Definición e implementación del sistema GNSS para la navegación de un robot agrícola autónomo

Treball de Fi de Grau Grau en Ingenieria en Tecnologías Industrials Definición e implementación del sistema GNSS para la navegación de un robot agrícola autónomo MEMORIA Autor: Juan Pablo Rodríguez Marín Director: David Caballero Flores Convocatoria: Julio 2023 Escuela Técnica Superior De Ingeniería Industrial de Barcelona Pág. 2 Memoria Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 3 Resum El present treball de fi de grau avalua els diferents tipus sistemes GNSS, determinant els components essencials que han d'adquirir-se per a aconseguir un sistema funcional. S'analitzaran les diferents constel·lacions determinant si és millor utilitzar un únic sistema com podria ser el GPS o el Galileu o si seria més eficient utilitzar la combinació de diferents constel·lacions de satèl·lits. El projecte es realitza sota la supervisió i suport dels membres del CDEI-UPC amb els quals es treballarà conjuntament per a definir i aconseguir els reptes proposats. Una vegada determinat quals són els components necessaris, es formalitzaran reunions amb diferents proveïdors de sistemes GNSS per a triar el sistema que compleixi amb el major nombre d'especificacions i objectius que es proposen durant el treball i es testessin els sistemes triats per a així prendre decisions basats en les dades reals comprades amb teòrics proporcionats pels fabricants. Per últim, s'analitzarà la viabilitat de la integració del sistema triat en el robot mitjançant l'ús del llenguatge ROS per a així en les següents fases del projecte dur a terme la integració física del sistema. Pág. 4 Memoria Resumen El presente trabajo de fin de grado evalúa los diferentes tipos sistemas GNSS determinando los componentes esenciales que deben adquirirse para conseguir un sistema funcional. Se analizarán las diferentes constelaciones determinando si es mejor utilizar un único sistema como podría ser el GPS o el Galileo o si sería más eficiente utilizar la combinación de diferentes constelaciones de satélites. El proyecto se realiza bajo la supervisión y soporte de los miembros del CDEI-UPC con los cuales se trabajará conjuntamente para definir y conseguir los retos propuestos. Una vez determinado cuales son los componentes necesarios, se formalizarán reuniones con diferentes proveedores de sistemas GNSS para escoger el sistema que cumpla con el mayor número de especificaciones y objetivos que se proponen durante el trabajo y se testearan los sistemas escogidos para así tomar decisiones basados en los datos reales comprados con los teóricos proporcionados por los fabricantes. Por último, se analizará la viabilidad de la integración del sistema escogido en el robot mediante el uso del sistema operativo ROS para así en las siguientes fases del proyecto llevar a cabo la integración física del sistema. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 5 Abstract This thesis evaluates the different types of GNSS systems by determining the essential components that must be acquired to achieve a functional system. The different constellations will be analysed to determine if it is better to use a single system such as GPS or Galileo or if it would be more efficient to use a combination of different satellite constellations. The project is carried out under the supervision and support of the members of the CDEIUPC with whom I will work together to define and achieve the proposed challenges. Once the necessary components are determined, meetings will be formalized with different GNSS system providers to choose the system that meets the highest number of specifications and objectives proposed during the work, the chosen systems will be tested in order to make decisions based on the real data purchased with the theoretical data provided by the manufacturers. Finally, the feasibility of the integration of the chosen system in the robot will be analysed through the use of the ROS language to carry out the physical integration of the system in the following phases of the project. Pág. 6 Memoria Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 7 Índice Resum ......................................................................................................................... 3 Resumen ..................................................................................................................... 4 Abstract ....................................................................................................................... 5 Índice de las figuras ................................................................................................... 9 Índice de las tablas ................................................................................................... 11 1. Introducción .......................................................................................................... 13 1.1 Contexto y motivación ................................................................................................... 13 1.2 Objetivos .......................................................................................................................... 14 1.3 Alcance ............................................................................................................................ 15 2. Marco Teórico ....................................................................................................... 15 2.1 Sistemas GNSS ............................................................................................................. 15 2.2 Tipos de sistema GNSS................................................................................................ 17 2.2.1 Sistema GPS ........................................................................................................... 17 2.2.2 Sistema GALILEO .................................................................................................. 21 2.2.3 Sistema GLONASS ................................................................................................ 23 2.2.4 Sistema BeiDou ...................................................................................................... 24 2.2.5 Sistemas Multi-constelación ................................................................................. 24 2.3. Funcionamiento de un sistema GNSS ...................................................................... 25 2.4 Protocolos de transmisión de datos ............................................................................ 26 2.5. Formato transmisión de datos y correcciones ......................................................... 29 2.5.1 Formato de transmisión de datos ........................................................................ 29 2.5.2 Formato de transmisión de las correcciones ..................................................... 30 2.5.3 Visualización de los mensajes .............................................................................. 31 2.5.4 Cálculos de la precisión ......................................................................................... 32 2.6. Componentes del sistema Hardware GNSS ............................................................ 33 2.6.1 Objetivos de un sistema GNSS ................................................................................ 33 2.6.2 Receptores GNSS .................................................................................................. 34 2.6.3 Receptores RTK ..................................................................................................... 34 2.6.4 Antenas GNSS ........................................................................................................ 36 2.6.5 Placas OEM GNSS ................................................................................................ 36 2.7 Tipos de interferencias y errores ................................................................................. 37 2.8. Dilución de la posición (DOP) ..................................................................................... 39 2.8.1 Cálculo de DOP ...................................................................................................... 41 3. Selección de los componentes a utilizar en los ensayos .................................. 42 3.1 OEM7720-Novatel ......................................................................................................... 43 Pág. 8 Memoria 3.2 REACH M2 Emlid .......................................................................................................... 43 3.3 REACH M+ Emlid .......................................................................................................... 44 3.4 RUTX11 -Teltonika ........................................................................................................ 45 3.5 Placa de desarrollo con modulo ZED-F9P -Ublox integrado .................................. 45 5. Metodología ........................................................................................................... 48 5.1 Tipos de levantamientos ............................................................................................... 48 5.1.1 Estático ..................................................................................................................... 48 5.1.2 Estático rápido ........................................................................................................ 48 5.1.3 Cinemático ............................................................................................................... 49 5.1.4 RTK ........................................................................................................................... 49 5.2 Conexión de los sistemas ............................................................................................. 51 5.3 Softwares utilizados ....................................................................................................... 52 5.3.1 Software del sistema Emlid ................................................................................... 52 5.3.2 Software del sistema Ublox .................................................................................. 53 6. Análisis de los datos obtenidos .......................................................................... 55 6.1 Análisis de la importancia del uso de NTRIP ............................................................ 56 6.2 Zona con cielo abierto y sin interferencias ................................................................ 57 6.3 Análisis estático con cielo abierto y posibles interferencias de antenas cercanas ................................................................................................................................................. 59 6.4 Análisis en movimiento con cielo abierto y posibles interferencias por antenas cercanas................................................................................................................................. 61 6.5 Análisis de sistema en una zona con edificios acristalados ................................... 64 6.6 Análisis con interferencias producidas por arboles .................................................. 66 6.7 Conclusión de los levantamientos ............................................................................... 68 7. Integración del sistema con ROS ........................................................................ 70 7.1 Integración sistema UBLOX ......................................................................................... 72 7.2 Integración del sistema Emlid ...................................................................................... 75 8. Plan de trabajo ...................................................................................................... 