succes.

Hoe een goed resultaat eruitziet

Die eerste kolom betekent niet dat de rover slecht is gebouwd; het is wat een 2,5 m CEP-fix op 1 Hz doet met een regelaar die hem vertrouwt. De verbetering van een orde van grootte in de tweede kolom komt uit de schatter, niet uit de regelaar — dezelfde pure-pursuitcode, gevoed met een gefuseerde pose.

Voordat je enige navigatiecode schrijft, doe je dit één keer: zet de ontvanger tien minuten buiten stil en log elke fix. De spreiding die je krijgt, is enkele meters breed en er is niets bewogen. Die grafiek is het nuttigste dat je in dit project kunt bekijken, omdat ze verklaart waarom het volgen van ruwe fixes niet kan werken en waarom de fix vóór de regelaar zit.

Als het misgaat

Zes van die acht zijn een waarnemingsprobleem in plaats van een regelprobleem — dezelfde verdeling als bij de micromouse en de kamerdekkingsrobot, en om dezelfde reden: het algoritme is het kleine deel.

Volg voor de hele reeks de roadmap voor padvolging; voor de binnenversie van hetzelfde probleem heeft de kamerdekkingsrobot een plan nodig en helemaal geen absolute positie.