Herausforderungen bei der Positionsbestimmung für Rasenmäher-Roboter in einem verwinkelten Garten

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Liebe Mitglieder des Forums,

seit Monaten verfolge ich mit großer Begeisterung die Diskussionen hier und in anderen Foren zum Thema Rasenmäher-Roboter. Allerdings stoße ich bei der Positionsbestimmung und Steuerung in meinem ungewöhnlich anspruchsvollen Garten auf bisher ungelöste Herausforderungen. Die meisten vorgeschlagenen Lösungen, insbesondere GPS, erscheinen mir für meine Bedürfnisse zu ungenau. Sogar Differential-GPS wurde in Erwägung gezogen, doch die Frage nach der Eignung für meine städtische Umgebung und die finanziellen Aspekte bleiben offen. Vielleicht hat jemand Erfahrung oder sogar einen Differential-Sender zu einem erschwinglichen Preis abzugeben?

Mein derzeitiger Rasenmäherroboter ist ein Robomow RL2000, und ich habe zusätzlich ein zweites Gerät für Bastelzwecke, bei dem lediglich eine defekte Bumper-Platine vorliegt. Die vorhandene Induktionsschleife im Garten erweist sich aufgrund meiner vier Kinder, die gerne Spielzeug und andere Gegenstände auf dem Rasen liegenlassen, als ungenau. Mein Equipment umfasst eine Vielzahl von Boards, darunter Arduino (UNO, Mega), ESP32, diverse Sensoren und weiteres Zubehör. Zusätzlich habe ich eine eigene WiFi-SSID für den Garten eingerichtet und nutze ioBroker für mein Smart-Home-System.

Meine Gedanken zur Positionsbestimmung erstrecken sich über verschiedene Ansätze:

  1. Einsatz von BLE-Beacons an zahlreichen Stellen im Garten im Abstand von 1 bis 2 Metern.
  2. Installation von 3-4 Kameras in der Mitte des Gartens für eine umfassende Überwachung.
  3. Anbringung von 4 Kameras auf dem Roboter, kombiniert mit optischen Beacons an strategischen Stellen.
  4. Nutzung von Sonartechnik (Ultraschall) für eine präzise Hinderniserkennung.

Die aktuell bestehenden Herausforderungen mit dem vorhandenen Roboter resultieren aus der extremen Verwinkelung des Gartens, den unterschiedlichen Steigungen (70% mit ca. 6°, 15% mit ca. 26°) und den schmalen Durchgängen unter einem Pavillon. Präzises Navigieren ist erforderlich, um Stöße gegen Randsteine zu vermeiden oder das Einklemmen zwischen Trampolinbeinen zu verhindern. Die Kinder sorgen zusätzlich für Unvorhersehbarkeiten, indem sie diverse Gegenstände auf dem Rasen hinterlassen.

Mein letztendliches Ziel ist es, dass der Roboter nicht nur seine Position präzise kennt, sondern auch in der Lage ist, den Rasen systematisch und effizient zu mähen, optimale Durchgänge unter dem Pavillon zu finden und Hindernisse mithilfe von Ultraschall geschickt zu umfahren. Die bisherige Programmierung des Roboters erscheint mir in diesem Kontext suboptimal.

Meine Überlegungen zur Umsetzung umfassen das Überwachen des Gartens mittels Arduino-Kameramodulen, BLE-Beacons zur Positionsbestimmung und die Ausstattung des Roboters mit zusätzlichen Kameras und Sensoren. Es wurden zahlreiche Ansätze in Betracht gezogen, doch je mehr ich lese, desto unsicherer werde ich. Falls jemand bereits ein ähnliches Projekt erfolgreich umgesetzt hat oder kreative Ideen zur einfachen und kostengünstigen Umsetzung hat, wäre ich äußerst dankbar für Ratschläge und einen regen Erfahrungsaustausch. zur veranschaulichung des Gartens habe ich eine grobe Skitze des Gartens gezeichnet, grün die Flächen mit Rasen, rot die Flächen die ausgelassen werden.

Garten
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Herzlichen Dank im Voraus für eure Unterstützung und Teilnahme an diesem spannenden Austausch!

Viele Grüße

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Ich würde mal nach Lidar-Sensorik schauen.

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Da hätte ich Angst, daß die Teile die herumliegen den Rasenmäher-Roboter beschädigen. Darum wäre ein Aufsammeln der Teile, bevor der Roboter losgelassen wird, eine Notwendigkeit.