77 9. Estudio del impacto medioambiental .................................................................. 78 10. Estudio económico del trabajo .......................................................................... 79 11. Estudio social y de igualdad de genero ............................................................ 80 12. Conclusiones ...................................................................................................... 81 13. Agradecimientos ................................................................................................. 82 14. Bibliografía .......................................................................................................... 83 Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 9 Índice de las figuras Figura 1: Imagen del logo del CDEI UPC y el proyecto AgroMOBY; Fuente: [1] ...................... 13 Figura 2: Imagen de los objetivos SMART, Fuente: [2] ............................................................. 14 Figura 3: Esquema de segmentos de sistema GNSS; Fuente: Propia. ..................................... 16 Figura 4: Comparativa Sistema Galileo (izquierda) y GPS (Derecha) ; Fuente: [8] .................. 17 Figura 5: Resumen Segmentos del sistema GPS; Fuente: Propia ............................................ 18 Figura 6: Imagen del cálculo de posición GPS; Fuente: [16] ..................................................... 20 Figura 7: Modulación de señal portadora; Fuente: [9] ............................................................... 20 Figura 8: Espectro de las señales GPS; Fuente: [15] ................................................................ 21 Figura 9: Imagen resumen de los segmentos del sistema Galileo; Fuente: Propia. ................. 22 Figura 10: Representación espectral Señales de Galileo, Fuente: [15]..................................... 22 Figura 11: Esquema de funcionamiento del protocolo NTRIP; Fuente: propia ......................... 27 Figura 12: información de un Mensaje NMEA; Fuente: Propia .................................................. 31 Figura 13: información de un mensaje PUBX; Fuente: Propia .................................................. 32 Figura 14: objetivos de un sistema GNSS; Fuente: Propia. ...................................................... 33 Figura 15: Funcionamiento receptor RTK; Fuente: [10] ............................................................. 35 Figura 16: Instalación antena GNSS; Fuente: [14] .................................................................... 36 Figura 17: Imagen de la afectación de la arquitectura satelital al DOP; Fuente: [27]................ 39 Figura 18: Receptor Novatel y antena Ublox; Fuente: [20] i [21] ............................................... 43 Figura 19: Modulo de receptores Emlid M2 con antena multibanda; Fuente: [22] .................... 43 Figura 20: Modulo de receptores Emlid M+ con antena multibanda; Fuente [22] ..................... 44 Figura 21: Sistema RUT11 de Teltonika; Fuente: [43] ............................................................... 45 Figura 22: sistema Ardusimple RTK con antena Ublox; Fuente: [21] ........................................ 45 Figura 23: Comparación de componentes; Fuente: Propia ....................................................... 47 Figura 24: Solicitud de conexión a el protocolo NTRIP desde una interfaz GNSS; Fuente: Propia .......................................................................................................................................... 50 Figura 25: Interfaz del sistema Emlid; Fuente: Propia ............................................................... 52 Figura 26: Flujo de Trabajo para analizar los datos proporcionados por los sistemas GNSS; Fuente: Propia ............................................................................................................................. 53 Figura 27: Interfaz Ucenter inicial, del sistema Ublox; Fuente: Propia ...................................... 54 Figura 28: Interfaz de Ucenter después de habilitar mensajes con las vistas de satélites; Fuente: Propia ............................................................................................................................. 54 Figura 29: Contenido del mensaje PUBX00; Fuente: Propia ..................................................... 55 Figura 30: Gráfica de barras con comparativa del uso del protocolo NTRIP; Fuente: Propia ... 56 Figura 31: Gráfica de líneas, comparación entre sistema Ublox y Emlid en una zona sin interferencias; Fuente: Propia ..................................................................................................... 57 Figura 32: Gráfico de puntos donde se ven las diferentes soluciones que adquiere el sistema Ublox; Fuente: Propia .................................................................................................................. 58 Figura 33: Gráfica de puntos donde se compara el PDOP entre el sistema Ublox y Emlid; Fuente: Propia ............................................................................................................................. 58 Figura 34: imagen de la torre de Collserola, Barcelona ............................................................. 59 Figura 35: Mapa de puntos de la zona de Collserola para el sistema Ublox (izquierda) y el sistema Emlid (derecha) ; Fuente: Propia ................................................................................... 59 Figura 36: Gráfica de líneas de la precisión RMS de un levantamiento RTK estático en la zona con Antenas de Collserola; Fuente: Propia ................................................................................. 60 Figura 37: Gráfica de puntos donde se comparan los sistemas por su PDOP; Fuente: Propia 61 Figura 38: Mapa de puntos para del levantamiento en movimiento en la zona de Collserola; Fuente: Propia ............................................................................................................................. 61 Figura 39: Gráfica de líneas de la precisión RMS de un levantamiento RTK en movimiento en la zona cercana a antenas de Collserola; Fuente: Propia .......................................................... 62 Figura 40: Gráfica de puntos comparando el PDOP de ambos sistemas en una zona con antenas; Fuente: Propia .............................................................................................................. 63 Figura 41: Gráfica de líneas de la precisión RMS para ambos sistemas en una zona con edificios acristalados; Fuente: Propia ......................................................................................... 64 Pág. 16 Memoria Por otro lado, aparece un inconveniente, la necesidad de una cuarta ecuación ya que deberemos tener en cuenta la diferencia de tiempo entre el sistema de satélites GNSS y nuestro receptor por lo que con un satélite adicional podríamos calcular la última incógnita y así conocer tanto la posición en el espacio como la diferencia temporal, más adelante se estudiará más en profundidad la precisión de estas coordenadas y las opciones para poder aumentar esa precisión. Un sistema GNSS como por ejemplo el GPS está claramente dividido por tres tipos de segmentos: Figura 3: Esquema de segmentos de sistema GNSS; Fuente: Propia. • El Segmento Espacial: Formado por el conjunto de satélites artificiales, que forman la red del sistema GNSS tanto de navegación como de comunicación los cuales giran alrededor de la tierra dos veces al día. Los satélites transmiten la información mediante dos ondas llamadas portadoras las cuales se encuentran en la banda L que se suele utilizar para la transmisión de datos por radio a la velocidad de la luz. • El Segmento de Control: Segmento intermedio entre el espacial y el de usuarios ya que se compone de las estaciones presentes en la superficie de la tierra las cuales recolectan los datos obtenidos de los satélites para poder ponerlos a disposición de los usuarios y hacer un seguimiento de la posición de los satélites. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 17 • El Segmento de Usuarios: Formado por los equipos usados para recibir las señales de los satélites, como por ejemplo un robot o un dron, el uso de un software para la comunicación receptor-ordenador y el análisis de los datos para poder obtener finalmente los resultados. 2.2 Tipos de sistema GNSS El GNSS no es un sistema único, hay diferentes tipos diseñados por diferentes países y a la hora de diseñar el sistema de navegación y geolocalización de un robot agrícola se deberá investigar qué sistema es el que mejor cumple con las especificaciones y objetivos que se desean cumplir en este proyecto. En el siguiente enlace es posible visualizar de manera interactiva las diferentes constelaciones, los satélites que las forman y sus trayectorias: https://sky.rogue.space/ [8] Los sistemas GNSS de satélites más importantes que orbitan la tierra son: 2.2.1 Sistema GPS Es un sistema GNSS de uso militar y civil, fue desarrollado por los Estados Unidos de América, donde el Departamento de Defensa en 1969 diseñó el programa DNSS (Defense Navigation Satellite System) y creó el sistema NAVSTAR (NAVigation Satellite Time And Ranging) GPS el cual estuvo totalmente operativo en 1995, proporciona información de posicionamiento, navegación y cronometría utilizando la técnica de la trilateración 3D. El gran problema del GPS es que al estar controlado por el gobierno de los Estados unidos y en concreto por los departamentos militares se limita su uso a civiles llegando incluso en caso de estar dándose una operación militar en la zona a inhabilitar su uso a personal no autorizado. Figura 4: Comparativa Sistema Galileo (izquierda) y GPS (Derecha) ; Fuente: [8] Pág. 18 Memoria Segmentos del sistema Estructura de las señales Este sistema utiliza tres bandas de UHF o Ultra High Frequency las cuales se encuentran centradas en la banda L: • Banda L1: Es una banda frecuencial centrada a 1575.42 MHz • Banda L2: Es una banda frecuencial centrada a 1.227,60 MHz • Banda L5: Es una banda frecuencial centrada a 1.176,45 MHz Estas frecuencias se calculan mediante una frecuencia fundamental proveniente del reloj atómico que cada satélite tiene integrado, esta es de 10.23MHz y se utiliza principalmente para sincronizarse con el resto. De esta manera cada frecuencia se calcula multiplicando esa frecuencia fundamental por un valor fijado: • 𝐿1 = 154 ∗ 10.23 𝑀𝐻𝑧 • 𝐿2 = 120 ∗ 10.23 𝑀𝐻𝑧 • 𝐿5= 115 ∗ 10.23 𝑀𝐻𝑧 Figura 5: Resumen Segmentos del sistema GPS; Fuente: Propia Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 19 Cada una de estas señales está compuesta por tres componentes: • Señal Portadora: Señal con una frecuencia igual a la L1, L2 o L5 • Secuencia de ensanchado: Cada uno de los satélites que integran las constelaciones tienen asignados unos códigos para cada banda en la que emiten. Se dividen en dos tipos, códigos de adquisición ordinaria (C/A) y códigos encriptados P(Y). • Datos de navegación: Contienen información de con referencia a las orbitas, correcciones ionosféricas y datos UTC. A continuación, se explicará en más detalle en que consiste cada secuencia de ensanchado y cuál es su funcionalidad: • Código C/A: Proviene del inglés Coarse Adquisition, este código está basados en secuencias pseudoaleatorias o PRN (Pseudo Random Noise) en concreto los llamados GOLD de 10 bits, se denominan así porque al generarse de forma binaria parece que los unos y ceros estén distribuidos de forma aleatoria pero realmente tienen un sentido, es decir son deterministas. Esta pseudoaleatoriedad le otorga una característica especial ya que prácticamente no existe correlación cruzada entre códigos, presentando la correlación un máximo en 0, gracias a esta característica se puede determinar con una gran precisión