Drona de grădinărit pentru inspecția plantelor DIY (Tricopter pliabil la un buget): 20 de pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

La casa noastră de weekend avem o grădină frumoasă, cu o mulțime de fructe și legume, dar uneori este greu să ții pasul cu modul în care plantele se schimbă. Au nevoie de supraveghere constantă și sunt foarte vulnerabili la vreme, infecții, bug-uri, etc …

Aveam o mulțime de piese de schimb multicoptere din proiecte vechi așezate în cutia mea de instrumente, așa că am decis să proiectez și să construiesc o dronă care să poată face analize de plante folosind un Rasperry Pi Zero W și camera NoIR PiCamera. De asemenea, am vrut să fac un videoclip despre acest proiect, dar este destul de greu lângă universitate, așa că voi încărca doar filmările brute.

Teoria din spatele imaginii aproape cu infraroșu

Vă recomand să citiți acest articol Wikipedia. Pe scurt, când plantele funcționează normal, ele reflectă lumina infraroșie provenită de la Soare. O mulțime de animale pot vedea lumina IR, cum ar fi șerpii și reptilele, dar camera dvs. o poate vedea și ea (încercați-o cu o telecomandă TV). Dacă scoateți filtrul IR de pe camera dvs., veți obține o imagine purpurie, spălată. Dacă nu doriți să vă rupeți camera, atunci ar trebui să o încercați cu NoIR PiCamera, care este practic aceeași cu PiCamera standard, dar nu are un filtru IR încorporat. Dacă așezați filtrul infra-albastru sub obiectivul camerei dvs., veți primi doar lumină IR pe canalul roșu, lumina albastră pe canalul albastru, verde și roșu sunt filtrate. Folosind formula indicelui de vegetație diferență normalizată pentru fiecare pixel, puteți obține un indicator foarte bun asupra stării de sănătate a plantei și a activității fotosintetice. Cu acest proiect am reușit să scanez curtea noastră și să identific o plantă nesănătoasă sub paraul nostru.

De ce un Tricopter?

Îmi plac tricopterele puțin mai mult decât quad-urile, de exemplu, datorită eficienței lor. Au timp de zbor mai mare, sunt mai ieftini și le puteți plia, care este probabil cea mai bună caracteristică unică atunci când vine vorba de drone DIY. De asemenea, îmi place să zbor cu acest tricopter, au un control oarecum „avion-ish” pe care îl veți experimenta dacă construiți această dronă împreună cu mine. Când vine vorba de tris, numele lui David Windestal este probabil primul dintr-o căutare pe Google, vă recomand să-i verificați site-ul, folosesc și designul său de cadru pliant.

Pasul 1: Filmări de zbor

Acesta a fost cel de-al doilea zbor de testare în care elicopterul era deja reglat și gata să facă analize de plantă. Am câteva înregistrări la bord de la camera mea de acțiune, puteți vedea împrejurimile noastre frumoase dintr-un ochi de pasăre. Dacă doriți să vedeți înregistrările NDVI, mergeți la ultimul pas al acestui instructiv. Din păcate, nu am avut timp să realizez un videoclip complet despre ghidarea acestui tricopter, dar am încărcat acest scurt video de testare de zbor.

Pasul 2: Instrumente și piese necesare

Cu excepția brațelor din lemn și a spray-ului de vopsea, am avut fiecare piesă așezată în cutia mea de instrumente, astfel încât costul total al acestui proiect a fost de aproximativ 5 USD pentru mine, dar voi încerca să găsesc linkuri eBay sau Banggood către fiecare parte pe care am folosit-o. Vă recomand cu drag să căutați piesele în jur, poate puteți obține un preț mai bun decât am făcut-o eu.

Instrumente

• Ciocan de lipit
• Instrumentul Dremel
• Imprimantă 3D (nu am una, prietenul meu m-a ajutat)
• Instrumente de tăiere
• Cleste de sarma
• Super-lipici
• Cravate cu fermoar (multe dintre ele, în 2 dimensiuni)
• Paint Spray (cu o culoare care îți place - am folosit negru)

