Dron ogrodniczy z inspekcją roślin DIY (składany tricopter z ograniczonym budżetem): 20 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

W naszym domku weekendowym mamy ładny mały ogródek z dużą ilością owoców i warzyw, ale czasami po prostu ciężko jest nadążyć za zmianami roślin. Potrzebują stałego nadzoru i są bardzo podatne na warunki pogodowe, infekcje, robaki itp…

Miałem w skrzynce narzędziowej wiele części zamiennych do multicoptera ze starych projektów, więc postanowiłem zaprojektować i zbudować drona, który może przeprowadzać analizę roślin przy użyciu Rasperry Pi Zero W i jego NoIR PiCamera. Chciałem też nagrać film o tym projekcie, ale jest to dość trudne w przypadku uniwersytetu, więc po prostu wrzucę surowy materiał.

Teoria obrazowania w bliskiej podczerwieni

Polecam przeczytać ten artykuł w Wikipedii. Krótko mówiąc, kiedy rośliny funkcjonują normalnie, odbijają światło podczerwone pochodzące ze Słońca. Wiele zwierząt widzi światło podczerwone, takie jak węże i gady, ale Twoja kamera też je widzi (wypróbuj za pomocą pilota do telewizora). Jeśli usuniesz filtr IR z aparatu, otrzymasz purpurowy, rozmyty obraz. Jeśli nie chcesz zepsuć kamery, wypróbuj ją z NoIR PiCamera, która jest zasadniczo taka sama jak standardowa PiCamera, ale nie ma wbudowanego filtra podczerwieni. Jeśli umieścisz filtr na podczerwień pod obiektywem kamery, otrzymasz tylko światło podczerwone na kanale czerwonym, niebieskie światło na kanale niebieskim, zielone i czerwone zostaną odfiltrowane. Używając znormalizowanego wzoru na wskaźnik różnicy wegetacji dla każdego piksela, możesz uzyskać bardzo dobry wskaźnik zdrowia i aktywności fotosyntetycznej Twojej rośliny. Dzięki temu projektowi udało mi się zeskanować nasze podwórko i zidentyfikować niezdrową roślinę pod naszą gruszą.

Dlaczego Tricopter?

Trochę bardziej lubię tricoptery niż quady ze względu na ich wydajność. Mają dłuższy czas lotu, są tańsze i można je złożyć, co jest prawdopodobnie najlepszą cechą, jeśli chodzi o drony DIY. Lubię też latać tym tricopterem, mają one nieco "samolotowe" sterowanie, którego doświadczysz, jeśli zbudujesz tego drona razem ze mną. Jeśli chodzi o trisa David Windestal to prawdopodobnie pierwsze nazwisko w wyszukiwarce Google, polecam zajrzeć na jego stronę, ja też używam jego konstrukcji składanej ramy.

Krok 1: Nagrania z lotu

To był mój drugi lot testowy, w którym helikopter był już dostrojony i gotowy do analizy roślin. Mam na pokładzie nagrania z mojej kamery sportowej, z lotu ptaka możesz zobaczyć nasze piękne otoczenie. Jeśli chcesz zobaczyć nagrania NDVI, przejdź do ostatniego kroku tej instrukcji. Niestety nie miałem czasu na nakręcenie pełnego filmu instruktażowego na tym tricopterze, ale wrzuciłem ten krótki filmik z lotu testowego.

Krok 2: Wymagane narzędzia i części

Z wyjątkiem drewnianych wysięgników i sprayu do malowania, które miałem w skrzynce na narzędzia, więc całkowity koszt tego projektu wyniósł dla mnie około 5 USD, ale postaram się znaleźć linki eBay lub Banggood do każdej użytej części. Gorąco polecam rozejrzeć się za częściami, może można uzyskać lepszą cenę niż ja.

Narzędzia

• Lutownica
• Narzędzie Dremel
• Drukarka 3D (nie mam, mój przyjaciel pomógł mi)
• Narzędzia tnące
• Przecinak do drutu
• Super klej
• Zamki (dużo, w 2 rozmiarach)
• Paint Spray (w kolorze, który lubisz - ja użyłem czarnego)