el retardo de la señal recibida a la entrada del receptor. Cada receptor almacena las réplicas de los RPN y al recibir una señal del satélite aplica operaciones de correlación entre la réplica y la señal, es capaz de recuperar el código con el que la señal fue modulada y generar una réplica de ese código, pero en este caso desfasado ya que al desplazarse durante el envío se introdujo un retardo. Mediante la estimación de ese retardo de propagación se puede calcular la distancia entre el satélite y el receptor: 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎=𝑣∗(𝑅− 𝑇𝑡) Donde 𝑣 es la velocidad de propagación, 𝑅 es el retardo y 𝑇𝑡 es el instante de transmisión de la señal. De cada uno de los satélites podemos obtener una medida del retardo de propagación del cual se obtendrá una superficie esférica la intersección de las cuales nos proporcionará la posición del receptor, cuantos más satélites menor será la zona y mejor precisión obtendremos. Pág. 20 Memoria Figura 6: Imagen del cálculo de posición GPS; Fuente: [16] • Código P: esta clase de código tiene únicamente un uso militar y normalmente este encriptado, su construcción es muy similar a los códigos C/A pero son de 12 bits, lo que otorga un mayor ensanchamiento del espectro otorgando al sistema una mayor robustez contra interferencias pero es necesario adquirir el código C/A previamente. Al ser un código el cual no podremos utilizar no se explicará más detenidamente ya que no se considera relevante para el trabajo. El termino modulación en este caso aplica a que las ondas portadoras están diseñadas para integrarse con los códigos binarios C/A y P mediante ese proceso de modulación, en el cual, los códigos se superponen sobre la onda portadora. Estos códigos son binarios, por lo que únicamente pueden tener dos valores -1 y +1 causando que cada vez que el valor cambia se produzca un cambio en la fase de la portadora. Figura 7: Modulación de señal portadora; Fuente: [9] A parte de las mencionadas anteriormente existen otro tipo de señales las cuales tienen una importancia más reducida las cuales se enunciarán brevemente: • Safety of Life: Señal transmitida en banda L5, utilizada para servicios de salvamento y búsqueda empleando un ancho 10 veces más amplio que la señal C/A lo que otorga una mayor robustez a la señal • L2C: Señal transmitida en la banda L2, utilizada en el ámbito civil con el objetivo de proporcionar mejores precisiones que las ofrecidas por C/A. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 21 • Código M: Señal militar, transmitida en la banda L1 y L2, utilizada para obtener un anti-jamming (mayor resistencia a interferencias) de manera que no interfiera con las señales existentes y puede calcular la posición sin necesidad el código C/A. Figura 8: Espectro de las señales GPS; Fuente: [15] 2.2.2 Sistema GALILEO Es sistema GNSS totalmente de uso civil, lo que evita la desconexión del sistema en caso de operaciones militares del país que lo desarrolló, del cual surgió la necesidad debido a este problema grabe en los países de la unión europea ya que había una completa dependencia de sistemas de navegación de gobiernos ajenos. Este sistema está financiado y desarrollado conjuntamente por la Agencia Espacial Europea y la Comisión Europea entró en funcionamiento el 15 de diciembre de 2016 con el objetivo de eliminar la dependencia del sistema GNSS americano (GPS) o ruso (GLONASS) explicados más abajo y aumentar la precisión hasta cinco veces más respecto a estos dos. El funcionamiento es el explicado con anterioridad mediante la trilateración 3D con una red total de 30 satélites, el cual obtiene mejor precisión que la constelación GPS haciendo que los satélites orbiten con una trayectoria un poco más inclinada hacia los polos, para asegurar la sincronización entre los satélites están equipados con relojes atómicos de hidrogeno de muy alta precisión. Este sistema es compatible con el sistema GPS lo que duplicará el número de satélites visibles en cada momento proporcionando una posición de gran precisión dentro de grandes ciudades. Pág. 22 Memoria Segmentos del sistema Figura 9: Imagen resumen de los segmentos del sistema Galileo; Fuente: Propia. Estructura de las señales Este sistema utiliza cinco bandas de UHF o Ultra High Frequency las cuales están centradas en la banda L, a diferentes frecuencias, A esas frecuencias se les conoce como portadoras: • Banda E1: Es una banda frecuencial centrada a 1575.42 MHz • Banda E5a: Es una banda frecuencial centrada a 1176.45 MHz • Banda E5b: Es una banda frecuencial centrada a 1207.14 MHz • Banda E6: Es una banda frecuencial centrada a 1278.75 MHz • Banda L6: Es una banda frecuencial centrada a 1.544.50 MHz Figura 10: Representación espectral Señales de Galileo, Fuente: [15] Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 23 Los receptores GNSS pueden ser de de una única frecuencia donde la señal se transmite en las tres bandas de frecuencia E1, E5a y E5b. Por otro lado, también existen receptores multifrecuencia los cuales pueden recibir señales procedentes de una de las combinaciones siguientes E1 y E5a, E1 y E5b. Las señales Galileo transmiten tres tipos de datos: Señales piloto, datos de navegación y datos de servicio regulado: • Las señales piloto y los datos de navegación constituyen las señales denominadas de servicio abierto o OS ya que son de uso libre para cualquier usuario. • Los datos de servicio regulado o PRS (Public Regulates Service) únicamente están disponibles mediante un contrato, su uso se destina para mejorar la calidad de la señal y mejorar la calidad el servicio. En este proyecto se trabajará con el primer tipo de señales ya que no se formalizará un contrato para trabajar con datos PRS. Generación de la señal La señal del sistema Galileo utiliza una señal portadora, las cuales se enuncian arriba, y técnicas de espectro ensanchado, donde se multiplican los datos por un Código pseudoaleatorio. En el caso de Galileo los códigos son más largos que en el sistema GPS lo que produce que el proceso de adquisición sea más lento. A estos códigos se le aplica una técnica de modulación llamada BOC o Binary Offset Carrier la cual es la base de las señales Galileo ya que gracias a esta técnica se consigue que el espectro no interfiera con el de las señales ya existentes en esas bandas como podría ser las señales GPS. Esta técnica consiste en combinar una señal portadora principal (1.023 MHz) y una señal portadora secundaria desplazada en frecuencia, en Galileo se conoce como BOC (1,1) para las bandas E1 y E5. Partiendo de la modulación BOC se generan otras como la CBOC (Composite Binary Offset Carrier) y la AltBOC (Alternative Binary Offset Carrier). Como se puede observar en la figura 9 la banda E1 estará modulada con la técnica BOC, la E5 con la AltBOC y la E6 con la BPSK. 2.2.3 Sistema GLONASS También conocido como Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, fue desarrollado por la Unión Soviética y ahora está dirigido bajo el mando de la Federación Rusa consta de 24 satélites en activo con 3 satélites de repuesto, con una inclinación que garantiza un 100% de disponibilidad de la navegación en territorio ruso con una precisión global semejante al GPS. Pág. 24 Memoria 2.2.4 Sistema BeiDou Es el sistema desarrollado por China de ámbito militar y civil, el cual a partir del 2020 comenzó a proporcionar servicios a nivel global con un total de 30 satélites en órbita. Su precisión depende mucho de la zona en la que se utilice, siendo más preciso en el continente asiático donde puede llegar a tener una precisión de 10cm mientras que en otras zonas y por lo general tiene una precisión de 3,6 metros. Como resumen y comparación entre los sistemas se ha elaborado una tabla ordenada por la precisión. Tabla 1: Tabla comparativa sistemas GNSS; Fuente: Propia Cabe aclarar que la precisión en los satélites ha ido mejorando durante los años gracias a la implementación de nuevas tecnologías, pero el sistema Galileo continúa estando a la cabeza en cuanto a precisión gracias a la disposición de sus satélites, la tecnología utilizada y las técnicas de modulación. Se han enunciado los principales sistemas de constelaciones GNSS operativos en la actualidad, pero en este proyecto no nos centraremos en uno solo ya que uno de los grandes beneficios de los componentes que se usaran, es que serán capaces de detectar más de una constelación al mismo tiempo, a estos sistemas se les conoce como: 2.2.5 Sistemas Multi-constelación Los receptores que incluyen esta capacidad pueden aumentar el número de satélites visibles detectando satélites de múltiples constelaciones. Un problema derivado del envío de señales satelitales es el retardo ionosférico el cual se produce cuando dicha señal al atravesar la ionosfera puede reducir su velocidad por tanto introduce un retardo generando un error en el cálculo de la distancia al satélite. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 25 Otro gran beneficio de los sistemas multi-constelación que se usaran es que al trabajar con diversas bandas de frecuencia se puede cancelar el retardo ionosférico y al trabajar cada sistena con segmentos de control la caída de una de las constelaciones no provoca que nuestro sistema deje de operar ya que podemos seguir usando el resto de sistemas. En cuanto a el proyecto uno de los requisitos principales es que al diseñarse en el España y por tanto en dentro del marco de la Unión Europa, el sistema debe ser compatible con el sistema Galileo con la idea de un desarrollo a futuro y las posibilidades que otorgara este sistema cuando llegue al pico de su desarrollo. Por tanto, componentes que puedan trabajar dentro de las condiciones de este sistema y a su vez poder trabajar dentro de los otros sistemas se tendrán en consideración mientras que los que no den la posibilidad de utilizar el sistema Galileo se descartaran. 2.3. Funcionamiento de un sistema GNSS El funcionamiento de un sistema GNSS se puede clasificar en tres técnicas: 1. Navegación Autónoma Consiste en el uso de un único receptor para el sistema GNSS, que es comúnmente utilizado por excursionistas y barcos en alta mar, esta técnica tiene una precisión muy reducida ya que en el caso de uso civil para sistemas GPS la precisión es de unos 100 m y en el caso militar de aproximadamente 20 m. 2. Posicionamiento Diferencial Corregido Este método conocido como DGPS consiste en comparar la señal recibida por un receptor GNSS con la señal que recibe una estación de referencia, la cual se llama base, esta base está ubicada en una posición conocida y mide los errores de la señal en esa ubicación, como puede ser el retraso de la señal producido al pasar por la ionosfera y transmite las correcciones al receptor. Gracias a las técnicas de medición diferencial la gran mayoría de errores que afectan a la medición del posicionamiento pueden ser eliminados Estas correcciones se aplican a la señal satelital recibida por el receptor aumentando la precisión hasta aproximadamente 2 metros para uso civil y 10 centímetros para uso militar. 