Părți

1. ArduCopter Flight Controller (am folosit un APM 2.8 vechi, dar ar trebui să alegeți un PixHawk sau PIX Mini)
2. Antena GPS cu magnetometru
3. Modul de telelemetrie MAVLink (pentru comunicarea stației terestre)
4. Receptor 6CH + Transmițător
5. Transmițător video
6. Servomotor (cuplu de cel puțin 1,5 kg)
7. Elice de 10 "(2 CCW, 1 CW + extra pentru înlocuire)
8. 3 30A SimonK ESCs (Electronic Speed Controller) + 3 motoare de 920kv
9. Baterie 3S 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (vine cu filtru infra-albastru)
11. 2 curele de baterie
12. Suporturi de amortizare a vibrațiilor
13. Brațe din lemn în formă de pătrat de 1,2 cm (am cumpărat o tijă de 1,2 metri)
14. Placă de lamă groasă de 2-3 mm
15. Camera de acțiune (am folosit o clonă GoPro capabilă 4k - SJCAM 5000x)

Acestea sunt părțile pe care le-am folosit pentru drona mea, nu ezitați să o modificați după bunul plac. Dacă nu sunteți sigur de ce să folosiți, lăsați un comentariu și voi încerca să vă ajut. Notă: Am folosit placa APM întreruptă ca controlor de zbor, deoarece aveam o rezervă. Zboară bine, dar această placă nu mai este acceptată, așa că probabil ar trebui să obțineți un alt controler de zbor care este compatibil ArduCopter pentru funcții GPS excelente.

Pasul 3: Tăierea cadrului

Descărcați fișierul cadru, imprimați-l și tăiați-l. Verificați dacă dimensiunea imprimată este corectă, apoi folosiți un stilou pentru a marca forma și găurile de pe placa de lemn. Folosiți un ferăstrău pentru a tăia cadrul și găuriți găurile cu un bit de 3 mm. Veți avea nevoie doar de două dintre acestea, tocmai am făcut 4 ca piese de schimb.

Pasul 4: Asamblați cadrul

Am folosit șuruburi și piulițe de 3 mm pentru a asambla cadrul. Am tăiat fiecare braț lung de 35cm și am lăsat unul lung de 3cm în fața cadrului. Nu strângeți excesiv articulațiile, dar asigurați-vă că există suficientă frecare, astfel încât brațele să nu se plieze. Acesta este un design foarte inteligent, m-am prăbușit de două ori și nimic numai cu brațele încrucișate.

Pasul 5: găuri de foraj pentru motoare

Verificați dimensiunea șuruburilor motorului și distanța dintre ele, apoi faceți două găuri în brațele din lemn stânga și dreapta. A trebuit să forez o gaură de 5 mm adâncime și 8 mm lățime în brațe, astfel încât arborii să aibă suficient spațiu pentru a se roti. Folosiți un șmirghel pentru a îndepărta acele așchii mici și aruncați praful. Nu doriți praf în motoare, deoarece acest lucru poate provoca frecare și căldură inutile.

Pasul 6: Montare GPS pliabilă

A trebuit să fac găuri suplimentare pentru antena GPS pentru o potrivire bună. Ar trebui să vă așezați busola sus, astfel încât să nu interfereze cu câmpul magnetic al motoarelor și al firelor. Aceasta este o antenă simplă pliabilă care mă ajută să-mi mențin configurarea cât mai compactă posibil.

Pasul 7: Pictarea cadrului

Acum trebuie să deșurubați totul și să faceți treaba. Am ajuns să aleg acest spray de culoare neagră mată. Am legat piesele de un fir și le-am pictat pur și simplu. Pentru un rezultat foarte bun, folosiți 2 sau mai multe straturi de vopsea. Primul strat probabil va arăta puțin spălat, deoarece lemnul va bea umezeala. Ei bine, asta s-a întâmplat în cazul meu.

Pasul 8: Montarea platformei de amortizare a vibrațiilor

Aveam această platformă de suport pentru cardan, care în construcția mea se înscrie și ca suport pentru baterii. Trebuie să montați acest lucru sub cadru cu ajutorul unor fermoare și / sau șuruburi. Greutatea bateriei ajută la absorbția multor vibrații, astfel încât veți obține o filmare foarte frumoasă a camerei. De asemenea, puteți monta niște trepte de aterizare pe tijele de plastic, am simțit că nu este necesar. Această culoare neagră a funcționat bine, în acest moment ar trebui să aveți un cadru frumos și este timpul să vă configurați controlerul de zbor.