Części

1. Kontroler lotu ArduCopter (użyłem starego APM 2.8, ale powinieneś wybrać PixHawk lub PIX Mini)
2. Antena GPS z magnetometrem
3. Moduł telemetryczny MAVLink (do komunikacji ze stacją naziemną)
4. Odbiornik 6CH + nadajnik
5. Nadajnik wideo
6. Serwomotor (moment obrotowy co najmniej 1,5 kg)
7. Śmigła 10" (2 CCW, 1 CW + dodatkowe do wymiany)
8. 3 30A SimonK ESC (elektroniczny regulator prędkości) + 3 silniki 920kv
9. Akumulator 3S 5,2 Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (w zestawie z filtrem podczerwieni)
11. 2 paski do baterii
12. Uchwyty tłumiące drgania
13. Drewniane wysięgniki o długości 1,2 cm w kształcie kwadratu (kupiłem pręt o długości 1,2 metra)
14. Drewniana płyta laminowana o grubości 2-3 mm
15. Kamera akcji (użyłem klonu GoPro obsługującego 4k - SJCAM 5000x)

To są części, których użyłem do mojego drona, możesz go zmodyfikować według własnych upodobań. Jeśli nie jesteś pewien, czego użyć, zostaw komentarz, a postaram się Ci pomóc. Uwaga: używałem wycofanej płyty APM jako kontrolera lotu, ponieważ miałem jedną zapasową. Dobrze lata, ale ta płyta nie jest już obsługiwana, więc prawdopodobnie powinieneś dostać inny kontroler lotu, który jest kompatybilny z ArduCopterem, aby uzyskać wspaniałe funkcje GPS.

Krok 3: Cięcie ramy

Pobierz plik ramki, wydrukuj go i wytnij. Sprawdź, czy rozmiar nadruku jest prawidłowy, a następnie za pomocą pisaka zaznacz kształt i otwory na drewnianej płytce. Użyj piły, aby wyciąć ramę i wywierć otwory wiertłem 3 mm. Potrzebujesz tylko dwóch z nich, właśnie zrobiłem 4 jako części zamienne.

Krok 4: Złóż ramę

Do montażu ramy użyłem śrub i nakrętek 3mm. Przyciąłem każdy wysięgnik o długości 35 cm i pozostawiłem z przodu ramy o długości 3 cm. Nie dokręcaj zbyt mocno stawów, ale upewnij się, że tarcie jest wystarczające, aby ramiona się nie zgięły. To naprawdę sprytny projekt, rozbiłem się dwa razy i nic tylko zgięte ramiona.

Krok 5: Wiercenie otworów pod silniki

Sprawdź rozmiar śrub silnika i odległość między nimi, a następnie wywierć dwa otwory w lewym i prawym drewnianym ramieniu. Musiałem wywiercić w ramionach otwór o głębokości 5 mm i szerokości 8 mm, aby wałki miały wystarczająco dużo miejsca na obrót. Użyj papieru ściernego, aby usunąć te małe drzazgi i zdmuchnąć kurz. Nie chcesz kurzu w swoich silnikach, ponieważ może to powodować niepotrzebne tarcie i ciepło.

Krok 6: Składany uchwyt GPS

Musiałem wywiercić dodatkowe otwory na antenę GPS, aby uzyskać dobre dopasowanie. Kompas należy umieścić wysoko, aby nie zakłócał pola magnetycznego silników i przewodów. Jest to prosta składana antena, która pomaga mi zachować jak najbardziej kompaktową konfigurację.

Krok 7: Malowanie ramy

Teraz musisz wszystko odkręcić i pomalować. Skończyło się na tym, że wybrałem ten matowy spray w kolorze głębokiej czerni. Połączyłem części na nitce i po prostu je pomalowałem. Aby uzyskać naprawdę dobry efekt, użyj 2 lub więcej warstw farby. Pierwsza warstwa prawdopodobnie będzie wyglądać na nieco wyblakłą, ponieważ drewno będzie pochłaniało wilgoć. Cóż, tak się stało w moim przypadku.

Krok 8: Montaż platformy antywibracyjnej

Miałem tę platformę uchwytu gimbala, która w mojej wersji podwaja się również jako uchwyt baterii. Musisz go zamontować pod ramą za pomocą opasek zaciskowych i/lub śrub. Waga baterii pomaga w pochłanianiu wielu wibracji, dzięki czemu uzyskasz naprawdę ładny materiał z kamery. Można też zamontować podwozie na plastikowych prętach, wydawało mi się, że to niepotrzebne. Ten czarny kolor sprawdził się dobrze, w tym momencie powinieneś mieć ładnie wyglądającą ramkę i czas ustawić kontroler lotu.

Krok 9: Konfiguracja ArduCoptera

Aby skonfigurować kontroler lotu, potrzebujesz dodatkowego bezpłatnego oprogramowania. Pobierz Mission Planner na Windows lub APM Planner na Mac OS. Gdy podłączysz kontroler lotu i otworzysz oprogramowanie, pomocnik kreatora zainstaluje najnowsze oprogramowanie układowe na twoim pokładzie. Pomoże Ci również skalibrować kompas, akcelerometr, kontroler radiowy i tryby lotu.