So wie ich differential GPS verstanden habe besteht das System aus einem stationären Empfänger, einem bewegten Empfänger und einer Funkverbindung zwischen dem ersten und zweiten GPS Empfänger. Man kennt den Standort des stationären GPS Empfänger und darum den Unterschied zwischen der gemessenen und wahren Standort. Mit diesem Positionsunterschied kann der Standpunkt des bewegten GPS Empfängers korrigieren. Den stationären Empfänger kann man auf die Ladestation des Mähers bauen; so ist ein Abgleich der Positionen recht einfach.

Also braucht man keine spezielle Hardware für Differentil GPS außer eben 2 GPS Empfänger und 2 Funkmodule (einen Sender und einen Empfänger) und 2 Controller für die Auswertung und Übermittlung.

Grüße Uwe

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@my_xy_projekt

Das habe ich ebenfalls angeschaut; es wird auch von einigen Autoherstellern für autonomes Fahren eingesetzt. Hat jemand bereits Erfahrungen damit gesammelt? Ich habe häufig gelesen, dass es Probleme mit direkter Sonneneinstrahlung gibt. Eine weitere Frage, die sich mir stellt, betrifft die Messung in der Vertikalen. Da der Sensor horizontal auf dem Mäher angebracht ist und der Garten eine Steigung von 26° aufweist, sehe ich die Gefahr, dass er unter dem Pavillon die Steigung als Wand interpretieren könnte. Hat jemand diesbezüglich Erfahrungen?

Leider nicht. Die DGPS-Referenzstation, genauer gesagt die mobile Referenzstation Baseline HD von Claas, wird für satellitengestützte Lenksysteme in der Landwirtschaft eingesetzt. Bei DGPS kommen ortsfeste GNSS-Antennen, auch als Referenzstationen bekannt, zum Einsatz. Deren präzise Position wird durch konventionelle Vermessungsmethoden bestimmt. Durch die Abweichung zwischen der tatsächlichen und der empfangenen Position lässt sich die exakte Laufzeit der Signale von jedem Satelliten äußerst präzise ermitteln (Quelle: Wikipedia - Differential Global Positioning System – Wikipedia).

Demnach ist es erforderlich, dass die Referenzstation akkurat vermessen und registriert ist, zudem muss eine Anmeldung im entsprechenden System erfolgen. Abhängig von der Entfernung können die Messungen jedoch auch wiederum Schwankungen von bis zu ±250 cm aufweisen. das bedeutet im schlimmsten fall der eine Nachbar freut sich das sein Rasen mitgemäht wird, oder der andere erschlägt mich weil sein Tulpenbeet gemäht wird.

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Ich brauche keine genauste Position mit einem Fehler von 1 cm im Abstand von 5 km ums Haus. Ich brauche eine Genauigkeit von 5-10 cm relativ zu einem Bezugspunkt in einem Bereich von 100m.

Schauen wir mal was die anderen so sagen.

Grüße Uwe

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Hallo,wenn du eine Genaugkeit im cm bereich willst dann brauchst du 2 von diesen Empfängern
RTK GNSS Empfänger
Einen für den Rasenmäher und den 2. für die Referenzstaton aber das Problem wird sein dass du dazu immer sehr gute Sicht auf genügend Satelliten haben musst und auch Reflexionen in der nähe von Wänden ein großes Problem sind (unter Bäumen zb geht garnicht).
Wenn normales GNSS geht dann geht RTK GNSS noch lange nicht.
Diese Probleme kannst du evtl verringern mit entsprechenden Antennen aber da kenne ich mich nicht aus.Auf freiem Feld sind Antennen in der Art brauchbar.
Antenne

Bei dem System hast du nur relative Genaugkeit zwischen den beiden Antennen, aber das reicht in dem Fall ja.

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gibts da nicht schon längst mehrere Projekte?

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@noiasca, wie bereits erwähnt, gibt es zahlreiche Forumseinträge zu diesem Thema, jedoch variieren die Grundvoraussetzungen erheblich. In den beiden von dir verlinkten Fällen arbeitet der erste mit RTK-GPS, was für uns aufgrund von Bebauungen, insbesondere Hochhäusern und anderen Häusern in direkter Nachbarschaft, sowie zahlreichen großen Bäumen suboptimal ist, wie bereits oben erwähnt. Der zweite scheint, soweit ich mich erinnere, hauptsächlich über RC (Fernsteuerung) und Bluetooth gesteuert zu werden. Im Automatikmodus hat er jedoch die gleichen Probleme wie der originale Rasenmäherroboter, den ich aktuell verwende.

