DIY záhradný dron na kontrolu rastlín (skladací trikoptéra s rozpočtom): 20 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

V našom víkendovom dome máme peknú malú záhradu s množstvom ovocia a zeleniny, ale niekedy je ťažké udržať krok s tým, ako sa rastliny menia. Potrebujú neustály dohľad a sú veľmi zraniteľní voči počasiu, infekciám, chybám atď.…

V súprave nástrojov som mal položených veľa náhradných dielov pre viac kópií zo starých projektov, a tak som sa rozhodol navrhnúť a zostrojiť dron, ktorý dokáže vykonávať analýzu rastlín pomocou Rasperry Pi Zero W a NoIR PiCamera. Chcel som tiež urobiť video o tomto projekte, ale vedľa univerzity je to dosť ťažké, takže vložím iba surové zábery.

Teória blízkeho infračerveného zobrazovania

Odporúčam prečítať si tento článok na Wikipédii. Stručne povedané, keď rastliny fungujú normálne, odrážajú infračervené svetlo prichádzajúce zo Slnka. Mnoho zvierat vidí infračervené svetlo, napríklad hady a plazy, ale vidí to aj vaša kamera (vyskúšajte to pomocou diaľkového ovládača televízora). Po odstránení infračerveného filtra z fotoaparátu získate purpurový, vyblednutý obraz. Ak si nechcete rozbiť kameru, mali by ste to skúsiť s NoIR PiCamera, ktorá je v zásade rovnaká ako štandardná PiCamera, ale nemá vstavaný IR filter. Ak umiestnite infračervený filter pod objektív fotoaparátu, bude odfiltrované iba IR svetlo na váš červený kanál, modré svetlo na modrý kanál, zelené a červené. Použitím vzorca normalizovaného rozdielového vegetačného indexu pre každý pixel môžete získať veľmi dobrý indikátor zdravia a fotosyntetickej aktivity vašej rastliny. Vďaka tomuto projektu som mohol naskenovať náš dvor a identifikovať nezdravú rastlinu pod hruškou.

Prečo trikoptéra?

Trikoptéry sa mi páčia o niečo viac ako štvorkolky, napríklad kvôli ich účinnosti. Majú dlhšie letové časy, sú lacnejšie a môžete ich zložiť, čo je pravdepodobne najlepšia vlastnosť, pokiaľ ide o DIY drony. Tiež ma baví lietanie s touto trikoptérou, majú trochu „lietadlové“ovládanie, ktoré zažijete, ak zostrojíte tento dron spolu so mnou. Pokiaľ ide o tris, meno Davida Windestala je pravdepodobne prvé vo vyhľadávaní Google, odporúčam pozrieť sa na jeho stránku, používam aj jeho skladací rám.

Krok 1: Zábery z letu

Toto bol môj druhý testovací let, kde bola helikoptéra už vyladená a pripravená na analýzu rastlín. Mám niekoľko palubných záznamov z mojej akčnej kamery, naše krásne okolie si môžete pozrieť z vtáčej perspektívy. Ak chcete vidieť nahrávky NDVI, prejdite na posledný krok tohto pokynu. Nanešťastie som nemal čas na úplné prevedenie sprievodného videa na tejto trikoptére, ale nahral som toto krátke video z letových skúšok.

Krok 2: Potrebné nástroje a diely

S výnimkou drevených ramien a spreja na farby som mal každú časť položenú v súprave nástrojov, takže celkové náklady na tento projekt boli pre mňa okolo 5 dolárov, ale pokúsim sa nájsť odkazy na eBay alebo Banggood na každú časť, ktorú som použil. Vrelo odporúčam porozhliadnuť sa po častiach, možno získate lepšiu cenu ako ja.