Pasul 9: Configurarea ArduCopter

Pentru a configura controlerul de zbor, veți avea nevoie de un software gratuit suplimentar. Descărcați Mission Planner pe Windows sau APM Planner pe Mac OS. Când conectați controlerul de zbor și deschideți software-ul, un asistent asistent va instala cel mai recent firmware pe placa dvs. Vă va ajuta să vă calibrați busola, accelerometrul, controlerul radio și modurile de zbor.

Moduri de zbor

Vă recomand să utilizați Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home and Land ca mod de șase zbor. Cercul este foarte util atunci când vine vorba de inspecția plantelor. Acesta va orbita în jurul unei coordonate date, astfel încât vă ajută să vă analizați plantele din orice unghi într-un mod foarte precis. Pot face orbită cu bețele, dar este greu să menții un cerc perfect. Loiter este ca și cum ai parca drona pe cer, așa că poți face poze NDVI de înaltă rezoluție, iar RTH este util dacă pierzi semnalul sau pierzi orientarea dronei.

Acordați atenție cablajului. Utilizați schema pentru a conecta ESC-urile la pinii corecți și verificați în Mission Planner cablajul canalelor de intrare. Nu le testați niciodată cu recuzită!

Pasul 10: Instalarea GPS-ului, a camerei și a controlerului de zbor

Odată ce controlerul de zbor este calibrat, puteți folosi o bandă de spumă și o puteți instala pe mijlocul cadrului. Asigurați-vă că este orientat înainte și că aveți suficient spațiu pentru cabluri. Montați GPS-ul cu șuruburi de 3 mm și utilizați legături cu fermoar pentru a vă menține camera în poziție. Aceste clone GoPro vin cu toate utilitățile de montare, astfel încât a fost destul de simplu să îl instalați.

Pasul 11: ESC-uri și cablu de alimentare

Bateriile mele au un conector XT60, așa că am lipit 3 fire pozitive și 3 fire negative la fiecare pin al unui conector feminin. Folosiți niște tuburi termocontractabile pentru a proteja conexiunile împotriva scurtcircuitării acestora (puteți utiliza și bandă electrică). Când lipiți aceste fire groase, frecați-le împreună și fixați-le un fir de cupru, apoi adăugați o mulțime de lipit topit. Nu doriți articulații de lipit la rece, mai ales la alimentarea ESC-urilor.

Pasul 12: Receptor și antene

Pentru a avea o recepție bună a semnalului, trebuie să vă montați antenele la 90 de grade. Am folosit legături cu fermoar și tuburi termocontractibile pentru a monta antenele receptorului pe partea din față a dronei mele. Majoritatea receptoarelor vin cu cabluri, iar canalele sunt etichetate, astfel încât ar trebui să fie ușor de configurat.

Pasul 13: Mecanismul cozii

Mecanismul cozii este sufletul unui tricopter. Am găsit acest design online, așa că am încercat. Am simțit că designul original a fost puțin slab, dar dacă inversați mecanismul, acesta funcționează perfect. Am tăiat partea în exces cu un instrument dremel. Pe imagine poate părea că servomotorul meu suferă puțin, dar funcționează perfect. Folosiți o picătură de superglue atunci când strângeți șuruburile, astfel încât acestea să nu cadă din cauza vibrațiilor; sau poți lega cu fermoar motoarele așa cum am făcut eu.

Pasul 14: Efectuarea unui test de plutire și reglarea PID

Verificați din nou toate conexiunile și asigurați-vă că nu veți prăji nimic atunci când conectați bateria. Instalați elicele și încercați să vă deplasați cu drona. A mea a fost destul de netedă din cutie, a trebuit doar să fac puțină reglare a lacrimii, deoarece se corecta prea mult. Nu pot preda reglarea PID în acest instructabil, am învățat aproape totul din tutorialul video al lui Joshua Bardwell. El a explicat acest lucru mult mai bine decât am putut.

Pasul 15: Alegeți un zmeură și instalați Raspbian (Jessie)

Am vrut să păstrez acest lucru cât mai ușor posibil, așa că am mers cu RPi Zero W. Folosesc Raspbian Jessie, deoarece versiunile mai noi au avut unele probleme cu OpenCV pe care le folosim pentru a calcula indicele de vegetație din filmările brute. Dacă doriți o rată FPS mai mare, ar trebui să alegeți Raspberry Pi v4. Puteți descărca software-ul de aici.