Zusätzlich ist anzumerken, dass in den Videos oder Beiträgen, die ich bisher gesehen habe, die präsentierten Flächen zu 99% rechtwinklig oder groß und ohne Hindernisse sind. Dies berücksichtigt nicht die spezifischen Herausforderungen in unserem Umfeld, das durch Bebauung, hochgewachsene Bäume und andere Strukturen geprägt ist. Beachten wir dies bei der weiteren Bewertung möglicher Lösungsansätze.

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Nach weiteren Recherchen zu RTK-GPS und LIDAR habe ich mich entschlossen, eine LIDAR 360° Koppel in der Mitte des Rasenmähers zu installieren. Zusätzlich möchte ich für die grobe Positionierung ein herkömmliches GPS-Modul nutzen. Der nächste RTK-Sender ist etwa 90 km entfernt, was möglicherweise Einfluss auf die Genauigkeit haben könnte.

Eine offene Frage betrifft die Integration von herkömmlichen Ultraschallsensoren rundum, um kleinere Hindernisse zu erkennen, oder ob ein Standard-LIDAR-Modul an der Front angebracht werden sollte. Des Weiteren überlege ich, das LIDAR optisch zu erweitern, beispielsweise durch sechs Kameras, die die Umgebung aufzeichnen.

Ein weiteres Anliegen ist die sichere Navigation unter dem Pavillon. Der Induktionsdraht ist vorhanden, jedoch muss der Rasenmäher eine leichte Kurve fahren, was er derzeit nur in 7 von 10 Versuchen auf Anhieb schafft. In einem Fall fährt er sich komplett fest. Eine mögliche Lösung könnte ein Leitstrahl oder Reflektoren sein, ähnlich der Suche nach seiner Ladestation. Aktuell fährt er den Begrenzungsdraht ab, wenn er sich fast am Anfang befindet, also einmal den gesamten Garten an der Außenkante entlang. Es wäre wünschenswert, dass er gezielter die Station sucht, indem er die Umgebung strategischer abfährt, anstatt den kompletten äußeren Rand.

Die Frage stellt sich, ob die LIDAR-Grafik gespeichert werden kann, sodass der Rasenroboter immer weiß, wo er sich gerade auf der Grafik befindet, und anhand dessen berechnen kann wie er unter dem Pavillon durchkommt. oder was der kürzeste Weg zur Ladestation ist. Alternativ könnte die Ladestation auch mit Ultraschall markiert werden.

Ein weiterer Aspekt betrifft die Sicherheit der Ultraschall-Ortung. Mein Nachbar verwendet Ultraschallgeräte zur Mäuse- und Maulwurfbekämpfung. Kann dies die Ortung stören? Welcher Arduino verfügt über ausreichende Rechenleistung, um diese Anforderungen zu bewältigen? In meinen Recherchen stoße ich häufig auf den Raspberry Pi 3 B+ oder den Pi 4 als empfohlene Optionen.

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Hallo Alex,
ich frage mich ob zum Rasenmähen eine Positionsbestimmung überhaupt nötig ist, - bei meinem "Kartoffelkäfersammler" verzichte ich darauf.
OK, Kartoffelfelder haben ein sehr eindeutiges Profil, der Crawler fährt immer so, dass er einen Hügel zentriert zwischen den Ketten hat. Den Abstand messe ich mit US., besser: bisher orientiert sich das ganze Fahrgestell NUR mit US, es sind 10 Sensoren verbaut.
Stand ist aktuell, dass er zuverlässig der Linie eines Hügels folgt, am Ende prüft ob er rechts oder links herum weiter kann und den nächsten Hügel anfährt.
Wo der Hügel ist, ist dem Teil vollkommen egal, wenn kein Hügel zwischen den Ketten ist und er rechts und links auch keinen findet, bleibt er stehen.

Nach einer ähnlichen Logik würde ich auch einen Rasenmäher konzipieren: Rasen ist grün, wo grün ist wird gemäht, wo nicht grün ist hast Du nichts zu suchen.
Spielzeug auf der Fläche, oder die Kinder selbst, sollte sich mittels Objekterkennung schon recht zuverlässig erkennen lassen. Zum "Spielzeug zur Seite schubsen" würde ich gleich noch einen Greifarm o.Ä. einplanen.
Die Herausforderung ist dabei ein AI Modell zu stricken... Bei meinen Käfern ist das relativ schwierig weil sie sehr klein sind. Im Moment gibt es auch keine, weshalb ich zum Trainieren des Modellerstellens gerad versuche zwischen Spatzen und Meisen am Futterhaus zu unterscheiden.
Um diese "Erkennungsgeschichte" wirst Du, wegen der Möglichkeiten bei den Vorkommenden Hindernissen, nicht herumkommen, - weshalb dann das Bischen "bin ich noch auf Rasen" nicht auch durch optische Erkennung lösen ?

