Mezőgazdasági robot fejlesztése és jövőbeli bővíthetősége

Átírás

1 Mezőgazdasági robot fejlesztése és jövőbeli bővíthetősége Tóth Mihály Informatikus és szakigazgatási agrármérnök (BSc) Konzulens: Dr. Szilágyi Róbert

2 Az informatika, mint segítő ágazat Az informatika használatával jelentősen csökkenhet a célkitűzésünk eléréséhez szükséges forrásigény, illetve precízebb eredmény születhet. Általános formái a különböző irodai szoftverek és segédalkalmazások. Számos, a mezőgazdaságban hasznosítható informatikai eszköz van a piacon a nyilvántartó szoftvertől egészen a GPS segítségével működő, nyomvonaltartást segítő szoftverig.

3 Robotika A robot egy előre meghatározott programot futtató elektromechanikus szerkezet. Az első autonóm robot, a Machina speculatrix William Gray Walter nevéhez fűződik (1945) Számos kutatás zajlik a mezőgazdasági robotika fejlesztése kapcsán. Scout robotok Vetőgépek, permetezők és betakarítógépek Gyomfelismerés Automatikus öntözőgép Autonóm irányítású, multispektrális drónok

4 Lego NXT platform Három fő változatát ismerjük RCX (1998): 32 Kbyte programmemória, 3 szenzor és 3 motorport NXT (2006): 64 Kbyte programmemória, 4 szenzor és 3 motorport EV3 (2013): 16 Mbyte programmemória, 4 szenzor és 4 motorport Lego Mindstorms NXT 2.0 NXT G, C++ (RobotC) és számos nyelven programozható USB 2.0 és Bluetooth kapcsolat 100x64 pixeles, grafikus kijelző Gyárilag mellékelt szenzorok Ultrahangos távolságmérő Színszenzor Nyomógombok

5 Szenzorok és kiegészítők Szenzoroknak tekintünk minden külső tényezőt számszerűsíteni képes eszközt. Megkülönböztetünk az irányítást elősegítő, és felhasználó számára felhasználható adatokat tartalmazó szenzorokat. Az NXT platformhoz 6 tűs, moduláris csatlakozón kapcsolódnak a külső eszközök Külső gyártók által elérhetőek olyan szenzorok, melyek például a páratartalmat, hőmérsékletet, légnyomást, levegő mozgási sebességét, CO 2 mennyiségét, etanol előfordulását, fénymennyiséget, oxigén százalékos arányát, kémhatást és talajnedvességet képesek mérni.

6

7 Irányítási modell (kikerülés) Esetleges terepakadály észlelése esetén a program megszakítja az előre irányuló mozgást, és kikerülést hajt végre a zavartalan továbbhaladás érdekében. 1. Az ultrahangos távolságmérő 10 cm nek megfelelő értéket észlelve lassít, majd 5 cm nek megfelelő érték esetén megáll. 2. Körültekintés a továbblépéshez a távolságmérő használatával, majd az akadálymentes oldal felé való továbbhaladás. 3. A terepakadály mentén történő kikerülés, és ezzel a terepakadály letapogatása 4. Visszatérés a kikerülés kezdetekor fennálló menetirányba 5. Továbbhaladás egyenesen, vagy az irányítás visszaadása a GPS rendszer számára

8 Irányítási modell (GPS) Dexter Industries dgps eszköz Átalakítást nem igénylő, 6 tűs, moduláris csatlakozó Biztosított blokkok és illesztőprogramok Az adott terület 4 koordinátájának megadása után az eszköz meghatározott felbontás mellett történő pásztázása során járja be a pontok által közrefogott síkot. Eközben lehetőség nyílik az adatgyűjtések, illetve más programozott műveletek végrehajtására.

9 Microsoft Kinect Távvezérelt irányítás létrehozása a FAAST nevezetű, mozgás digitalizálására képes alkalmazással, majd a mozgás parancsokká való átalakítása. Rengeteg konfigurálási lehetőség cm es pontosság mellett. Megfelelő konfigurálás esetén a magunk elé tartott, ökölbe szorított kezünket meg tudjuk feleltetni az irányításért és haladásért felelős szervomotorok teljesítmény mutatóival.

10 Adatlogging Megkülönböztetünk belső és élő adatgyűjtést elősegítő módszert. Belső adatgyűjtés: Meghatározott feltételek fennállásakor, vagy meghatározott időközönként, adott formában egy.txt fájlba történik a kért szenzorok által mért adatok tárolása. Élő adatgyűjtés: Számítógéppel való közvetlen kapcsolat esetén a beállított mintavételezésnek megfelelő ütemben láthatjuk az új adatokat, majd ezt a művelet közben, valós időben (Real Time elemzés) megtekinthetjük és elemezhetjük.