Tryby lotu

Polecam używać Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home i Land jako sześć trybów lotu. Koło jest naprawdę przydatne, jeśli chodzi o inspekcję roślin. Będzie krążył wokół określonej współrzędnej, więc pomaga analizować rośliny pod każdym kątem w bardzo precyzyjny sposób. Potrafię wykonywać orbity za pomocą drążków, ale ciężko jest utrzymać idealny krąg. Loiter jest jak parkowanie drona na niebie, więc możesz robić zdjęcia w wysokiej rozdzielczości NDVI, a RTH jest przydatne, jeśli utracisz sygnał lub stracisz orientację drona.

Zwróć uwagę na swoje okablowanie. Użyj schematu, aby podłączyć ESC do właściwych pinów i sprawdź w Mission Planner okablowanie kanałów wejściowych. Nigdy nie testuj ich z włączonymi rekwizytami!

Krok 10: Instalacja GPS, kamery i kontrolera lotu

Po skalibrowaniu kontrolera lotu możesz użyć taśmy piankowej i zainstalować ją na środku ramy. Upewnij się, że jest skierowany do przodu i jest wystarczająco dużo miejsca na kable. Zamontuj GPS za pomocą śrub 3 mm i użyj opasek błyskawicznych, aby utrzymać aparat na miejscu. Te klony GoPro są dostarczane ze wszystkimi narzędziami montażowymi, więc instalacja tego była dość prosta.

Krok 11: ESC i kabel zasilający

Moje baterie mają złącze XT60, więc przylutowałem 3 przewody dodatnie i 3 ujemne do każdego pinu złącza żeńskiego. Użyj rurki termokurczliwej, aby zabezpieczyć połączenia przed zwarciem (możesz również użyć taśmy elektrycznej). Kiedy lutujesz te grube druty, pocieraj je razem i mocujesz drutem miedzianym, a następnie dodaj dużo stopionego lutu. Nie chcesz żadnych zimnych połączeń lutowniczych, zwłaszcza przy zasilaniu ESC.

Krok 12: Odbiornik i anteny

Aby mieć dobry odbiór sygnału, musisz zamontować anteny pod kątem 90 stopni. Do zamontowania anten odbiorczych z przodu drona użyłem opasek zaciskowych i rurek termokurczliwych. Większość odbiorników jest dostarczana z kablami, a kanały są oznakowane, więc ustawienie powinno być łatwe.

Krok 13: Mechanizm ogonowy

Mechanizm ogonowy to dusza tricoptera. Znalazłem ten projekt online, więc spróbowałem. Miałem wrażenie, że oryginalny projekt był trochę słaby, ale jeśli odwrócisz mechanizm, działa idealnie. Nadmiar wycinam narzędziem dremel. Na zdjęciu może się wydawać, że mój serwomotor trochę cierpi, ale działa bez zarzutu. Użyj małej kropli superglue podczas dokręcania śrub, aby nie wypadły z powodu wibracji; lub możesz zapiąć silniki, tak jak ja.

Krok 14: Wykonanie testu zawisu i strojenia PID

Dokładnie sprawdź wszystkie połączenia i upewnij się, że nic nie usmażysz podczas podłączania baterii. Zainstaluj śmigła i spróbuj zawisnąć z dronem. Mój był całkiem gładki po wyjęciu z pudełka, po prostu musiałem trochę dostroić zbaczanie, ponieważ poprawiało to zdecydowanie za dużo. Nie mogę nauczyć strojenia PID w tym Instructable, nauczyłem się prawie wszystkiego z samouczka wideo Joshuy Bardwella. Wyjaśnia to o wiele lepiej niż ja.

Krok 15: Wybierz malinę i zainstaluj Raspbian (Jessie)

Chciałem, aby było to jak najmniejsze, więc wybrałem RPi Zero W. Używam Raspbian Jessie, ponieważ nowsze wersje miały pewne problemy z OpenCV, którego używamy do obliczania wskaźnika wegetacji z surowego materiału filmowego. Jeśli chcesz mieć wyższą szybkość FPS, powinieneś wybrać Raspberry Pi v4. Oprogramowanie można pobrać tutaj.

Instalowanie zależności

W tym projekcie użyjemy PiCamera, OpenCV i Numpy. Jako czujnik obrazu wybrałem mniejszą kamerę 5MP, która jest kompatybilna tylko z płytami Zero.

