[Перевод] Уважаемые хакеры, где же ваши автономные газонокосилки?

Невозможно установить, когда общество начало ухаживать за своими газонами. Честно говоря, стрижка травы была, и остаётся, необходимостью. Но борьба с сорняками, подравнивание, и прочие излишества – нет. Красивый газон – это символ статуса в современных пригородах по всему миру. Когда к нам прибудут инопланетяне, то они наверняка сразу же заметят, какие аккуратные у нас газоны. И это достижение цивилизации стало возможным с прибытием специальных машин для подстригания травы.

Первыми газонокосилками были представители рогатого скота. Проблема в том, что обслуживать их очень трудно, режут траву они неровно, из-за чего они и не прижились в семьях, борющихся за идеальный газон. Если вспомнить про неприятных запах побочных продуктов их деятельности, становится понятно, почему животные перестали пользоваться популярностью и постепенно переехали на задние дворы. Для поддержания внешнего вида престижного дворика люди начали искать другие средства.

Первую механическую газонокосилку изобрёл в 1830 году Эдвин Баддинг, без сомнения, для того, чтобы превзойти своего соседа, использовавшего косу. Его косилка была очень похожа на сегодняшние варианты, у которых лезвия закреплены в цилиндре, вращающемся при движении косилки вперёд. Баддингу выдали патент на устройство, что сильно расстроило его соседей – большинству из них пришлось покупать косилку Баддинга, поскольку почти все купили себе такую же, даже несмотря на то, что они не были необходимы.

К 1930-м холодная война между Баддингом и его соседом распространилась почти на каждый двор планеты, и конца этому не было видно. Если перенестись в наше время, то за один только 2014 год на рынке по уходу за садом и газоном было совершено продаж на $10 млрд. Технический прогресс привёл к появлению весьма продвинутых машин, пережёвывающих траву. Для небольших участков большая часть людей использует косилки с одноцилиндровыми ДВС, которые нужно толкать перед собой. Многие косилки комплектуются тканевыми мешками для сбора обрезков, которые все ненавидят, поскольку они постепенно наполняются, из-за чего косилку становится всё тяжелее толкать. Но так как соседи её используют, приходится и нам. Участки большего размера требуют дорогих косилок, на которых нужно ездить верхом. Многие владельцы таких косилок могут похвастаться на соседской вечеринке наличием у них гидростатической трансмиссии, хотя они понятия не имеют, что это такое.

Мы, хакеры, не лучше их. У нас, как и у всех, тоже есть газоны. Но, в отличие от всех остальных, у нас есть паяльники. И мы умеем ими пользоваться. Я предлагаю подорвать основы соседской войны так же, как Баддинг сделал это 85 лет назад. Доставайте ваш любимый микроконтроллер, и за работу!

По-настоящему автономные газонокосилки — поднимите, пожалуйста, руки

Во-первых, разберёмся вот с чем. Эти дурацкие «роботизированные газонокосилки», использующие провод-ограничитель и скашивающие траву, передвигаясь по случайным путям, нам не нужны. Любому хакеру, стоящему этого звания, ясно, что косилке необходима система позиционирования. «Почему?» – спросите вы. Понаблюдайте любое видео о том, как такая штука мечется, будто насекомое на ветру, и вы скажете себе: «Знаете, эта штука работала бы гораздо лучше, если бы понимала, где она находится». Именно этим мы и займёмся. Чтобы создать автономную газонокосилку, нам нужна система позиционирования. Если мы сможем найти XY координаты косилки, то автоматизация сильно упростится.

Конечно, существуют и другие способы достичь автономности, и я предлагаю вам обсудить их в комментариях, но в этой статье я опишу автономность через позиционирование. Конкретно через позиционирование по спутникам.

GPS, RTK и DGPS

Первое, что приходит в голову для решения задачи о получении координат вне зданий – это GPS. Второе, что примерно через 25 мс приходит в голову – точность этой системы. Все знают, что точность GPS колеблется в пределах 15 метров. С автономной газонокосилкой это не сработает. Но есть ещё два варианта: RTK и DGPS. И у этих методов уже есть необходимая нам точность.