Ich setze bei meinem Käfersammler auch nicht darauf dass alles von einem Controller gemacht wird. Das Programm des Fahrgestell läuft auf einem "Nano Size" Bord, reicht dafür wohl locker, im Moment bin ich bei 12% Speichernutzung.
Die Arme für die Käferbeseitigung sollen jeweils einen eigenen Controller bekommen und das Fahrgestell nur informieren wenn es mal stehenbleiben soll, bzw. weiterfahren kann.
Auch die Umgebengsüberwachung bekommt etwas eigenes...
Da wird es aber nichts mehr mit den kleinen "Arduinos"... Auch ein RPI ist eher noch grenzwertig, da ist er nicht konzipiert für....

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Hallo Herbert,

dein Konzept, "Rasen ist grün, wo grün ist wird gemäht, wo nicht grün ist hast Du nichts zu suchen", hat einen interessanten Ansatz. Jedoch sehe ich im Hochsommer das Problem, wenn der Rasen stellenweise braun oder schwarz verbrannt ist. Daher plane ich, dies durch GPS-Koordinaten zu lösen.
Der Rover soll wissen, von welchen Koordinaten bis zu welchen Koordinaten das Messer ausgeschaltet werden soll, um über die Terrasse zu fahren.
Für einem Umzug in den nächsten 1-2 Jahren möchte ich das System flexibel halten, sodass nur neue Sperrbereiche antrainiert werden müssen und es dann gestartet werden kann. Die Modularität ziehe ich auch in meine Smarthome-Lösung ein.

Dein Verzicht auf Positionsbestimmung für den Kartoffelkäfersammler macht Sinn, da er sich auf eindeutige Profile stützt. Die Idee, den Rasenmäher nach einer ähnlichen Logik zu konzipieren, indem er den Linien von Hügeln folgt, ist im Garten suboptimal, besonders wenn der Rasen für Spiele genutzt wird.

Dein AI-Ansatz klingt faszinierend, und ich würde gerne mehr darüber erfahren. In meinem Ansatz möchte ich die Motorsteuerung und die LIDAR/Kamera dem Rover überlassen, während die Berechnungen über WiFi an einen Server geschickt werden soll, um die Rechenleistung zu sparen. Der Server soll die Daten, Routen usw. berechnen und die bearbeiteten Daten zurücksenden.
Dieser Server soll auch alle Daten für den IoBroker sammeln und bereitstellen. Aktuell nutze ich eine Wetterstation, die über WiFi alle Daten an IoBroker liefert. Entscheidungen für die Bewässerungsanlage und das Gewächshaus werden über WiFi im IoBroker getroffen.

Das "Nano Size" Bord ist mir nicht klar – handelt es sich dabei nur um ein Speicherboard?
Für den Server habe ich einen Ryzen 5 2600 mit 6x 3,9 GHz und 12 Threads ins Auge gefasst, dazu eine GTX 550Ti Grafikkarte(mein alter Gaming-PC).
Der Raspi PI 4 B erscheint mir mit seinen Specs eher grenzwertig. Ich habe einen eigenen WiFi für den Garten, und den Server über V-LAN nur für den Garten zuzustellen, ist für mich das kleinste Problem.

Unter Umständen habe ich sogar eine zweite GTX 550Ti, die über Crossfire verbunden werden könnte. Damit würde der Rechner über 2x 1,46 GHz GPU mit insgesamt 16 GB RAM für die Grafik arbeiten können, aber ich glaube, das wäre für die geringe LIDAR-Codierung und Videocodierung too much. Aber auf jeden Fall schneller als RasPI-Lösungen. Ich weiß noch nicht genau, wie ich das als Elektroniker programmieren muss, aber das werde ich noch zum Laufen bekommen. Hier im Forum scheinen ja einige kluge Köpfe zu sitzen, und bis jetzt konnte ich mir mit Kommentaren in anderen Beiträgen immer einen Reim darauf machen, dass die Programmierung läuft.