3. Posicionamiento diferencial de fase Este método es conocido como PPP-RTK en el cual se procesan las señales para calcular la fase de la señal satelital. Al igual que el método DGPS se utiliza una estación base, pero en este caso se mide la fase de la señal del satélite y se utiliza para que comparándola con la recibida por el receptor calcular la posición del receptor con una precisión de muy pocos centímetros. Pág. 32 Memoria Figura 13: información de un mensaje PUBX; Fuente: Propia 2.5.4 Cálculos de la precisión Uno de los objetivos de este proyecto es conseguir una precisión de centímetros para asegurar el mínimo error posible en la navegación y el posicionamiento del robot AgroMOBY. Para ello hemos de ser capaces de analizar los datos que nos permita visualizar el sistema GNSS. La precisión se obtiene siempre en metros, pero esta se puede expresar como la precisión relativa para el Norte, Este y Elevación o como la precisión horizontal y vertical realizando una media RMS. Las dos muestran una precisión de valores parecidos, pero a la hora de comparar ambas precisiones se debe ser consciente del calculo que hay detrás de cada una para aplicarlo en caso de ser necesaria una conversión, es decir, imaginemos que un sistema nos proporciona los datos de la precisión como Norte, Este y elevación mientras que otro sistema nos proporciona datos de manera horizontal y vertical, deberemos aplicar una serie de cálculos a esas precisiones para poder compararlas. Cálculo de la Precisión Horizontal Para el cálculo de la precisión horizontal se utiliza la formula del error circular probable o CEP, la cual representa el radio de una circunferencia dentro de la cual es más probable que se encuentren las medidas tomadas. En dicha formula se utilizarán las precisiones Norte y Este: 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑠𝑖ó𝑛 𝐻𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙= √(𝑁𝑅𝑀𝑆)2+(𝐸𝑅𝑀𝑆)2 La precisión vertical será claramente la precisión de la elevación directamente. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 33 2.6. Componentes del sistema hardware GNSS 2.6.1 Objetivos de un sistema GNSS Figura 14: objetivos de un sistema GNSS; Fuente: Propia. 1. Precisión de navegación: El objetivo principal de un sistema de navegación GNSS es proporcionar una precisión de posicionamiento y navegación adecuada para cumplir con los requisitos del funcionamiento de en nuestro caso un robot agrícola. 2. Integración con otros sistemas: El objetivo es integrar el sistema de navegación GNSS con otros sistemas que se utilizarán en el robot agrícola, como sensores o un sistema LIDAR y también ser capaz de integrar ese sistema mediante el uso de ROS. 3. Robustez ante condiciones adversas: El objetivo es asegurarse de que el sistema de navegación GNSS sea resistente a las condiciones ambientales adversas, como la lluvia, el polvo, la suciedad y poder tomar medidas con la máxima precisión todo y que existan interferencias como edificios, árboles o antenas RF. 4. Reducción de costos: El objetivo es minimizar los costos del hardware y del sistema de navegación GNSS para asegurarse de que sea accesible para el proyecto. 5. Sencillez de uso: El objetivo es estudiar los sistemas de navegación GNSS y escoger aquel que además de cumplir el resto de los objetivos, sea de fácil uso y en el que la obtención de datos sea sencilla, para que tanto en nuestro proyecto como el los venideros se pueda reutilizar el sistema y si otro usuario debe utilizarlo sea un sistema intuitivo. Pág. 34 Memoria 6. Mejora continua: El objetivo es asegurarse de que el sistema de navegación GNSS sea escalable y tenga la capacidad de mejorar continuamente con el tiempo para cumplir con las necesidades cambiantes de la aplicación en un robot agrícola. En cuanto a el Hardware utilizado para la implementación del sistema GNSS en el robot agrícola, los componentes principales que el sistema debería incorporar son los siguientes: 2.6.2 Receptores GNSS Los receptores son el componente principal del sistema, son los encargados de recibir las señales satelitales del sistema GNSS para su posterior procesamiento y así poder calcular las coordenadas del robot mediante el método de trilateración 3D explicado anteriormente y a su vez calcular la velocidad del propio robot. Hay diferentes tipos de receptores dependiendo de la constelación (GPS, GLONASS, GALILEO…) pero hay que recalcar que es importante seleccionar un receptor que sea capaz de trabajar con diferentes tipos de constelaciones para así poder actuar con la opción más optima, ya que al captar señales de diferentes constelaciones el número de señales recibidas será mayor y por tanto el error en el cálculo de la precisión será menor aportando una mayor precisión. Una opción muy popular debido a su gran precisión y el número de componentes disponibles en el mercado, junto a las óptimas características que proporciona es la de los receptores RTK. 2.6.3 Receptores RTK Los receptores RTK o Real Time Kinematic, son receptores de doble frecuencia de alta precisión los cuales utilizan las medidas de fase de las señales de los satélites en tiempo real y el uso de correcciones diferenciales para mejorar la posición. Estos receptores al utilizar la técnica RTK son capaces de obtener una precisión de centímetros mientras por ejemplo un receptor que no use RTK como el de un smartphone nos proporcionaría una precisión de entre 2 a 4 metros. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 35 Un receptor GNSS convencional mide el tiempo que tarda una señal en viajar desde un satélite hasta el receptor, estas señales transmitidas por los satélites viajan a través de la ionosfera y la atmósfera y se ven ralentizadas y distorsionadas en el camino, pudiendo dar precisiones diferentes en caso de que el día fuese nublado o despejado ya que las condiciones meteorológicas afectarían a la señal, es por eso que resulta difícil para un receptor autónomo determinar con exactitud su posición mientras que usando la tecnología RTK se resuelve este problema. La corrección diferencial se basa en la comparación de dos señales iguales desde dos o más receptores: 1. Estación Base: uno de los receptores debe estar en estaciones de referencia que son estaciones en posiciones fijas conocidas. Su función es enviar las correcciones a los rovers. 2. Estación Rover: El resto de los receptores pueden estar en movimiento los cuales se conocen como rovers, se pueden conectar el número de rovers que deseemos siempre que los ajustes de entrada coincidan con los ajustes de salida de la base. Estos rovers utilizaran esos datos para obtener una precisión de centímetros. Estos receptores además permiten múltiples constelaciones de satélites diferentes: GALILEO, GPS, GLONASS y Beidou, pero al requerir de una infraestructura adicional para proporcionar esa precisión de centímetros o milímetros el costo de estos receptores es más elevado. Figura 15: Funcionamiento receptor RTK; Fuente: [10] Pág. 36 Memoria Es importante recalcar que no es del todo necesario el uso de una base fija para utilizar la tecnología RTK ya que actualmente es posible obtener precisiones de centímetros sin la necesidad de adquirir una estación base la cual aumentaría de manera muy significativa el precio total del sistema. Para ello se utilizará el protocolo NTRIP el cual, se explicará más adelante, el cual mediante una conexión wifi es capaz de retransmitir las correcciones a nuestro receptor RTK sin necesidad de base fija. 2.6.4 Antenas GNSS Son las encargadas de la captación de las señales satelitales, deben precisas, captar señales de diferentes constelaciones y ser multifrecuencia ya que al querer centrarnos en la Agricultura de precisión deberemos poder recibir señales de gran calidad para poder obtener una precisión de aproximadamente un centímetro lo que requerirá de un sistema multi-constelación. La antena GNSS es un componente fundamental en la determinación de la posición del robot ya que cuanto más grande sea el número de satélites de diferentes constelaciones captados por la antena menor será el error presente en las medidas de la posición. Como se podrá observar en los diferentes análisis experimentales, la posición donde se instale esta antena afectara directamente a las medidas ya que la manera más optima de utilizar esta antena será instalarla a unos 15 – 20 centímetros por encima del robot para evitar interferencias y si así alejarlo también de otros sistemas que podrían provocar interferencias de radiofrecuencia. 2.6.5 Placas OEM GNSS Las placas OEM u Original equipment manufacturer son un tipo de dispositivo de recepción que se caracterizan por ser muy compactas, de dimensiones reducidas y permiten una fácil y rápida integración con el resto de los componentes del sistema, lo que las hace muy adecuadas para un gran tipo de aplicaciones marítimas, de navegación o agrícolas. Otorgan una gran precisión y una alta fiabilidad. Figura 16: Instalación antena GNSS; Fuente: [14] Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 37 Estas placas generalmente incluyen los siguientes componentes integrados: 1. Receptores GNSS: normalmente es un chip que recopila las señales las procesa y obtiene la posición y velocidad del robot, suelen ser receptores RTK 2. Conectores: para conectar por ejemplo la propia antena 3. Circuitos electrónicos: Como amplificadores, filtros, convertidores o diodos que transforman la señal hasta su versión final para así dejarla lista para su procesamiento 4. Software de control: Controla el funcionamiento del receptor y envía la información a un sistema externo como podría ser un ordenador 5. Componentes extra: como por ejemplo componentes correctores de errores debidos a la atmosfera o al ambiente o la capacidad de almacenar datos. Como se puede observar las placas OEM constituyen una muy buena opción ya que al incluir todos los componentes dentro de una placa de dimensiones muy pequeñas con una profundidad parecida a la de una tarjeta de crédito proporcionan la posibilidad de integrarla dentro del robot de una manera fácil y eficiente. Por otro lado, su bajo consumo sumado a la posibilidad de funcionar con diferentes frecuencias y constelaciones hace que el sistema GNSS sea robusto dentro de un ambiente agrícola. El principal inconveniente es que suelen tener un precio muy superior a sus competidores que al sumar el coste de la antena hace que sea una opción poco asequible. 2.7 Tipos de interferencias y errores Una interferencia es una perturbación que afecta a la precisión, fiabilidad y calidad de la señal que recibe la antena del receptor del sistema GNSS, constituyen uno de los grandes problemas de un sistema GNSS, pueden provocarse por diferentes factores y pueden afectar ya sea a la señal del propio sistema o a la precisión en el posicionamiento. Los principales factores que pueden provocar o favorecer las interferencias son: 1. Obstáculos físicos: Los obstáculos físicos como montañas, edificios o arboles pueden afectar muy significativamente a la recepción de la señal y la precisión en las coordenadas. Estos obstáculos son capaces de reflejar, dispersar o incluso bloquear las señales transmitidas por los satélites y por tanto generar grandes errores en el posicionamiento del robot provocando el fenómeno llamado como difracción en el cual las ondas al encontrar un obstáculo cambian de dirección o se dispersan y por tanto generarían múltiples señales que al llegar al receptor a diferentes tiempos y desde diferentes direcciones ocasionarían errores. Pág. 38 Memoria Para minimizar estos efectos siempre se ha de instalar la antena GNSS en una posición donde se cuente el mayor tiempo posible con una vista clara del cielo y se reduzca esa obstrucción debida objetos físicos a su vez gracias al uso de receptores RTK como es nuestro caso se reciben correcciones que contrastan la señal recibida y mejoran la precisión. 