Nástroje

• Spájkovačka
• Nástroj Dremel
• 3D tlačiareň (nemám, priateľ mi pomohol)
• Rezacie nástroje
• Drôtová rezačka
• Super lepidlo
• Kravaty na zips (veľa z nich, v 2 veľkostiach)
• Sprej na farby (s farbou, ktorá sa vám páči - použil som čiernu)

Časti

1. Ovládač letu ArduCopter (použil som starý APM 2.8, ale mali by ste ísť na PixHawk alebo PIX Mini)
2. GPS anténa s magnetometrom
3. Telelemetrický modul MAVLink (pre komunikáciu s pozemnými stanicami)
4. 6CH prijímač + vysielač
5. Vysielač videa
6. Servomotor (krútiaci moment najmenej 1,5 kg)
7. 10 "vrtule (2 CCW, 1 CW + navyše na výmenu)
8. 3 30A SimonK ESC (elektronický regulátor otáčok) + 3 motory 920kv
9. Batéria 3S 5,2 Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (dodáva sa s infrablue filtrom)
11. 2 Popruhy na batérie
12. Držiaky na tlmenie vibrácií
13. Drevené výložníky v tvare štvorca 1,2 cm (kúpil som tyč s priemerom 1,2 metra)
14. 2-3 mm hrubá drevená doska Lamina
15. Akčná kamera (Použil som klon GoPro s rozlíšením 4k - SJCAM 5000x)

Toto sú diely, ktoré som použil pre svoj dron, pokojne si ho upravte podľa svojich predstáv. Ak si nie ste istí, čo použiť, zanechajte komentár a pokúsim sa vám pomôcť. Poznámka: Vyradenú dosku APM som použil ako letový ovládač, pretože som mal jednu náhradnú. Letí dobre, ale táto doska už nie je podporovaná, takže by ste pravdepodobne mali dostať ďalší letový ovládač, ktorý je kompatibilný s ArduCopter a ponúka skvelé funkcie GPS.

Krok 3: Orezanie rámu

Stiahnite si súbor rámca, vytlačte ho a vystrihnite. Skontrolujte, či je vytlačená veľkosť správna, a potom perom označte tvar a otvory na drevenej doske. Pílou odrežte rám a vyvŕtajte otvory 3 mm vrtákom. Budete potrebovať iba dva z nich, práve som vyrobil 4 ako náhradné diely.

Krok 4: Zostavte rám

Na zostavenie rámu som použil 3 mm skrutky a matice. Každý výložník som skrátil na 35 cm a na prednú stranu rámu som nechal 3 cm dlhý. Neuťahujte kĺby príliš, ale dbajte na dostatočné trenie, aby sa paže nezložili. Toto je skutočne chytrý dizajn, dvakrát som havaroval a nič len ruky boli založené.

Krok 5: Vŕtanie otvorov pre motory

Skontrolujte veľkosť skrutiek motora a vzdialenosť medzi nimi a potom vyvŕtajte dva otvory do ľavého a pravého dreveného ramena. Do ramien som musel vyvŕtať 5 mm hlboký a 8 mm široký otvor, aby mali šachty dostatok priestoru na točenie. Brúsnym papierom odstráňte malé triesky a vyfúkajte prach. Nechcete, aby vo vašich motoroch bol prach, pretože to môže spôsobiť zbytočné trenie a teplo.

Krok 6: Skladací držiak GPS

Aby som dobre sadol, musel som vyvŕtať ďalšie otvory pre svoju anténu GPS. Kompas by ste mali umiestniť vysoko, aby nerušil magnetické pole motorov a vodičov. Jedná sa o jednoduchú skladaciu anténu, ktorá mi pomáha udržať moje nastavenie čo najkompaktnejšie.

Krok 7: Maľovanie rámu

Teraz musíte všetko odskrutkovať a urobiť náter. Nakoniec som si vybral tento matný sýto čierny farebný sprej. Diely som zavesil na niť a jednoducho namaľoval. Na dosiahnutie skutočne dobrého výsledku použite 2 alebo viac vrstiev farby. Prvá vrstva bude pravdepodobne vyzerať trochu vyblednutá, pretože drevo bude piť vlhkosť. V mojom prípade sa to stalo.

Krok 8: Montáž platformy na tlmenie vibrácií

Mal som túto platformu kardanového držiaka, ktorá sa v mojej zostave zdvojnásobuje aj ako držiak batérie. Musíte to namontovať pod rám pomocou suchých zipsov a/alebo skrutiek. Hmotnosť batérie pomáha absorbovať veľa vibrácií, takže získate skutočne pekné zábery z kamery. Na plastové tyče môžete namontovať aj niektoré podvozky, cítil som, že je to zbytočné. Táto čierna farba sa osvedčila, v tomto mieste by ste mali mať pekne vyzerajúci rám a je načase nastaviť letový ovládač.

