Determining the heading angle measurement accuracy of RTK GPS receiver by the help of digital compass

Abstract

Autonomous agricultural mobile robots are an alternative to the tractors for cultivation tasks. But, these robots need a robust and reliable navigation system in different agricultural tasks such as planting, spraying, fertilizing, and harvesting. In this context, the robot heading angle measurements from a digital compass or a GPS receiver to perform accurate and rapid turning manoeuvres toward the target points are the most important procedure for precise agricultural robot navigation algorithms. The objective of this study was to determine the heading angle measurement accuracy of Topcon RTK GPS receiver by the help of Honeywell HMR 3000 digital compass. It is also to determine the correction factor between both devices. In this study, Honeywell HMR3000 digital compass was used to measure the direction of the robot relative to North. These data were used as calibration dataset to establish the quantitative correlation the heading angle measurements of the Topcon RTK GPS receiver. As a result of the study, although there is a high level of linearity between the Topcon RTK GPS receiver and the HMR3000 (R2= 0.9998), it was observed that the angle values deviated between -5.87 and +5.97 degrees. This result shows that the direction angle values obtained from the GPS receiver are not usable for precise navigation applications.

Keywords

• Autonomous agricultural robots
• Navigation
• Heading angle
• Topcon RTK GPS receiver
• HMR 3000 digital compass

RTK GPS alıcısının yön açısı ölçüm doğruluğunun dijital pusula yardımı ile belirlenmesi

Abstract

Otonom tarımsal mobil robotlar, tarımsal işlemler için traktörlere bir alternatiftir. Ancak, bu robotların dikim, ilaçlama, gübreleme ve hasat gibi farklı tarımsal görevlerde sağlam ve güvenilir bir navigasyon sistemine ihtiyacı bulunmaktadır. Bu bağlamda, hedef noktalara doğru ve hızlı dönüş manevraları gerçekleştirmek için dijital bir pusula veya bir GPS alıcısından robot yön açısı ölçümleri, hassas tarım robotu navigasyon algoritmaları için en önemli prosedürdür. Bu çalışmanın amacı, Honeywell HMR3000 dijital pusula yardımıyla Topcon RTK GPS alıcısının yön açısı ölçüm doğruluğunu ve aynı zamanda her iki cihaz arasındaki düzeltme faktörünü belirlemektir. Bu çalışmada, robotun kuzeye göre yönünü ölçmek için Honeywell HMR3000 dijital pusula kullanılmıştır. Bu veriler, Topcon RTK GPS alıcısının rota açısı ölçümlerinin nicel korelasyonunu oluşturmak için kalibrasyon veri seti olarak kullanılmıştır. Çalışma sonucunda, Topcon RTK GPS alıcısı ile HMR3000 arasında yüksek oranda doğrusallık olmasına rağmen (R2= 0.9998), açı değerlerinin -5.87 ile +5.97 derece arasında saptığı gözlemlenmiştir. Bu sonuç, GPS alıcısından elde edilen yön açısı değerlerinin hassas navigasyon uygulamaları için kullanılabilir olmadığını göstermektedir.

Keywords

• Otonom tarımsal robotlar
• navigasyon
• yön açısı
• Topcon RTK GPS alıcısı
• HMR 3000 dijital pusula

References

1. Gomez-Gil J, Alonso-Garcia S, Gómez-Gil FJ, Stombaugh T (2011) A Simple Method to Improve Autonomous GPS Positioning for Tractors. Sensors 11: 5630-5644.
2. Han XZ, Kim HJ, Jeon CW, Moon HC, Kim JH (2017) Development of a low-cost GPS/INS integrated system for tractor automatic navigation. International Journal of Agricultural and Biological Engineering 10(2): 123-131.
3. Hellström T (2002) Autonomous navigation for forest machines, A project pre-study in the Department of Computer Science Umea University, Sweden.
4. Keicher R, Seufert H (2000) Automatic guidance for agricultural vehicles in Europe. Computers and Electronics in Agriculture 25(1): 169-194.
5. Li M, Imou K, Wakabayashi K, Yokoyama S (2009) Review of research on agricultural vehicle autonomous guidance. International Journal of Agricultural & Biological Engineering 2(3): 1-16.
6. Mizushima A, Noguchi N, Ishii K, Terao H (2003) Development of navigation sensor unit for the agricultural vehicle. In Proceedings of the Advanced Intelligent Mechatronics, Kobe, Japonya.
7. Oksanen T, Backman J (2013) Guidance system for agricultural tractor with four wheel steering. In: The IFAC bio-robotics conference. Osaka, Japonya.
8. Ryu JH, Gankhuyag G, Chong KT (2016) Navigation System Heading and Position Accuracy Improvement through GPS and INS Data Fusion. Journal of Sensors 2016: 1-6.

9. Stoll A, Kutzbach HD (2000) Guidance of a forage harvester with GPS. Precision Agriculture 2: 281-291.
10. Thuilot B, Cariou C, Cordesses L, Martinet P (2001) Automatic guidance of a farm tractor along curved paths, using a unique CP-DGPS. Proceedings of the 2001 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Maui, ABD.
11. Zhang Z, Noguchi N, Ishii K (2015) Development of a Robot Combine Harvester. Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery and Food Engineers 77(1): 45-50.