2. Interferencias de Radiofrecuencia (RF) y electromagnéticas (EM): Se trata de ondas electromagnéticas de radio que interfieren en las señales que los satélites GNSS transmiten, estas pueden ser causadas por dispositivos móviles u otros dispositivos electrónicos y antenas de transmisión entre otros. Estas interferencias al ser ondas actúan a una o varias frecuencias las cuales pueden perturbar nuestra señal GNSS, es por eso por lo que desde el principio se escogió una antena multibanda para que pueda operar a varias frecuencias y poder trabajar con la constelación que menos interferencias contemple en cada momento, a su vez el sistema cuenta con componentes destinados al filtrado de señales para poder filtrar las interferencias y escoger la frecuencia adecuada. Otro punto para tener en cuenta es que en nuestro sistema contaremos con dos antenas GPR (Ground Penetrating Radar) con la cual se pretende medir las propiedades de los materiales que constituyen el suelo, estas antenas funcionan a una frecuencia alta, una de ellas a 500MHz y otra a 800MHz por lo que no deberían causar interferencias con nuestro sistema teniendo en cuenta las frecuencias de las diferentes constelaciones enunciadas más arriba. A la hora de integrar ambos sistemas se ha decidido instalarlos lo más lejos posible dentro del robot para evitar posibles interferencias 3. Condiciones Meteorológicas: La señal transmitida por los satélites es susceptible a la reflexión, dispersión y atenuación debido a que se transmite por el espacio, es por eso por lo que un tiempo soleado o nublado puede afectar a la calidad de la señal recibida. Pero en nuestro caso el robot tendrá fines agrícolas por lo que el sistema debe minimizar la dependencia del clima para operar de la manera más eficiente posible sin depender de si el día es nublado o soleado, es por eso por lo que se utilizan receptores RTK para que al recibir las correcciones que el sistema NTRIP nos proporciona por conexión wifi estas interferencias se vean reducidas lo máximo posible. 4. Interferencias debidas al movimiento o vibraciones: cuando el robot se desplace por el terreno debemos contar con que este será irregular y por lo tanto presentará vibraciones lo que podría ocasionar interferencias como por ejemplo desplazamientos de fase. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 39 A la velocidad que va el robot de algo más de 5 m/s se puede dar pie a efectos como el efecto Doppler, el cual se produce cuando hay un movimiento relativo entre una fuente de ondas y el observador o receptor de estas, cuando el receptor GNSS se mueve en la dirección del satélite la frecuencia de la señal aumenta y cuando se aleja disminuye esta diferencia se puede utilizar para calcular la velocidad y de esa manera ajustar la velocidad según la calidad de señal. 5. Interferencias debidas a la atmosfera: La atmósfera terrestre puede distorsionar la señal debido a fenómenos como la refracción o la absorción de la señal ya que se tratan de ondas electromagnéticas, pero gracias a las correcciones RTK y el uso de múltiples frecuencias estas interferencias se ven muy reducidas. 6. Dilución de la posición (DOP): También es conocido como Dilución geométrica de precisión (GDOP), es una medida que expresa el efecto de la geometría de los satélites sobre el error de posición, en el próximo punto se entrará más en detalle sobre esta medida, lo que supone y como reducirla. 2.8. Dilución de la posición (DOP) Como se ha anunciado anteriormente esta medida depende de la geometría de los satélites. Imaginemos cuatro satélites (el mínimo para tomar medidas con un receptor GNSS) dispuestos en el espacio, donde de cada uno sale un vector al punto donde estuviera nuestro receptor formando así una pirámide cuadrada. Cuanta más separación haya entre los satélites, mejor será la medida del DOP es decir más próxima a cero. Figura 17: Imagen de la afectación de la arquitectura satelital al DOP; Fuente: [27] Pág. 40 Memoria Lo que podemos observar en las imágenes es el efecto de la distribución de los satélites sobre el error de la dilución de la posición, cuando los satélites están bien distribuidos la posición del receptor se puede determinar dentro del área sombreada donde en el caso de una distribución más compacta el área es más grande por lo que la incertidumbre a la hora de determinar la posición será mayor, dando a un DOP mayor y por tanto una precisión peor. Valor DOP Clasificació n Descripción <1 Optima Constituye el nivel de confianza más alto, se exige en proyectos con la mayor precisión posible 1 a 2 Excelente Nivel de confianza alto, pero podría dar algún error en operaciones muy sensibles 2 a 5 Bien Nivel que marca el mínimo para tomar decisiones, dando una medida fiable, pero con error creciente 5 a 10 Moderada Errores en la precisión comienzan a ser significativos, debido posiblemente a la poca visibilidad de señales 10 a 20 Justa Expresa un nivel de confianza bajo donde las medidas de posición deberían descartarse >20 Pobre Mediciones totalmente inexactas Tabla 3: Valores de DOP, clasificación y descripción; Fuente: Propia. Dependiendo de la dimensión podemos calcular diferentes tipos de dilución de la precisión: VDOP: De las siglas en ingles Vertical Dilution of Precision, hace referencia a la dilución vertical de la precisión, proporciona una medida de la dispersión de la precisión al determinar la altitud. HDOP: De las siglas Horizontal Dilution of Precisión, proporciona una medida del error o la dispersión en la precisión en la dirección horizontal. PDOP: De las siglas en ingles Position Dilution of Precision, proporciona la medida de la dispersión de la precisión en 3D, indicando la relación de la desviación típica de las coordenadas x, y, z. TDOP: De las siglas en ingles Time Dilution of Precision, indica el efecto del offset del sistema a la precisión. GDOP: De las siglas en ingles Geometry Dilution of Position, proporciona la degradación de la precisión en la posición en 3D y en el tiempo. Es el valor de DOP más útil ya que engloba todos los otros factores, aunque hay algunos receptores como se verá más adelante que calculan el HDOP o el PDOP. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 41 Para poder reducir el DOP, para así obtener unas medidas con la mejor precisión posible, la manera más eficiente es conseguir observar el máximo de satélites que nos sea posible intentando obstaculizar el rango de visualización de la antena lo mínimo posible. Cuantos menos obstáculos existan, ya sean edificios, arboles, interferencias y más espacio de cielo abierto podamos observar menor será el valor del DOP y mejor precisión se obtendrá. Este trabajo se centrará en el análisis del PDOP ya que es el más interesante del conjunto de posibilidades y proporciona un indicador del error en la posición en un sistema tridimensional, por otra parte, se tomará como valido como máximo un PDOP de 4 para estar dentro de los parámetros de la tabla, pero sin llegar al límite de 5 siendo 4 el límite. 2.8.1 Cálculo de DOP La geometría relativa del receptor de satélite juega un papel importante en la determinación de la precisión de las posiciones y tiempos estimados. Debido a la geometría del sistema de satélites visibles desde el receptor, la precisión en la pseudodistancia del satélite se traduce en un componente correspondiente en cada una de las cuatro dimensiones de posición medidas por el receptor o x,y,z,t. Para calcular el DOP, primero consideraremos las coordenadas de nuestro receptor como 𝑥, 𝑦,𝑧 y las coordenadas de un satélite 𝑥𝑖, 𝑦𝑖,𝑧𝑖 calculamos los vectores unitarios del receptor al satélite: (𝑥𝑖−𝑥 𝑅𝑖,𝑦𝑖−𝑦 𝑅𝑖,𝑧𝑖−𝑧 𝑅𝑖) Donde 𝑅𝑖=(√(𝑥𝑖−𝑥)2+(𝑦𝑖−𝑦)2+(𝑦𝑖−𝑦)2) Podemos, entonces crear la siguiente matriz normal de mínimos cuadrados: 𝐻=[(𝑥1−𝑥)/𝑅1(𝑦1−𝑦)/𝑅1(𝑧1−𝑧)/𝑅1−1 (𝑥2−𝑥)/𝑅2(𝑦2−𝑦)/𝑅2(𝑧2−𝑧)/𝑅2−1 (𝑥3−𝑥)/𝑅3(𝑦3−𝑦)/𝑅3(𝑧3−𝑧)/𝑅3−1 (𝑥4−𝑥)/𝑅4(𝑦4−𝑦)/𝑅4(𝑧4−𝑧)/𝑅4−1] Los primeros 3 términos de cada fila de la matriz son los componentes de un vector unitario que va desde el receptor hasta el satélite indicado y en último elemento de cada fila el cual siempre es -1 equivale a la derivada parcial del sesgo de reloj del receptor de pseudodistancia. Pág. 48 Memoria Posteriormente analizando las dimensiones del RutX11 se ha visto que se deben conectar unas 2 antenas wifi y 2 móviles las cuales no podrían integrarse en el robot ya que las dimensiones excederían las de la carcasa, por tanto, tomando los grandes errores en la precisión, sus dimensiones y la imposibilidad de conectar las antenas wifi dentro del robot, se decidió no utilizar este componente. Hemos podido observar que las características del ZED-F9P y el Emlid M2 son muy similares y de manera teórica no se podría descartar un componente u otro solo por el precio de estos, de esta manera se ha decidido adquirir ambos componentes y tomar mediadas con ambos para ver cuál sería el más indicado para usarlo en el sistema. Por tanto, el coste total de los dos sistemas GNSS teniendo en cuenta él envió a el CDEI-UPC, el IVA, las antenas GNSS y ambos módulos de receptores (Emlid y Ublox) es de 1352.95€. 5. Metodología 5.1 Tipos de levantamientos Un levantamiento es el término utilizado para referirse a las mediciones realizadas con un sistema GNSS o de topografía, se clasifican en cuatro tipos. 5.1.1 Estático La finalidad de este método es la medición de líneas base de grandes dimensiones el cual consiste en colocar un receptor GNSS en un punto fijo conocido que haría la función de base, durante un período de tiempo prolongado de como mínimo una hora por norma general el cual dependerá de la longitud de la línea a medir los satélites observados y la geometría, y otro receptor en otro extremo el cual sería el receptor móvil o Rover. Durante ese tiempo los dos receptores registran los datos de las señales satelitales de forma simultánea con la misma frecuencia en el sistema de coordenadas WGS84. Se utiliza comúnmente para la realización de mediciones de alta precisión para aplicaciones geodésicas, como el monitoreo de terremotos, el mapeo de grandes áreas y el control de calidad en la construcción. 5.1.2 Estático rápido Este método consiste en seleccionar un punto de referencia y uno o más móviles que operan con relación a él. Este método generalmente se utiliza para aumentar la densidad de redes existentes o establecer el control sobre ellas. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 49 Para llevar a cabo el trabajo, primero se deben observar varios puntos cuyas coordenadas sean precisas en el sistema de coordenadas locales, si no se ha realizado ningún levantamiento con GPS, como mínimo se deberán definir cuatro puntos en el perímetro del área de interés para que la transformación calculada sea válida para el área incluida entre esos puntos. El receptor de referencia se coloca generalmente en un punto conocido y se incluye en los cálculos de los parámetros de transformación. Si no se conoce ningún punto, puede ser ubicado en cualquier lugar de la red. Luego, los receptores móviles se colocan en cada punto conocido. El tiempo dependerá de la longitud de la línea base desde la referencia y del GDOP. Finalmente, los datos se registran y se procesan para obtener unas medidas precisas de las líneas. 5.1.3 Cinemático Consiste en que el receptor móvil o Rover se desplaza a través de un área y registra las señales de los satélites GNSS en tiempo real. El procesamiento de las mediciones se realiza en tiempo real donde la posición se calcula en relación con la de referencia. Se requiere de un preproceso donde el sistema calcula las ambigüedades iniciales antes de comenzar para reducir los errores que se puedan ocasionar, en este preproceso se debe activar el sistema y dejar el rover en una posición fija durante un tiempo entre 5 a 20 minutos, una vez completado ese proceso el sistema ya está listo y el Rover ya puede comenzar el desplazamiento y por tanto se inicia el levantamiento. El levantamiento cinemático se utiliza comúnmente en aplicaciones como el levantamiento topográfico en movimiento, el monitoreo de flotas y la navegación en vehículos autónomos. 