Autonomiczny dron: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

W tym projekcie poznasz proces budowania i konfigurowania drona, zanim przejdziesz do badania autonomicznego lotu za pomocą Mission Planner i MATLAB.

Należy pamiętać, że ta instrukcja ma wyłącznie charakter informacyjny. Używanie dronów może być bardzo niebezpieczne w otoczeniu ludzi i może spowodować poważne problemy z prawem, jeśli zostanie użyte w niewłaściwy sposób lub w niewłaściwym miejscu. Upewnij się, że przestrzegasz wszystkich praw i przepisów dotyczących korzystania z dronów. Co więcej, kody udostępnione na GitHub nie zostały w pełni przetestowane, więc upewnij się, że masz inne zabezpieczenia, aby uniknąć utraty lub uszkodzenia drona.

Krok 1: Lista części

Do tego projektu będziesz potrzebować kilku części. Zanim przejdziesz do dalszej części tego projektu, upewnij się, że kupiłeś poniższe komponenty i pobierz pliki do druku 3D i wycinaj laserowo niestandardowe części.

Zakupione części

Rama: Koło płomieniowe DJI F450

www.buildyourowndrone.co.uk/dji-f450-flam…

PDB: Matek PDB-XT60

www.unmannedtechshop.co.uk/matek-pdb-xt60…

Silniki x4: Emax 2205s 2300kv

www.unmannedtechshop.co.uk/rs2205-s-races…

Śmigła x4: Gemfan Carbon/Nylon 5030

hobbyking.com/en_us/gemfan-propeller-5x3-…

ESC x4: Little Bee 20A 2-4S

hobbyking.com/en_us/ulubiona-mała-pszczółka-…

Kontroler lotu: Navio 2 (z anteną GPS/GNSS i modułem zasilania)

Raspberry Pi 3B

thepihut.com/collections/raspberry-pi/pro…

Nadajnik: FRSKY TARANIS X9D+

www.unmannedtechshop.co.uk/frsky-taranis-…

Odbiornik: FrSky XSR 2,4 Ghz ACCST

hobbyking.com/en_us/xsr-eu-lbt.html?_st…

Baterie: Akumulator Lipo TATTU 1800 mAh 14,8 V 45C 4S1P

www.unmannedtechshop.co.uk/tattu-1800mah-…

Ładowarka: Turnigy Accucell-6 50W 6A Balancer/Ładowarka

hobbyking.com/en_us/turnigy-accucell-6-50…

Zasilanie ładowarki: zasilacz RS 12 V DC

uk.rs-online.com/web/p/plug-in-power-supp…

Torby na baterie: akumulator litowo-polimerowy Hobby King

hobbyking.com/en_us/ładowarka-litowo-polimerowa…

Złącza bananowe

www.amazon.co.uk/gp/product/B013ZPUXZS/re…

Router Wi-Fi: TP-LINK TL-WR802N

www.amazon.pl/TP-LINK-TL-WR802N-Wirele…

Karta Micro SD: SanDisk 32 GB

www.amazon.co.uk/SanDisk-microSDHC-Memory…

Dystanse/dystanse: gwint nylonowy M2,5

thepihut.com/products/adafruit-czarny-nylon…

Laptop

Opaski

Rzep

Termokurczliwe

Części drukowane 3D

Obudowa Raspberry Pi / Navio 2 (góra i dół)

Pojemnik na baterie (pudełko i pokrywa)

Części wycinane laserowo

Warstwy elektroniki x2

Krok 2: Sprzęt

Faza sprzętu i budowy:

1. Zamontuj ramę quadrotora F450 i wydrukowaną obudowę akumulatora na środku (pamiętaj o dodaniu podkładek dystansowych M2,5*5mm)
2. Przymocuj silniki do ramy.
3. Przylutuj złącza bananowe do esc i przewodów silników.
4. Przylutuj ESC i moduł zasilania do PDB. Uwaga: Upewnij się, że nie używasz wyjścia 5 V PDB (nie zapewni wystarczającej mocy).
5. Dodaj pierwszą warstwę wycinaną laserowo do górnej części ramy F450 za pomocą przekładek męskich-żeńskich M2,5*10 mm; i dołącz do tej warstwy plik PDB i moduł zasilania. Uwaga: upewnij się, że elementy zostały umieszczone tak, aby przewody były wystarczająco długie i sięgały do wszystkich silników.
6. Podłącz ESC do silników i użyj opasek zaciskowych, aby przymocować przewody do ramy.
7. Podłącz Navio2 do Raspberry Pi i umieść go w drukowanej obudowie.
8. Dodaj drugą warstwę wycinaną laserowo na wierzchu pierwszej warstwy i przymocuj obudowę Raspberry-Navio za pomocą dwustronnych nakładek samoprzylepnych.
9. GPS można nakleić na wierzch obudowy, jednak tutaj został on umieszczony na kolejnej trzeciej warstwie, która idzie na wierzch obudowy Raspberry-Navio, jak pokazano na zdjęciach, ale zależy to wyłącznie od osoby, która go buduje. Następnie po prostu podłącz GPS do Navio.
10. Zamocuj odbiornik na drugiej warstwie za pomocą dwustronnych podkładek samoprzylepnych. Podłącz przewody ESC i odbiornika do pinów Navio. Odbiornik zajmuje pierwszą kolumnę pinów, a następnie silniki zajmują kolejne cztery kolumny. Uwaga: Przód drona zależy od tego, który silnik jest dołączony jako pierwszy. Niezależnie od tego, który kierunek wybierzesz, upewnij się, że silniki są połączone na rysunku na początku tego kroku.
11. Dodaj śmigła. Zaleca się pozostawienie śmigieł do samego końca, tj. po zakończeniu sekcji oprogramowania i zawsze upewnij się, że podejmujesz środki ostrożności, gdy śmigła są włączone, na wypadek, gdyby coś poszło nie tak.

Krok 3: Oprogramowanie

Faza oprogramowania: (odnośna dokumentacja Navio2)

1. Pobierz najnowszy obraz Emlid Raspbian z dokumentacji Navio2.
2. Pobierz, rozpakuj i uruchom Etchera z uprawnieniami administratora.
3. Wybierz plik archiwum z obrazem i literą dysku karty SD.
4. Kliknij „Flash!”. Proces może potrwać kilka minut. (Przykładowy film)
5. Teraz, aby skonfigurować dostęp do WiFi, musimy edytować plik wpa_supplicant.conf znajdujący się na karcie SD. Edytuj go, aby wyglądał jak pierwsze zdjęcie u góry tego kroku. Uwaga: identyfikator ssid to nazwa TP-Link, która pojawia się na Twoim komputerze. Najlepszym sposobem na znalezienie dokładnego identyfikatora TP-Link jest podłączenie laptopa do TP-Link, a następnie uruchomienie poniższego polecenia w oknie terminala:

Dla okien: netsh wlan pokaż profile

Mac: domyślnie czytane /Library/Preferences/SystemConfiguration/com.apple.airport.preferences |grep SSIDString

psk to hasło podane na karcie dołączonej do TP-Linka.

1. Wyjmij kartę SD i włóż ją do Raspberry Pi i włącz ją.
2. Aby sprawdzić, czy Raspberry Pi jest podłączony do TP-Link, możesz użyć dowolnej z dostępnych aplikacji, które pokazują wszystkie urządzenia podłączone do Twojej sieci.
3. Konieczne jest ustawienie stałych adresów IP dla urządzeń podłączonych do Twojego TP-Linka, aby nie trzeba było za każdym razem zmieniać adresów IP na kodach, które piszesz. Możesz to po prostu zrobić, otwierając tplinkwifi.net (oczywiście podczas połączenia z TP-Link). Wprowadź nazwę użytkownika: admin i hasło: admin. Przejdź do „DHCP” w menu po lewej stronie ekranu, a następnie wybierz „Rezerwacja adresu” z menu rozwijanego. Dodaj adresy MAC urządzeń, którym chcesz przypisać adresy IP. Tutaj stacji naziemnej (Laptop) przypisano adres IP 192.168.0.110, a Raspberry Pi 192.168.0.111.
4. Teraz musimy pobrać MAVProxy z poniższego linku.
5. Teraz utwórz plik.bat, który wygląda jak drugi obraz u góry tego kroku, i upewnij się, że używasz ścieżki do pliku, w której plik mavproxy.exe jest zapisany na laptopie. Będziesz musiał uruchomić ten plik (poprzez dwukrotne kliknięcie) za każdym razem, gdy chcesz połączyć się z dronem.
6. Aby Raspberry Pi komunikowało się z MAVProxy, plik musi być edytowany na Pi.