1. Flashuj swój obraz za pomocą ulubionego narzędzia (lubię Balena Etcher).
2. Uruchom Raspberry z podłączonym monitorem.
3. Włącz interfejsy aparatu i SSH.
4. Sprawdź swój adres IP za pomocą ifconfig w terminalu.
5. SSH do swojego RPi za pomocą polecenia ssh pi@TWÓJ_IP.
6. Skopiuj i wklej instrukcje, aby zainstalować wymagane oprogramowanie:

aktualizacja sudo apt-get

sudo apt-get aktualizacja sudo apt-get zainstaluj libtiff5-dev libjasper-dev libpng12-dev sudo apt-get zainstaluj libjpeg-dev sudo apt-get zainstaluj libavcodec-dev libavformat-dev libswscale-dev libv4l-dev sudo apt-get zainstaluj libgtk2.0-dev sudo apt-get install libatlas-base-dev gfortran sudo pip install numpy python-opencv python (aby go przetestować) import cv2 cv2._version_

Powinieneś zobaczyć odpowiedź z numerem wersji twojej biblioteki OpenCV.

Krok 16: Testowanie kamery NoIR i obrazowania NDVI

Wyłącz swoją płytkę RPi, włóż kamerę i wtedy możemy spróbować zrobić z nią obrazowanie NDVI. Na kwiatku (tym z czerwonym tłem) widać, że bardziej zielone części wewnątrz wykazują pewną aktywność fotosyntetyczną. To był mój pierwszy test, który wykonałem na Infragramie. Nauczyłem się wszystkich formuł i mapowania kolorów na ich stronie, aby napisać w pełni funkcjonalny kod. Aby wszystko było bardziej zautomatyzowane, stworzyłem skrypt Pythona, który przechwytuje klatki, oblicza obrazy NDVI i zapisuje je w rozdzielczości 1080p na helikopterze.

Te obrazy będą miały dziwną mapę kolorów i będą wyglądać, jakby pochodziły z innej planety. Zrób kilka testów, zmień niektóre zmienne, dostosuj czujnik przed pierwszą misją.

Krok 17: Instalacja RPi Zero W na dronie

Zainstalowałem Pi Zero z przodu tricoptera. Możesz skierować kamerę do przodu, tak jak ja, lub też w dół. Powodem, dla którego mój jest skierowany do przodu, jest pokazanie różnicy między roślinami a innymi obiektami nie fotosyntetycznymi. Uwaga: Może się zdarzyć, że niektóre powierzchnie odbijają światło podczerwone lub są cieplejsze niż otoczenie, co powoduje, że mają jasnożółty kolor.

Krok 18: Dodawanie nadajnika wideo (opcjonalnie)

Miałem ten VTx leżący wokół, tak zainstalowany na tylnym ramieniu mojego helikoptera. Ma zasięg 2000 metrów, ale nie używałem go podczas testów. Zrobiłem z nim tylko lot FPV dla zabawy. Kiedy go nie używam, kable są usuwane, w przeciwnym razie są ukryte pod ramą, aby moja konstrukcja była ładna i czysta.

Krok 19: Przeprowadzanie analizy roślin

Zrobiłem dwa 25-minutowe loty dla właściwej analizy. Większość naszych warzyw wydawała się być w porządku, ziemniaki wymagały dodatkowej pielęgnacji i podlewania. Zamierzam to sprawdzić, co pomogło w ciągu kilku dni. Na zdjęciu wyglądają całkiem zielono w porównaniu z pomarańczowymi i różowymi drzewami.

Lubię robić loty po okręgu, aby móc przyjrzeć się roślinom pod każdym kątem. Widać wyraźnie, że pod drzewami owocowymi niektóre warzywa nie mają wystarczającej ilości światła słonecznego, przez co na obrazach NDVI stają się niebieskie lub czarne. Nie jest problemem, jeśli jedna część drzewa nie ma wystarczającej ilości światła słonecznego o tej porze dnia, ale źle, jeśli cała roślina zmieni kolor na czarno-biały.

Krok 20: Lataj bezpiecznie;)

Dziękuję za przeczytanie tej instrukcji, mam nadzieję, że niektórzy z was spróbują eksperymentować z obrazowaniem NDVI lub z budowaniem dronów. Miałem dużo frajdy robiąc ten projekt od zera z drewnianych elementów, jeśli również Wam się podobało, możecie rozważyć pomoc w swoim miłym głosowaniu. Och, lataj bezpiecznie, nigdy ponad ludźmi i ciesz się hobby!

Pierwsza nagroda w wyzwaniu Make It Fly