5.1.4 RTK Este método se conoce como Real Time Kinematic o Cinemático en Tiempo Real es una técnica de posicionamiento de alta precisión que se utiliza en aplicaciones que requieren mediciones precisas en tiempo real, como en la construcción de infraestructuras, la minería, la topografía, la agricultura de precisión y otras aplicaciones similares. En un levantamiento RTK, se utilizan dos receptores GPS, uno en una posición conocida y otro en una posición desconocida que se desea medir. Ambos receptores están equipados normalmente con una conexión de radio que permite la transmisión en tiempo real de las correcciones de la señal desde la estación de referencia a la estación móvil, Pág. 50 Memoria pero en nuestro caso se utilizara una conexión Wifi para esta transmisión de correcciones mediante el protocolo NTRIP. El receptor móvil recibe las señales transmitidas por las estaciones base y los datos de los satélites, estos dos conjuntos de datos se procesan en el receptor móvil para resolver las ambigüedades y así obtener una posición muy precisa de alrededor de 1 a 5 centímetros, los resultados se pueden visualizar en tiempo real en un portátil u otro dispositivo móvil, lo que permite al usuario tomar decisiones inmediatas basadas en las mediciones. Es importante mantener la conexión Wifi para así no perder la conexión con la base ya que si se perdiera se dejaría de recibir los datos de las correcciones y por tanto las medidas reducirían su precisión muy notablemente. Para la conexión a NTRIP se solicitará la IP, el puerto, el usuario, la contraseña y el punto de montaje que es el equivalente a el formato de las correcciones: IP / URL del Instituto Geográfico nacional 192.148.213.42 Puerto 2101 Usuario / mail del registro La indicada al registrarse Contraseña del registro La indicada al registrarse Tabla 5: Tabla con información general de un servicio NTRIP; Fuente: [12] En el caso de los levantamientos la ventana dentro de la interfaz para configurar el servicio NTRIP sería el siguiente: Otro punto para tener en cuenta durante el levantamiento RTK será el estado de la solución el cual nos indicara si se reciben correcciones o no y podemos entender rápidamente dependiendo de la solución la precisión que podemos obtener, existen 3 tipos de solución: 1. SINGLE: Esta solución indica que el receptor ha encontrado una solución a las ambigüedades, pero basándose en su propia posición sin recibir correcciones, la precisión en este modo es suele ser de aproximadamente 1 o 2 metros. Figura 24: Solicitud de conexión a el protocolo NTRIP desde una interfaz GNSS; Fuente: Propia Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 51 2. FLOAT: Esta solución nos indica que el receptor recibe correcciones, pero no es capaz de resolver todas las ambigüedades, proporcionando una precisión submétrica, pero sin llegar a alcanzar una precisión de 1 o 2 centímetros. 3. FIX: Esta solución significa que el Rover utilizando las correcciones de la base, en este caso mediante NTRIP, es capaz de resolver las ambigüedades en su cálculo posicional y alcanza una precisión aproximadamente 1 centímetro. 5.2 Conexión de los sistemas Este apartado consiste en una breve explicación de cómo se procedió antes de iniciar los levantamientos, en los Anexos 1 y 2 se puede consultar información más detallada de ambas conexiones. • Sistema Emlid Reach M2 En el caso del sistema Emlid la fuente de energía es una batería, capaz de proporcionar voltaje a 5V, lo necesario según las especificaciones del producto. Se conectará la antena mediante un cable y la batería mediante un cable micro USB. Una vez conectados todos los componentes deberemos emparejar el sistema mediante conexión Wifi, en el caso de los levantamientos se usará la conexión Wifi de un smartphone para recibir correcciones mediante el protocolo NTRIP. Antes de comenzar el levantamiento se puede observar si el sistema obtiene solución FIX de manera automática o necesita tiempo para resolver las ambigüedades, de todos modos, en el caso del sistema Emlid la mayoría de las veces es posible comenzar el levantamiento directamente habiendo obtenido una solución FIX. Teniendo el sistema conectado y emparejado podremos iniciar los levantamientos desde la app Emlid Flow para smartphone, en la pestaña “Levantamiento”. Estos levantamientos se realizarán caminando a un paso rápido aproximadamente de 5km/h para simular la velocidad a la que el robot trabajará. • Sistema Ublox ZED-F9P En el sistema Ublox la fuente de potencia será el propio ordenador ya que el software utilizado únicamente está disponible en ese dispositivo, la antena se conectará de la misma manera que en el sistema Emlid, es decir, por cable y se conectara al ordenador mediante un cable micro USB. Pág. 52 Memoria El ordenador deberá estar conectado a internet para poder recibir las correcciones la manera más sencilla es compartir la conexión móvil de un smartphone. Una vez conectado el sistema, se inicia el software proporcionado por la marca Ublox, llamado Ucenter donde se puede observar si el protocolo NTRIP funciona correctamente y por tanto al igual que el sistema Emlid si es capaz de obtener una solución FIX en el caso de no ser así, una buena práctica es mantener el sistema en reposo para observar si es capaz de resolver todas las ambigüedades. 5.3 Softwares utilizados 5.3.1 Software del sistema Emlid El sistema Emlid M2 cuenta con un software propio el cual se puede utilizar desde un smartphone o un ordenador para recopilar los datos recibidos por el receptor y nos permite visualizar un mapa de los puntos de posición que vamos tomando, a su vez nos permite visualizar el número de satélites que la antena es capaz de captar, datos sobre las correcciones y el tipo de solución (FIX, FLOAT, SINGLE) Este software se llama Emlid Flow, para comenzar a usarlo se deben seguir una serie de puntos los cuales están explicados en el Anexo 1, en caso de que alguien en un futuro ya sea de la UPC o del CDEI-UPC quiera utilizar este sistema pueda comenzar a utilizarlo de una manera rápida y sencilla. Una vez conectamos nuestro receptor mediante wifi comenzaremos a recibir correcciones mediante el uso de NTRIP y obtendremos una imagen parecida a la siguiente: Figura 25: Interfaz del sistema Emlid; Fuente: Propia Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 53 La imagen 25, muestra una gran cantidad de información, podemos rápidamente ver el número de satélites y por los colores la intensidad de la señal de cada uno, el error de dilución de la posición (PDOP) la solución obtenida, las coordenadas de la posición del receptor y la precisión para cada coordenada Este, Norte y elevación. La imagen de la derecha muestra información de las correcciones recibidas lo que indicará que el protocolo NTRIP se está comunicando correctamente y por tanto el estatus de la solución de nuestro receptor deberá ser FIX. Para tomar medidas lo haremos desde la pestaña “Levantamiento” donde podremos comenzar a marcar los puntos que deseemos, una vez acabado el levantamiento se exportan los datos en formato CSV para analizarlos posteriormente mediante Excel o Power Bi. 5.3.2 Software del sistema Ublox La marca Ublox también cuenta con un software propio llamado Ucenter, el cual únicamente es posible utilizar en un ordenador. Este software es menos intuitivo que el proporcionado por Emlid, pero por otro lado es posible visualizar un mayor número de datos diferentes como el VDOP o el TDOP los cuales no podemos visualizar en el caso del Emlid, es posible visualizar la precisión por coordenadas como el Emlid, es decir, Norte, Este y Elevación, pero también precisión horizontal y vertical ya que el software aplica los cálculos comentados anteriormente. Al ser un software menos intuitivo se debe tener conocimientos sobre los sistemas GNSS, como realizar una conexión con el protocolo NTRIP y lo más importante saber comprender los datos de los mensajes NMEA para extraer la información que realmente nos interesan. Figura 26: Flujo de Trabajo para analizar los datos proporcionados por los sistemas GNSS; Fuente: Propia Pág. 54 Memoria Figura 27: Interfaz Ucenter inicial, del sistema Ublox; Fuente: Propia La imagen superior muestra la interfaz de Ucenter, donde seleccionando los iconos marcados con un recuadro rojo podemos editar la información que queremos visualizar, para poder obtener datos de los satélites o de la precisión de una manera más eficiente e interactiva. Figura 28: Interfaz de Ucenter después de habilitar mensajes con las vistas de satélites; Fuente: Propia En la imagen podemos observar la interfaz del software de Ublox la cual se ha editado para que muestre la información que nos interesa: • En la zona de la izquierda se pueden ver los satélites que es capaz de captar la antena multi-constelación donde las señales de color verde serian de buena calidad mientras que las azules son de calidad peor y las rojas indican que son de mala calidad. También podemos observar el país de procedencia de cada satélite indicando si son satélites de constelación GPS, Glonass, Galileo o Beidou. • La zona central muestra, en la ventana superior, un resumen de los datos en tiempo real que irán variando al tomar cada punto de posición. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 55 Donde podemos ver desde la longitud y la latitud hasta que tipo de solución es o el error de la dilución. • La zona de la derecha muestra los mensajes NMEA en tiempo real que nuestro receptor nos proporciona para cada punto de medida y de los cuales podemos extraer la información de la precisión, longitud y latitud, errores o el número de satélites visualizados Inicialmente los mensajes en formato NMEA que proporciona el sistema no incluyen toda la información que nos interesa ya que no proporciona datos en forma de mensaje sobre la precisión por coordenadas o horizontal y vertical. Es por eso que se deberán habilitar una serie de mensajes en la pestaña de vista y clicando en la opción “Messages View’’, desde ahí podremos escoger el tipo de mensaje que queremos que el receptor transmita clicando botón derecho y habilitando el envío de esa información. Figura 29: Contenido del mensaje PUBX00; Fuente: Propia Habilitando el mensaje PUBX00 obtendremos la información que se indica en la ventana situada a la derecha como la precisión horizontal y vertical y los errores de dilución. Una vez que comencemos a obtener esa información podremos comparar los datos recibidos por el sistema Emlid y el sistema Ublox. Una vez obtenidos los datos con el uso de la interfaz de Ucenter se exportarán los datos en formato CSV para poder analizarlos mediante fórmulas y graficas de Excel y Power Bi. 6. Análisis de los datos obtenidos Se realizarán levantamientos RTK con los componentes para analizar cómo se comportan en diferentes situaciones. Pág. 56 Memoria Una vez seleccionados los dos componentes, el siguiente paso será evaluar el funcionamiento de ambos bajo situaciones que pongan a prueba la precisión que proporcionen bajo el efecto de diferentes interferencias comparándolas con casos sin interferencias. • Análisis de la importancia del uso de NTRIP en ambos sistemas • Análisis con cielo abierto y sin interferencias • Análisis en presencia de antenas cercanas • Análisis en presencia de edificios acristalados • Análisis bajo arboles 6.1 Análisis de la importancia del uso de NTRIP Se analizará la precisión horizontal o 2D y la vertical, en ambos sistemas para verificar que en el caso de usar el protocolo NTRIP la precisión mejorará significativamente hasta 1 centímetro. Figura 30: Gráfica de barras con comparativa del uso del protocolo NTRIP; Fuente: Propia Tipo de Sistema Max. Error Precisión (cm) Min. Error Precisión (cm) Emblid M2 CON NTRIP 8,20 1,00 SIN NTRIP 110,00 69,35 Ublox ZED-F9P CON NTRIP 76,00 1,00 SIN NTRIP 200,00 120,00 Tabla 6: Tabla comparativa del uso de NTRIP para el sistema Ublox y Emlid; Fuente: Propia Tanto en la figura 29 como en la tabla 6 se puede observar como para ambos sistemas el uso de NTRIP consigue disminuir notablemente el error de la precisión tanto para la precisión vertical como la horizontal. Llegando en ambos sistemas a proporcionar una precisión horizontal y vertical de 1 centímetro mediante el uso del protocolo NTRIP. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 57 Se puede ver claramente la importancia del uso del protocolo NTRIP para proporcionar las correcciones necesarias al receptor y así mejorar de manera muy significativa la precisión. En caso de no utilizar el sistema NTRIP sería necesario el uso de una base fija para poder recibir correcciones y así llegar a el objetivo propuesto en el trabajo de adquirir una precisión de 1 centímetro y proporcionar el posicionamiento necesario para la arquitectura de precisión. Mediante el uso del protocolo NTRIP es posible reducir el coste del proyecto en aproximadamente 1000€ en el caso del sistema Emlid, obligando por otra parte a el uso de WiFi para la conexión entre el receptor y el protocolo. 6.2 Zona con cielo abierto y sin interferencias Para esta prueba se ha seleccionado la azotea de un edificio donde no existen interferencias a su alrededor ya que el resto de los edificios colindantes tienen una altura menor y de esa manera evaluar en que punto obtiene la solución fija cada uno de los componentes y si la precisión proporcionada es de 1 centímetro o es mayor. Figura 31: Gráfica de líneas, comparación entre sistema Ublox y Emlid en una zona sin interferencias; Fuente: Propia El sistema Ublox tarda mucho más tiempo en adquirir la solución FIX en la cual se obtiene la mejor precisión debido al uso de correcciones mediante el sistema NTRIP y una buena visibilidad de los satélites. El sistema Emlid una vez adquirida la solución Fija mantiene una precisión aproximada de 1 centímetro mientras que el sistema Ublox pasa por los tres tipos de soluciones antes de llegar a la Fija. Pág. 64 Memoria Se puede apreciar también que el máximo en el caso del Emlid sería para la elevación siendo en un punto en concreto de 4,4 centímetros mientras que para el sistema Ublox sería de 72,28 centímetros, siendo un valor totalmente inaceptable para el posicionamiento del robot en un cultivo ya que una desviación en la posición de más de medio metro supondría destruir líneas del cultivo en cuestión. 6.5 Análisis de sistema en una zona con edificios acristalados Los edificios de cristal pueden hacer rebotar las señales y de esa manera hacer que la señal recibida sea de peor calidad y por tanto la precisión proporcionada sea peor, en este levantamiento se analizara como afecta a los sistemas el hecho de estar rodeado de edificios acristalados y si el PDOP aumentará debido a esta interferencia. En la anterior gráfica podemos ver como los sistemas se comportan de una manera muy parecida a cuando el sistema se encuentra a cielo abierto sin interferencias pero en ambos casos hay un poco más de variabilidad en las medidas, vemos como el sistema Ublox tarda más que el sistema Emlid en adquirir la solución Fix y proporcionar una precisión de centímetros pero también se observa como las medidas del Emlid varían un poco más que a cielo abierto sin interferencias pudiendo observar unos pequeños picos. En cuanto a los valores del PDOP, observando los datos de la precisión podríamos prever que fuera más elevado que en el caso sin interferencias debido a el error introducido por los edificios. Figura 41: Gráfica de líneas de la precisión RMS para ambos sistemas en una zona con edificios acristalados; Fuente: Propia Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 65 Figura 42: Gráfica de puntos del PDOP de ambos sistemas en una zona con edificios acristalados; Fuente: Propia Cumpliendo con lo analizado anteriormente, el PDOP es claramente superior al obtenido en el caso sin interferencias y a su vez es mucho más variable que en el resto de los casos ya que anteriormente se observaba un PDOP cercano y prácticamente constante alrededor de 2 pero en este caso el PDOP oscila de manera clara. Se puede observar como el PDOP es mayor y varia más para el sistema Emlid por tanto podemos determinar que todo y que obtiene mejores resultados en cuanto a la precisión, este sistema es más sensible a las interferencias provocadas por los edificios. De todas maneras, todo y que hay valores que se acercan al PDOP límite impuesto en el trabajo de 4 podemos tomar como validas estas medidas. Podemos concluir que en el caso de interferencias provocadas por edificios acristalados el sistema Emlid es más sensible dando peores valores de PDOP, pero aun así aceptables y proporcionando una precisión mucho mejor que en el caso del sistema Ublox. Tabla 8: datos de precisión y PDOP para los sistemas Emlid y Ublox en presencia de interferencias por edificios acristalados; Fuente: Propia Tipo sistem a Max. Precisión RMS (cm) Min. Precisión RMS (cm) Promedio precisión (cm) Max. PDO P Min. PDO P Promedi o PDOP Emlid M2 4,20 1,00 2,01 3,80 2,70 3,26 Ublox ZEDF9P 56,5 1,00 10,06 3,30 2,30 2,69 Pág. 66 Memoria 6.6 Análisis con interferencias producidas por arboles Una de las interferencias que puede provocar más desviaciones en las medidas tomadas por los sistemas GNSS son los árboles ya que al tomar medidas debajo de ellos, a diferencia de los edificios, cubren completamente el cielo provocando que la antena no sea capaz de captar las señales de la misma manera como si se realizase un levantamiento a cielo abierto. En este levantamiento se tomarán medidas dentro de un bosque en el cual al inicio el cielo era parcialmente visible y mientas avanzamos nos adentramos cada vez más dentro del bosque. Figura 44: Gráfica del promedio de la precisión RMS dentro de un bosque; Fuente: Propia En la figura 42 se puede observar cómo al inicio del levantamiento al haber contar con visibilidad del cielo abierto el sistema Emlid es capaz de proporcionar mejores medidas de precisión mientras que el sistema Ublox se ve afectado muy significativamente por los árboles colindantes y proporciona un error en la precisión muy superior. A medida que avanzamos en el bosque los árboles cubren más la visión de la antena lo que se traduce a un empeoramiento de la precisión para ambos sistemas siendo para el Emlid mucho más pronunciado. Figura 43: Imagen de árboles dentro del bosque donde se realiza el levantamiento; Fuente: Propia Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 67 Podemos observar en la gráfica de la figura 42 como el sistema Emlid, aunque aumenta mucho su error se mantiene prácticamente en todos los puntos con un error en la precisión inferior a los puntos del sistema Ublox y consigue corregir los datos pasado el pico de error, donde la densidad de árboles se reduce brevemente, pero la antena sigue sin ser capaz de conseguir el estatus de la solución Fix y por tanto la precisión se encuentra en un rango de 10 a 30 centímetros. Figura 45: Gráfica de barras del promedio de precisión RMS por el tipo de solución; Fuente: Propia En esta grafica se puede ver como para el sistema Ublox el estatus de la solución siempre es Single mientras que para el sistema Emlid el estatus varía alcanzando el Fix únicamente al inicio de las medidas y variando de estatus durante el tramo dentro del bosque. Se puede observar también que, aunque ambos sistemas se encuentren en estado Single el Emlid proporciona un error promedio menor en comparación con el Ublox. En cuanto al PDOP en la siguiente imagen podemos ver como se ve levemente afectado, pero no varía de una manera tan significativa como en el caso de las interferencias provocadas por los edificios acristalados ya que se mantiene cercano un valor de 2 mientras que en algunos casos se aproxima a 3 pero para ambos sistemas el PDOP es muy similar. Pág. 68 Memoria Figura 46: Gráfica de puntos del PDOP en una zona con árboles; Fuente: Propia 6.7 Conclusión de los levantamientos Una vez obtenidos todos los datos y teniendo en cuenta la afectación de cada tipo de interferencia a cada sistema se puede observar cómo claramente el sistema Emlid es superior en diferentes aspectos respecto a el sistema Ublox. Tipo de sistema Tipo de Solución Porcentaje de obtención de solución Ublox ZED-F9P FIX 36,92% FLOAT 45,29% SINGLE 17,80% Emlid M2 FIX 81,62% FLOAT 15,01% SINGLE 3,37% Tabla 9: Comparación de las soluciones para cada sistema en todos los levantamientos; Fuente: Propia • En la tabla 9 se observa como el sistema Emlid obtiene el estatus de solución FIX en el 81,62% de los puntos de medida evaluados en el total de los levantamientos anteriores, mientras que el sistema Ublox únicamente lo obtiene en el 36,92% de los puntos siendo mayor el porcentaje de la solución FLOAT. El sistema Emlid es capaz de obtener una solución FIX en movimiento o en una posición FIX en un tiempo significativamente inferior al sistema Ublox, ya que en las diferentes pruebas se observa cómo o es prácticamente instantáneo o el primer punto de medida se encuentra en solución Flotante y posteriormente obtiene la solución FIX. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 69 Figura 47: Gráfico de barras comparativo del promedio de la precisión para cada sistema y cada levantamiento; Fuente: Propia • En comparación con el sistema Emlid, el sistema Ublox proporciona un error en la precisión superior pudiendo en algunos casos no llegar a obtener una precisión de 1 centímetro durante todo el levantamiento, y como se observa en la figura 46 el sistema proporciona un promedio de precisión superior a la unidad en todos los casos. • Como se observa en la figura 46, el tipo de interferencia que más afecta a ambos sistemas es la presencia de árboles, dificultando el paso de la señal y aumentando el error en la posición, por lo que, una vez desarrollado el proyecto, se deberá tener en cuenta donde se realiza el levantamiento y ser conscientes que en los puntos cubiertos por arboles las medidas tendrán una variabilidad mayor. • Una vez en solución FIX el sistema Ublox es más sensible a los cambios, lo que se traduce en cambiar a solución FLOAT o SINGLE y aumentar significativamente el error en la precisión. Pág. 70 Memoria Figura 48: Gráfico de barras comparando el PDOP para cada sistema y cada levantamiento; Fuente: Propia • El PDOP se ve claramente afectado cuando el sistema Emlid se encuentra situado en una zona con edificios, pero se considera aceptable dentro del rango marcado al inicio del proyecto al ser inferior a 4. También se observa una notable diferencia con respecto al resto de levantamientos, el caso del levantamiento dentro de una zona con árboles, en la cual se observa un promedio de PDOP cercano a 3. Enunciados los puntos podemos concluir que, aunque ambos sistemas son capaces de proporcionar una precisión de aproximadamente 1 centímetro, el sistema Emlid M2 supera con creces a su competidor ya que proporciona mayor estabilidad en la señal, mayor precisión y menor dificultad cuando se trabaja en un terreno con interferencias. Uno de los puntos del proyecto consistía en reducir los costes del sistema utilizado pero una vez mostrados los resultados a los responsables del diseño del robot AgroMOBY se concluyó que el precio era aceptable para conseguir los objetivos propuestos. 7. Integración del sistema con ROS Una vez entendido que es un sistema GNSS, cómo funciona y sus limitaciones, para hacer un uso real del sistema dentro del robot hará falta integrarlo con el resto de los sistemas. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 71 Uno de los objetivos del proyecto es que todos los sistemas que incluye el robot AgroMOBY deben comunicar los datos mediante ROS (Robotic Operating System) el cual es una colección de frameworks para el desarrollo de software de robots el cual puede proporcionar funcionalidades tales como control de dispositivos de bajo nivel. La implementación de funciones que puedan usar comúnmente diferentes sistemas de una manera sincronizada, el envío de mensajes entre procesos y el mantenimiento de paquetes. Una de las características de este sistema operativo es la reutilización de software ya que incluye gran cantidad de paquetes y bibliotecas las cuales están a nuestro alcance para su uso y de esa manera no tener que escribir el código desde cero, sino que utilizar el ya existente para cumplir los objetivos propuestos. Dentro de la gran cantidad de paquetes y bibliotecas, como la finalidad de utilizar ROS es la comunicación, se utilizarán Drivers de ROS los cuales son componentes de software que actúan como intermediarios para facilitar la interacción entre el software de control y el sistema GNSS. Estos nos proporcionaran una interfaz básica para poder recibir los datos del sistema GNSS y observar el comportamiento de este. La finalidad del software de ROS será extraer la matriz de covarianza de los datos proporcionados por los sistemas GNSS la cual se ha mostrado anteriormente en el cálculo del DOP, una vez obtenida esta matriz el software del robot realizara una comparación con las matrices obtenidas con el LIDAR y los IMUS integrados en el robot y escogerá la que proporcione mejores datos de error (los más cercanos a cero) y precisión para posicionarse. Cabe recalcar que este apartado no consiste en crear el código, sino que en estudiar si la integración mediante ROS sería posible y si la extracción de esas matrices sería viable para el software y los posteriores programas que comparen las diferentes matrices serán desarrolladas por el equipo del CDEI-UPC. Pág. 72 Memoria 7.1 Integración sistema UBLOX La integración del sistema Ublox se hará mediante el uso de un driver de ROS proporcionado por la empresa Ardusimple, la cual comercializa los productos de UBLOX. Este driver es gratuito y se puede obtener con un link de GitHub (https://github.com/KumarRobotics/ublox). Una vez descargado el driver, se inicializa el software y comienza la entrada de señales procedentes del receptor, observamos un problema ya que los mensajes únicamente muestran datos de la longitud, latitud y una matriz de covarianza diagonalizada. Al integrar el sistema con ROS se pretende utilizar esa interfaz para configurar el hardware y así obtener los datos que puedan aportarnos información útil del comportamiento del robot, por tanto, deberemos reconfigurar el hardware para que los mensajes enviados por el receptor a través de un cable muestren información de precisión Vertical, precisión horizontal, HDOP, VDOP, Numero de satélites, Tipo de solución y matriz de covarianza no diagonal para así poder comprobar que los cálculos del HDOP y VDOP son correctos. Inicialmente el receptor enviaba mediante mensajes NMEA información de la longitud, la latitud, la hora en que se toman las medidas, los satélites captados y el tipo de solución, para configurar el hardware se hará uso del software Ucenter, una interfaz para visualizar la información recibida por el receptor, se habilitaron nuevos mensajes en formato NMEA ya que es el formato por defecto que usa el receptor para la transmisión de los datos, mediante el uso del driver de ROS los transformaremos para que el robot sea capaz de interpretarlos y hacer uso de la información que contienen. Figura 49: Imagen de los logos de la marca Ublox y del Framework ROS; Fuente: [21] i [44] Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 73 Dentro de la aplicación se habilitaron los mensajes: • UBX-NAV-COV: Al habilitar este mensaje el receptor transmitirá la matriz de covarianza sin los cálculos realizados es decir en el formato inicial para que podamos observar el cálculo de la dilución en la posición. Figura 50: Imagen del mensaje UBX-NAV-COV mostrando las matrices de covarianza en Ucenter; Fuente: Propia • NMEA-PUBX-00: Al habilitar este mensaje podremos observar la precisión 2D es decir la precisión que obtendremos cuando la solución no sea Fija y por tanto las medidas de precisión sean algo más elevadas. Figura 51: Imagen de la habilitación del mensaje PUBX00 en Ucenter; Fuente: Propia • 3D Accuracy Position: Al habilitar este mensaje podremos observar la precisión cuando el sistema trabaje sobre una solución Fija con correcciones y aportando la mejor precisión posible • NMEA-PUBX-03: Al habilitarlo nos proporcionara el número de satélites visualizados por la antena en cada punto de medición en tiempo real. Pág. 80 Memoria Se considera que los precios promedio de un ordenador y un smartphone gama media son 600 y 300 euros respectivamente y que el sueldo de un ingeniero es de 15€/h según [38], sumando 10€/h haciendo referencia a costes indirectos o seguridad social. El coste total es de 11646,51€, lo que se podría reducir en 72,04€ ya que es el trayecto en coche para realizar las mediciones en un campo de cultivo enunciadas en el trabajo y en el Anexo 3, este viaje no era del todo imprescindible pero ya estaba planeado con otros fines y se aprovechó para realizar unas medidas adicionales en una zona rural y aportar más datos al trabajo. El coste total no se considera muy elevado ya que se puede concluir que se han cumplido la mayoría de los objetivos propuestos y que mediante el uso del protocolo NTRIP se redujo el coste del proyecto en aproximadamente 1000€ al no ser necesaria una Base fija. 11. Estudio social y de igualdad de genero Dentro de la agricultura de precisión, la tecnología trabajada en concreto el uso de los sistemas GNSS y sus softwares no debería propiciar ningún tipo de discriminación a hombres o mujeres formados en este ámbito ya que la formación en sistemas GNSS y la tecnología agrícola deberían estar a disposición equitativamente para ambos géneros por igual. Es de gran importancia que el sistema GNSS y el propio robot sean accesibles y de relativamente fácil entendimiento para hombres y mujeres que no estén formados en estos ámbitos, es por eso que se han elaborado dos manuales en los Anexos para así en el caso que una persona en el futuro esté interesada o necesite utilizar alguno de los sistemas utilizados en este trabajo sea capaz de iniciar sus proyectos fácil y rápidamente. Otro punto clave en cuanto a este estudio es que no se debe perder de vista que el sector donde se implementara este proyecto es el sector agrícola donde el aumento de la inmigración ha proporcionado mano de obra durante los últimos años, pero en muchas ocasiones estas personas son discriminadas ya sea por su país de origen, por diferencias salariales, o por horas de trabajo. El proyecto AgroMOBY aportará una nueva manera de trabajar y vivir en el campo o zonas rurales donde la población cada vez se reduce más. Gracias a la introducción de estas tecnologías en empresas instaladas en zonas rurales podrán acceder a puestos de trabajos de carácter más técnicos y mejor remunerados evitando la fuga de personal quilificado hacia las ciudades. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 81 La jornada laboral de los trabajadores se podrían ver reducidas, pero a su vez adaptadas a no solo la recolección del producto sino a la supervisión en el terreno del robot durante sus tareas y de esta manera optando a puestos más elevados en la cadena profesional de la empresa. Es cierto que en muchas ocasiones la introducción de una nueva tecnología puede discriminar a colectivos ya sea por sus estudios o su lugar de nacimiento pero por otra parte abre la posibilidad a que todas esas personas que actualmente trabajan una jornada de horas muy superior a la media sean capaces de substituir su puesto más funcional por uno de carácter más técnico, con formación mejores salarios y jornadas más cortas a la vez que proporciona una experiencia aplicable a otros campos y empresas. 12. Conclusiones Una vez finalizado el proyecto se puede concluir que se ha alcanzado el objetivo principal, ya que se escogieron dos sistemas los cuales eran muy parecidos con una diferencia significativa en el precio y se comprobó como el sistema Emlid era capaz de proporcionar unos datos significativamente mejores que el sistema Ublox. Respecto a los sistemas preseleccionados, gracias a los levantamientos realizados durante los cuales se evaluó el grado de afectación de cada tipo de interferencia y la respuesta de los sistemas, se pudo determinar una vez analizados todos los datos y la viabilidad de la integración de ambos con ROS, que el sistema que mejor precisión podría aportar al robot seria el Emlid Reach M2 aportando en prácticamente todas las medidas una precisión de 1 centímetro lo cual será el valor óptimo para la ejecución de las labores del robot dentro del marco de la agricultura de precisión. Este sistema podría operar en zonas con edificios, montañas y antenas sin prácticamente verse una variabilidad muy pronunciada en las medidas proporcionadas, sin embargo, se concluyó que se debe tener en cuenta que la presencia de árboles puede afectar en gran medida a el error en la precisión y por tanto se debería tratar de evitar zonas donde los árboles cubran completamente el cielo ya que el error en la precisión y el DOP no serían de buena calidad, todo y que si se trabaja en una zona tapada parcialmente por arboles el sistema es suficientemente robusto para proporcionar una precisión aproximada de 1 centímetro. Cabe recalcar que además de los levantamientos incluidos en el trabajo se han realizado levantamientos adicionales en zonas de cultivo los cuales se pueden encontrar en el Anexo, en concreto en el Anexo C. Pág. 82 Memoria Por último, en cuanto a la integración de los sistemas por ROS, mientras que el sistema Ublox es capaz de proporcionar más información mediante la habilitación de mensajes en formato NMEA o UBX, ya que el sistema Emlid es únicamente capaz de proporcional los datos que indica el fabricante, esta información ya es suficiente para poder mediante un driver de ROS comparar la información recibida por el resto de los sistemas. Cabe recalcar que los siguientes pasos dentro del proceso de integración del sistema, los cuales conllevaran al análisis y edición del código de ROS para adaptarlo al robot del proyecto AgroMOBY, serán parte de la segunda fase de este proyecto dentro del área de GNSS donde miembros del CDEI-UPC adaptaran el sistema. 13. Agradecimientos En este punto del trabajo me gustaría expresar mi sincero agradecimiento a todas las personas que me han apoyado en la realización de este Trabajo de Fin de Grado. En primer lugar, me gustaría agradecer al equipo del CDEI-UPC por darme la oportunidad de participar en un proyecto como el del robot AgroMOBY el cual considero que pude aportar múltiples beneficios sociales y económicos a la vida de los millones de personas cuya formade vida es el campo y la agricultura. En este trabajo he sentido total libertad para expresar mis ideas y aprender nuevas cosas las cuales tengo claro que me servirán en el futuro y en mi desarrollo profesional. En concreto me gustaría agradecer a mi tutor, David Caballero Flores y también a Ignasi Mallén Alberdi ambos miembros del CDEI-UPC los cuales me han dado apoyo durante todo el proceso y continuaran con el desarrollo del proyecto AgroMOBY y la integración real de los sistemas con ROS dentro del robot una vez presentado este trabajo, donde, aunque no participe formalmente en el proyecto me gustaría estar presente una vez finalizado para ver la totalidad de este. Por último, me gustaría agradecer el apoyo constante de mi familia durante todo el transcurso de la carrera ya no siendo una carrera sencilla siempre han estado presentes para cualquier necesidad. Muchas gracias a todos. Definición e implementación de un sistema GNSS en un robot Pág. 83 14. Bibliografía [1] CDEI-UPC, [Internet], Proyecto AgroMOBY, disponible en: https://www.cdei.upc.edu/es/agromoby-esp/, Publicación (Desconocida), Consultado (Mayo 2023). [2] Foro de economía Digital, [Internet], Objetivos SMART, disponible en: https://foroeconomiadigital.com/blog/objetivos-smart-definicion-y-algunosejemplos-practicos/ , Publicación (19 de noviembre de 2019), Consultado (Abril 2023). 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