Beste Grüße,
Alexander

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Wolltest Du es nicht einfach... ? :wink: :wink:

Natürlich kann man das Orientierungssystem nicht 1 zu 1 übernehmen, - ich wollte da nur zeigen dass es auch anderes als GPS gibt.
Wiese mähen kommt erst wenn die Käfer einigermaßen zuverlässig gefunden werden.

Arduino Nano Größe, aber halt kein Arduino sondern ein LGT8F328.

Gruß
Herbert

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Hi @outdoor-alex ,

bei einer Entscheidung für ein LIDAR System solltest Du prüfen, ob das Produkt für den Outdoor-Einsatz geeignet ist. Insbesondere Feuchtigkeit sowie unter Umständen Temperatur, aber ggf. auch Schock (durch Anstoßen an Hindernissen, was nicht immer vermeidbar sein wird) und Vibration (durch den Mähvorgang) sind wahrscheinlich nicht zu vernachlässigen.

Wichtig zu beachten ist auch, dass ein 2D-LIDAR nur in einer Ebene scannt und damit nur Objekte vermessen kann, die diese Ebene "durchstoßen", alles was niedriger ist, wird nicht gesehen. Bei Anbringung in der Mitte des Mähers bestimmen die Höhe des Gerätes plus der Abstand zur Messöffnung diese Ebene, das sind vermutlich über 25 cm bis 30 cm ... Je nach Nick-Winkel des Mähers während der Fahrt schaut das LIDAR mal in den Himmel und mal in Richtung Boden, wodurch sich die tatsächlich detektierbare Objekthöhe verändert.

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Der Laser hat sicher gewisse Divergenz, müsste aber sehr stark vertikal aufgeweitet sein, um auch niedrigere Objekte mit abzudecken. Das ginge dann zu Lasten der Sendeleistung bzw. würde eine höhere Empfindlichkeit des Detektors erfordern, da er i.d.R. auf Signale bei diffuser Reflektion angewiesen ist.

Das sind bei Einsatz zur Orientierung in einem Gebäude mit ebenem Untergrund eher vernachlässigbare Einschränkungen, im Außeneinsatz sollte man sie m.E. bedenken.

Ich bin auf jeden Fall gespannt auf Deine Entwicklungsergebnisse ... :wink:

Gruß
ec2021

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Hallo,
ich möchte Dich auf das benachbarte Thema aufmerksam machen:
D1 mini, PCF8574, DIP-Schalter, LED-Anzeige und Levelshifter
Da geht's zwar nur um ein Teilproblem, die Baken. Aber insgesamt um Rasenroboterpositionierung mit Ultraschall. Übrigens ist geplant auf Basis ardumover.
Fast alle von Euch diskutierten Varianten habe ich schon durchgespielt. Bin wieder beim Ultraschall angekommen.
Gruß Frank

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Ja, das habe ich auch im Auge. Wie im Post #9 erwähnt, überlege ich noch, vorne einen LIDAR-Sensor etwa 5-10 cm über den Boden zu platzieren, der nur in Fahrtrichtung misst. Der Hauptsensor wird einer mit 360° sein, der obendrauf gebaut wird. Je nach Sensor kann dieser sogar auf 33-37 cm zur Lasereinheit kommen. Dieser dient hauptsächlich dem Schutz vor Kollisionen mit Tischbeinen, Trampolinbeinen, dem Gewächshaus oder anderen hohen Gegenständen.

Was den Nickwinkel betrifft, mache ich mir bei knappen 90 cm Länge (davon 74 cm Radstand) nicht ganz so viele Gedanken. Zusätzlich überlege ich, das LIDAR-System durch 5 oder 6 Kameras zu unterstützen oder noch ringsum US-Sensoren einzusetzen, um den Mähbereich zu überwachen.

Hinsichtlich des Feuchteschutzes suche ich nach einem Zylinder aus Makrolon oder einem vergleichbaren Material, durch den der Laser ohne Störung hindurchgehen kann. Ich hatte auch die Idee, bei unserem örtlichen KFZ-Verwerter nachzuschauen, ob ich einen Sensor aus einem Mittel- bis Oberklassen-Unfallwagen ausbauen kann. Leider finde ich jedoch keine Informationen darüber, ob ich diesen ohne die fahrzeugspezifischen Steuergeräte an einen RasPI oder Mega anschließen kann.

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Hi, danke, das werde ich mir später mal durchlesen. Ich muss mich jetzt erstmal um meine Monster kümmern das die Essen und ins Bett kommen.

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Und wie Positionieren ? Laser ist mir zu ungenau.
Hindernissen auszuweichen ist davon völlig unabhängig.

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