7. Wpisz sudo nano /etc/default/arducopter w terminalu Linux Raspberry Pi, na którym znajduje się autopilot Navio2.

8. W górnym wierszu otwieranego pliku powinien znajdować się napis TELEM1=”-A udp:127.0.0.1:14550”. Należy to zmienić, aby wskazywał na adres IP twojego komputera.
9. Zainstaluj Mission Planner i przejdź do sekcji Pierwsza konfiguracja.

Krok 4: Pierwsza konfiguracja

Aby połączyć się z UAV, postępuj zgodnie z tą procedurą:

1. Uruchom zarówno plik MAVProxy.bat, jak i Mission Planner.
2. Podłącz baterię do UAV i odczekaj około 30-60 sekund. To da mu czas na połączenie z siecią bezprzewodową.
3. Kliknij przycisk połączenia w prawym górnym rogu Mission Planner. W pierwszym wyświetlonym oknie dialogowym wpisz 127.0.0.1 i kliknij OK. W następnym polu wpisz numer portu 14551 i kliknij OK. Po kilku sekundach Mission Planner powinien połączyć się z twoim MAV i zacząć wyświetlać dane telemetryczne w lewym panelu.

Kiedy konfigurujesz UAV po raz pierwszy, konieczne jest skonfigurowanie i kalibracja niektórych komponentów sprzętowych. Dokumentacja ArduCoptera zawiera dokładny przewodnik dotyczący konfiguracji typu ramy, kalibracji kompasu, kalibracji sterowania radiowego, kalibracji akcelerometru, konfiguracji trybu nadajnika rc, kalibracji ESC i konfiguracji zakresu silnika.

W zależności od tego, jak zamontowałeś Raspberry Pi na dronie, może być konieczna zmiana orientacji płytki w planowaniu misji. Można to zrobić, dostosowując parametr Board Orientation (AHRS_ORIENTATION) na liście parametrów zaawansowanych w zakładce Config/Tuning w Mission Planner.

Krok 5: Pierwszy lot

Gdy sprzęt i oprogramowanie są gotowe, czas przygotować się do pierwszego lotu. Zaleca się, aby przed próbą samodzielnego lotu bezzałogowym samolotem latać ręcznie za pomocą nadajnika, aby wyczuć obsługę samolotu i naprawić ewentualne problemy.

Dokumentacja ArduCoptera zawiera bardzo szczegółową i pouczającą sekcję dotyczącą Twojego pierwszego lotu. Omawia różne tryby lotu, które są dostarczane z ArduCopterem i co robi każdy z tych trybów. W przypadku pierwszego lotu tryb stabilizacji jest najbardziej odpowiednim trybem lotu.

ArduCopter ma wiele wbudowanych funkcji bezpieczeństwa. Jedną z tych funkcji są kontrole bezpieczeństwa przed uzbrojeniem, które uniemożliwiają uzbrojenie drona w przypadku wykrycia jakichkolwiek problemów. Większość z tych kontroli jest ważna dla zmniejszenia ryzyka wypadku lub utraty samolotu, ale w razie potrzeby mogą one zostać wyłączone.