Стандартная GPS

До того, как окунуться в другие системы, рассмотрим простую и привычную GPS. GPS в телефоне измеряет расстояние от него до минимум трёх спутников. Это позволяет ему найти своё положение методом трилатерации (не путать с триангуляцией). Естественно, что точность зависит от точности измерения расстояний до спутников. Это расстояние определяется через временные метки, задаваемые с точностью атомных часов, идущие со спутников. Приёмник просто берёт разницу между временем передачи и временем получения, и умножает её на скорость света, чтобы получить расстояние от него до спутника.

Кроме временной метки, спутник передаёт своё расположение. Вооружившись расстоянием до спутника и его положением, получатель, по сути, знает радиус круга, в центре которого находится спутник, а на периметре – получатель. И когда три таких круга соединяются – бабах! Вы получаете ваше местоположение при помощи трилатерации.

Несколько вещей ограничивают точность метода; одна из главных – это атмосфера. Ионосфера может задерживать сигналы, что приводит к появлению проблем. Чем большую толщину атмосферы нужно преодолеть сигналу, тем больше этот эффект. Посему сигнал, идущий со спутника над горизонтом, больше подвержен искажению, чем сигнал со спутника над головой. Эти помехи постоянно меняются и из-за них возникает неустранимая погрешность позиционирования – до 10 метров.

RTK и дифференциальный GPS

Теперь, зная схему работы GPS и её фундаментальные ограничения, мы можем понять, как устранить их и повысить точность позиционирования. Это можно сделать, включив в схему второй, фиксированный приёмник. Он не двигается, и его месторасположение известно точно. Мобильный приёмник, которому нужно знать своё расположение, должен быть довольно близко к фиксированному, чтобы эти два приёмника могли сравнивать сигналы с одних и тех же GPS-спутников, а потом общаться на эту тему.

Неподвижный приёмник сравнивает GPS-сигналы, полученные им самим, и мобильным приёмником. Поскольку неподвижный приёмник уже знает свое месторасположение, он может уловить ошибку в сигнале и отправить коррекцию на мобильный приёмник. Так работают системы кинематики к реальном времени (RTK) и дифференциального GPS.

Дифференциальный GPS может достичь точности до 10 см, RTK же оценивает аналоговую часть сигнала вместе с цифровой, и поэтому достигает точности в 2 см. Что для автономной газонокосилки довольно точно.

Варианты свободного рынка

Продаётся несколько доступных видов оборудования для такого точного позиционирования. Они не дешёвые, но и не совсем уж неподъёмные для тех, кто хочет добиться успеха в этом проекте. Самая дешёвая из найденных нами система — REACH RTK, стоит $570, но все наборы очень быстро распродаются после поступления в продажу. Также есть Piksi от Swift Navigation, более дорогой вариант, стоящий уже под $1000. Если вам известны другие варианты, просьба сообщать о них в комментариях.

Использование RTK GPS для автономной газонокосилки уже доступно вам или вашей команде. Если вы знаете, где точно ваша косилка находится в реальном времени, то написание кода и механические инженерные задачи решаются в лоб. Почему же их не решили? Чего вы ждёте?

Косилка с ЧПУ

Представьте, что будет, если скрестить вашу газонокосилку с G-кодом. Если приделать удалённое включение/выключение лезвий, то вместо того, чтобы косить траву, вы сможете управлять косилкой удалённо.

Нарисованная мною картинка имеет смысл на больших пространствах, где небольшие аккумуляторные робокосилки не так эффективны. Если площадь слишком большая, то вряд ли будет иметь смысл устанавливать вокруг неё периметр, и это делает вариант с GPS более приемлемым (хотя сигнал этого периметра можно подделать, что даёт нам возможность присобачить GPS на готовую робокосилку).

С потребительской точки зрения, для выхода на крупномасштабный рынок газонов нужно решать небольшие проблемы, например, безопасность, избегание препятствий (упавшие конечности, люди, рогатый скот), отслеживание уровня топлива и т.п. Но для хакеров эта концепция слишком интересная, чтобы её можно было обойти. Мы с удовольствием послушаем о ваших приключениях с автоматическими газонокосилками, и ожидаем когда-нибудь увидеть вырезанный на траве «весёлый роджер» размером с полгектара.