11 Fejlesztési lehetőségek Program precizitásának finomítása Az Arduino (Atmel) platform lehetőségei Specifikus szenzorok beszerzése NXT platform: Vernier Arduino platform és szenzorai: Változó gyártók (OS) Egyedi nyomtatott áramkörök fejlesztése Több mikrokontroller üzemeltetése I 2 C buszon keresztül, társprocesszor közreműködésével Szenzorlapok fejlesztése, melyek sorszám alapján azonosíthatóak a rendszer számára (ATtiny) Nagyobb váz megépítése az előzetesen elkészített tervek alapján

12 Arduino platform Az Arduino egy 2005 óta piacon lévő, Atmel mikrokontroller családra épülő nyílt szoftverrel és hardverrel rendelkező, prototípus készítésére alkalmas platform. Számos típus érhető el az igényeknek megfelelően. (Uno, Mega, Mini, Lillypad, Duemilanove, Leonardo, Due) Uno esetén 13 digitális (ebből 6 PWM) és 5 analóg jel vételére és kiadására használható láb. I 2 C és SPI busz, TX, RX lábak soros kapcsolathoz Atmel Atmega 328p mikrokontroller, 32 Kbyte programmemória, 2 Kbyte SRAM, 1 Kbyte EEPROM

13 ISP programozás

14 Arduino szenzorok és kiegészítők Csatlakozásuk lehet digitális, PWM és analóg. Digitális: Adott értéket digitálisan átadó PWM: Impulzusszélesség moduláció Analóg: Egy ellenállás által képződő érték, mely a mikrokontrolleren belül konvertálódik használható értékké. Eddig beszerzésre került egy DHT11 es relatív páratartalom és hőmérsékletmérő szenzor, HC SR04 es távolságmérő és egy talajnedvesség mérő. Kiegészítőként használhatunk kijelzőket (16x2, grafikus), IC ket, kapcsolókat, motorokat (szervo, léptető), hangszórókat, potenciométer, más elektronikai eszközök

15 Arduino rendszerre írt programok Autonóm irányítás alapja Az NXT rendszeren megismert alkalmazáshoz hasonló, fejlesztés alatt lévő irányítási algoritmus Terminál Soros porton kommunikáló, utasításnak megfelelően az adott szenzor által olvasott adatot lekérő, majd megjelenítő programsor WDT alkalmazás Hiba esetén beavatkozás nélküli újraindítás Üvegház automatizálás (I 2 C, SPI, RF, LAN) Adott hőmérséklet és páratartalom esetén bekövetkező, relé által indított külső tápegység, majd külső eszköz elindítása

16

17

18 Költségkalkuláció Lego Mindstorms NXT 2.0 Arduino Mindstorms NXT szett Ft Arduino UNO Ft Beépített kijelző 16x2 kijelző (I2C interfésszel) Ft Beépített Bluetooth 2.0 Bluetooth modul Ft 630 darabos Technics szett Váz Ft 3 darab szervomotor Szervomotorok 3x Ft Távolságmérő HC SRO Ft Kiegészítők Kiegészítők Ft Vernier adapter 3 x 50$ = Ft Adapter Vernier hőmérsékletmérő 36$ = Ft DHT Ft Vernier páratartalommérő 94$ = Ft DHT11 Vernier talajnedvesség mérő 130$ = Ft EDC Ft Összesen: Ft Összesen: Ft

19 Felhasználási lehetőségek Adatgyűjtés Térkép készítése különböző szenzorok által mért adattal területegységre vonatkoztatva Időbeli értékváltozások követése, esetleges előrejelzés meghatározása Precíziós műveletek Nagyobb és egyedi konstrukció esetén vetés, permetezés és szelektív betakarítás elvégzése Öntözéssel kapcsolatos automatizálás

20 Eredmények Létrehoztam az NXT platform segítségével egy autonóm és távvezérelt irányítást megcélzó programot NXT G és C programnyelven. Az Arduino platform segítségével számos eszközt és programot hoztam létre az azzal való kísérletezés érdekében. Tanulmányoztam az adatgyűjtési eljárásokat mindkét platformon, majd elkezdtem egy saját adatelemző program összeállítását. Több kísérletet végeztem egy saját tervezésű váz összeállításával kapcsolatban.

21 Köszönöm a megtisztelő figyelmet!