Uzbrajanie silników ma miejsce, gdy autopilot zasila silniki, aby umożliwić im wirowanie. Przed uzbrojeniem silników ważne jest, aby dron znajdował się na otwartej przestrzeni, z dala od ludzi lub przeszkód lub na bezpiecznej arenie latania. Bardzo ważne jest również, aby w pobliżu śmigieł nic nie znajdowało się, zwłaszcza części karoserii i inne rzeczy, które zostaną przez nie uszkodzone. Gdy wszystko jest jasne, a pilot jest przekonany, że można bezpiecznie uruchomić, silniki można uzbroić. Ta strona zawiera szczegółowy zestaw instrukcji dotyczących uzbrajania drona. Jedyne różnice między tym przewodnikiem a Navio2 dotyczą kroku 7 uzbrajania i kroku 2 rozbrojenia. Aby uzbroić Navio2, oba drążki muszą być przytrzymane i na środku przez kilka sekund (patrz rysunek). Aby rozbroić oba drążki należy przytrzymać w dół i na boki przez kilka sekund (patrz rysunek).

Aby wykonać swój pierwszy lot, postępuj zgodnie z tym przewodnikiem.

Po pierwszym locie może być konieczne wprowadzenie pewnych zmian. Dopóki sprzęt jest w pełni sprawny i poprawnie skonfigurowany, zmiany te będą miały przede wszystkim postać strojenia PID. Ten przewodnik zawiera kilka przydatnych wskazówek dotyczących dostrajania quadkoptera, jednak w naszym przypadku wystarczyło lekkie zmniejszenie wzmocnienia P, aby samolot był stabilny. Gdy samolot jest już zdolny do lotu, możliwe jest użycie funkcji automatycznego dostrajania ArduCoptera. To automatycznie dostraja PID, aby zapewnić najszybszą odpowiedź, pozostając jednocześnie stabilnym. Dokumentacja ArduCoptera zawiera szczegółowy przewodnik jak przeprowadzić autotuning.

Jeśli napotkasz problemy w którymkolwiek z tych kroków, przewodnik rozwiązywania problemów może być w stanie pomóc.

Krok 6: Lot autonomiczny

Planista misji

Teraz, gdy twój helikopter został dostrojony i może latać dobrze pod kontrolą ręczną, można zbadać lot autonomiczny.

Najłatwiejszym sposobem na wejście w lot autonomiczny jest użycie Mission Planner, ponieważ zawiera on szeroki wachlarz rzeczy, które możesz zrobić ze swoim samolotem. Lot autonomiczny w Mission Planner dzieli się na dwie główne kategorie; wstępnie zaplanowane misje (tryb automatyczny) i misje na żywo (tryb z przewodnikiem). Ekran Planera lotu w Planerze misji może być użyty do zaplanowania lotu składającego się z punktów trasy do odwiedzenia i działań do wykonania, takich jak robienie zdjęć. Punkty trasy można wybrać ręcznie lub można użyć narzędzia automatycznego wyznaczania trasy do wygenerowania misji w celu zbadania obszaru. Po zaplanowaniu misji i wysłaniu jej do drona można użyć trybu automatycznego lotu, aby samolot mógł autonomicznie podążać za wcześniej zaplanowaną misją. Oto przydatny przewodnik dotyczący planowania misji.

Tryb z przewodnikiem to sposób na interaktywne wydawanie UAV pewnych poleceń. Odbywa się to za pomocą zakładki akcji w Planerze misji lub klikając prawym przyciskiem myszy na mapie. UAV można nakazać wykonanie wielu rzeczy, takich jak start, powrót do startu i lot do wybranej lokalizacji, klikając prawym przyciskiem myszy mapę w wybranej lokalizacji i wybierając opcję Fly To Here.

Bezpieczeństwo w razie awarii jest ważną rzeczą do rozważenia podczas autonomicznego lotu, aby zapewnić, że jeśli coś pójdzie nie tak, samolot nie zostanie uszkodzony, a ludzie nie odniosą obrażeń. Mission Planner ma wbudowaną funkcję Geo-Fence, która może być wykorzystana do ograniczenia miejsca, w którym UAV może latać i powstrzymania go przed zbyt daleko lub zbyt wysoko. Warto rozważyć przywiązanie UAV do ziemi podczas pierwszych kilku lotów jako kolejną kopię zapasową. Na koniec ważne jest, aby mieć włączony nadajnik radiowy i podłączony do drona, aby w razie potrzeby można było przełączyć się z autonomicznego trybu lotu na ręczny tryb lotu, taki jak stabilizacja lub alt-hold, aby można było bezpiecznie pilotować UAV lądować.