Instalarea dependențelor

Vom folosi PiCamera, OpenCV și Numpy în acest proiect. Ca senzor de imagine, am ales camera de 5MP mai mică, care este compatibilă doar cu plăcile Zero.

1. Faceți flash-ul imaginii dvs. folosind instrumentul dvs. preferat (îmi place Balena Etcher).
2. Porniți Raspberry cu un monitor conectat.
3. Activați interfețele camerei și SSH.
4. Verificați adresa IP cu ifconfig în terminal.
5. SSH în RPi cu comanda ssh pi @ YOUR_IP.
6. Copiați și lipiți instrucțiunile pentru a instala software-urile necesare:

sudo apt-get update

sudo apt-get upgrade sudo apt-get install libtiff5-dev libjasper-dev libpng12-dev sudo apt-get install libjpeg-dev sudo apt-get install libavcodec-dev libavformat-dev libswscale-dev libv4l-dev sudo apt-get install libgtk2.0-dev sudo apt-get install libatlas-base-dev gfortran sudo pip install numpy python-opencv python (to test it) import cv2 cv2._ version_

Ar trebui să vedeți un răspuns cu numărul de versiune al bibliotecii dvs. OpenCV.

Pasul 16: Testarea camerei NoIR și a imaginii NDVI

Opriți placa RPi, introduceți camera și apoi putem încerca să facem niște imagini NDVI cu ea. Puteți vedea pe floare (cea cu fundal roșu), că părțile mai verzi din interior prezintă o activitate fotosintetică. Acesta a fost primul meu test, care a fost făcut cu Infragram. Am învățat toate formulele și maparea culorilor pe site-ul lor pentru a scrie un cod complet funcțional. Pentru a face lucrurile mai automatizate, am creat un script Python care captează cadre, calculează imaginile NDVI și le salvează în 1080p pe copter.

Aceste imagini vor avea o hartă colorată ciudată și vor arăta ca și cum ar fi de pe altă planetă. Faceți câteva teste, modificați unele variabile, reglați-vă senzorul înainte de prima misiune.

Pasul 17: Instalarea RPi Zero W pe dronă

Am instalat Pi Zero pe partea din față a tricopterului. Puteți să vă îndreptați camera spre înainte, așa cum am făcut sau în jos. Motivul pentru care al meu este orientat înainte este să arăt diferența dintre plante și alte obiecte non-fotosintetice. Notă: Se poate întâmpla ca unele suprafețe să reflecte lumina IR sau să fie mai calde decât mediul înconjurător, ceea ce le face să aibă o culoare galben strălucitor.

Pasul 18: Adăugarea unui transmițător video (opțional)

Aveam acest VTx așezat și așa instalat pe brațul din spate al elicopterului meu. Aceasta are o rază de acțiune de 2000 de metri, dar nu am folosit-o în timp ce făceam teste. Un zbor FPV a făcut doar distracție cu el. Când nu îl folosesc, cablurile sunt îndepărtate, altfel sunt ascunse sub cadru pentru a-mi menține construcția frumoasă și curată.

Pasul 19: Efectuarea analizei plantelor

Am făcut două zboruri de 25 de minute pentru o analiză adecvată. Majoritatea legumelor noastre păreau să fie în regulă, cartofii aveau nevoie de puțină îngrijire și udare. O să verific asta a ajutat în câteva zile. Arată destul de verde pe imagine în comparație cu copacii portocalii și roz.

Îmi place să fac zboruri în cerc, astfel încât să pot examina plantele din orice unghi. Puteți vedea clar că sub pomi fructiferi unele legume nu primesc suficientă lumină solară, ceea ce le face să devină albastre sau negre în imaginile NDVI. Nu este o problemă dacă o parte a copacului nu primește suficientă lumină solară la un moment al zilei, dar este rău dacă întreaga plantă se transformă în alb și negru.

Pasul 20: Zburați în siguranță;)

Vă mulțumim că ați citit acest Instructable, sper că unii dintre voi vor încerca să facă experimente cu imagistica NDVI sau cu drone de construcție. M-am distrat foarte mult realizând acest proiect de la zero din piese din lemn, dacă ți-a plăcut la fel de bine, ai putea lua în considerare să mă ajuți cu votul tău amabil. Oh, zboară în siguranță, niciodată deasupra oamenilor și bucură-te de hobby!

Premiul I în Provocarea Make It Fly