MATLAB

Autonomiczne sterowanie za pomocą MATLAB jest znacznie mniej proste i wymaga wcześniejszej wiedzy programistycznej.

Skrypty MATLAB real_search_polygon i real_search umożliwiają generowanie wcześniej zaplanowanych misji w celu przeszukania zdefiniowanego przez użytkownika wielokąta. Skrypt real_search_polygon planuje ścieżkę nad wielokątem zdefiniowanym przez użytkownika, podczas gdy skrypt real_search planuje ścieżkę nad minimalnym prostokątem obejmującym wielokąt. Kroki, aby to zrobić, są następujące:

1. Otwórz Planer misji i przejdź do okna Plan lotu.
2. Narysuj wielokąt nad żądanym obszarem wyszukiwania za pomocą narzędzia wielokąta.
3. Zapisz wielokąt jako „search_area.poly” w tym samym folderze, co skrypt MATLAB.
4. Przejdź do MATLAB i uruchom real_search_polygon lub real_search. Upewnij się, że wybrałeś żądaną szerokość ścieżki i zmień file_path w wierszu 7 na właściwy katalog, w którym pracujesz.
5. Po uruchomieniu skryptu i zadowoleniu z wygenerowanej ścieżki wróć do Mission Planner.
6. Kliknij Załaduj plik WP po prawej stronie i wybierz plik punktu drogi „search_waypoints.txt”, który właśnie utworzyłeś.
7. Kliknij Napisz WP po prawej stronie, aby wysłać punkty do drona.
8. Uzbrój drona i wystartuj ręcznie lub klikając prawym przyciskiem myszy mapę i wybierając start.
9. Gdy znajdziesz się na rozsądnej wysokości, zmień tryb na auto, a dron rozpocznie misję.
10. Po zakończeniu misji kliknij RTL w zakładce akcji, aby przywrócić drona do miejsca startu.

Film na początku tego kroku jest symulacją w Mission Planner przeszukiwania obszaru przez UAV.

Krok 7: Wizja

Misją drona jest latanie nad górami lub dziczą i wykrywanie ludzi lub nieregularnych obiektów, a następnie przetwarzanie ich, aby sprawdzić, czy ta osoba potrzebuje pomocy. Najlepiej byłoby to zrobić za pomocą drogiej kamery na podczerwień. Jednak ze względu na wysokie koszty kamer termowizyjnych, zamiast tego detekcja w podczerwieni przypomina wykrywanie wszystkich niezielonych obiektów za pomocą zwykłej kamery Pi.

1. ssh do Raspberry Pi
2. Przede wszystkim musimy zainstalować OpenCV na Raspberry Pi. Poniższy przewodnik dostarczony przez pyimagesearch jest jednym z najlepszych dostępnych w Internecie.
3. Pobierz kod do Raspberry Pi z GitHub, korzystając z poniższego linku. Aby pobrać kod na Raspberry Pi, możesz pobrać plik na swój komputer, a następnie przesłać go do Raspberry Pi.
4. Aby uruchomić kod, przejdź do katalogu, w którym znajduje się kod w Raspberry Pi, a następnie uruchom polecenie:

python color_target_detection.py --conf conf.json

CIĄGŁE UŻYWANIEZa każdym razem, gdy ponownie uruchamiasz raspberry pi, musisz uruchomić następujące polecenia:

sudo ssh [email protected] -X

źródło ~/.profil

praca na cv

Następnie przejdź do kroku 4 powyżej.

Ważna uwaga: NIE wszystkie terminale są w stanie wyświetlać filmy. Na Macu użyj terminala XQuartz.