Krok 9: Nastavenie ArduCopter

Na nastavenie letového ovládača budete potrebovať ďalší bezplatný softvér. Stiahnite si Mission Planner pre Windows alebo APM Planner pre Mac OS. Keď zapojíte ovládač letu a otvoríte softvér, pomocník sprievodcu nainštaluje na vašu dosku najnovší firmvér. Pomôže vám to aj pri kalibrácii kompasu, akcelerometra, rádiového ovládača a letových režimov.

Letové režimy

Ako režim šiestich letov odporúčam použiť stabilizáciu, držanie nadmorskej výšky, loiter, kruh, návrat domov a pristátie. Kruh je skutočne užitočný, pokiaľ ide o inšpekciu závodu. Ide o obeh okolo danej súradnice, takže pomôže veľmi presne analyzovať vaše rastliny z každého uhla. S palicami môžem robiť obežnú dráhu, ale je ťažké udržať perfektný kruh. Loiter je ako zaparkovať dron na oblohe, takže môžete nasnímať obrázky NDVI s vysokým rozlíšením a RTH je užitočné, ak stratíte signál alebo stratíte orientáciu dronu.

Dávajte pozor na svoje zapojenie. Pomocou schémy zapojte svoje ESC do správnych kolíkov a v Plánovači misií skontrolujte zapojenie vašich vstupných kanálov. Nikdy ich netestujte s nasadenými rekvizitami!

Krok 10: Inštalácia systému GPS, fotoaparátu a ovládača letu

Akonáhle je váš letový ovládač kalibrovaný, môžete použiť penovú pásku a nainštalovať ju do stredu rámu. Uistite sa, že je otočený dopredu a má dostatok miesta na káble. Namontujte GPS pomocou 3 mm skrutiek a pomocou popruhov na zips držte fotoaparát na mieste. Tieto klony GoPro sú dodávané so všetkými montážnymi nástrojmi, takže inštalácia tohto bola celkom jednoduchá.

Krok 11: ESC a napájací kábel

Moje batérie majú konektor XT60, takže som ku každému kolíku ženského konektora spájkoval 3 kladné a 3 záporné vodiče. Na ochranu spojov pred skratom použite zmršťovaciu trubicu (môžete použiť aj elektrickú pásku). Keď spájate tieto hrubé drôty, potrite ich dohromady a pripevnite ich medeným drôtom a potom pridajte veľa roztavenej spájky. Nechcete žiadne spájkovanie za studena, najmä pri napájaní ESC.

Krok 12: Prijímač a antény

Ak chcete mať dobrý príjem signálu, musíte namontovať antény na 90 stupňov. Na pripevnenie antén prijímačov na prednú stranu dronu som použil zipsy a teplom zmrštiteľné trubice. Väčšina prijímačov je dodávaná s káblami a kanály sú označené tak, že by malo byť jednoduché ho nastaviť.

Krok 13: Chvostový mechanizmus

Chvostový mechanizmus je dušou trikoptéry. Našiel som tento dizajn online, tak som to skúsil. Mal som pocit, že pôvodný dizajn bol trochu slabý, ale ak obrátite mechanizmus, funguje to perfektne. Nadbytočnú časť som odrezal nástrojom dremel. Na obrázku sa môže zdať, že môj servomotor trochu trpí, ale funguje bezchybne. Pri uťahovaní skrutiek použite malú kvapku lepidla, aby v dôsledku vibrácií nespadli; alebo môžete zapnúť motory na zips ako ja.

Krok 14: Vykonajte test vznášania a ladenie PID

Dôkladne skontrolujte všetky svoje pripojenia a uistite sa, že pri pripájaní batérie nič nesprážate. Nainštalujte si vrtule a pokúste sa vznášať so svojim dronom. Ten môj bol po vybalení celkom plynulý, len som musel urobiť malé vybočenie, pretože sa príliš upravovalo. V tomto návode nemôžem naučiť ladenie PID, takmer všetko som sa naučil z video tutoriálu Joshuu Bardwella. Vysvetlil to oveľa lepšie, ako som mohol.

Krok 15: Vyberte si malinu a nainštalujte Raspbian (Jessie)

Chcel som, aby to bolo čo najmenšie, a tak som šiel s RPi Zero W. Používam Raspbian Jessie, pretože novšie verzie mali určité problémy s OpenCV, ktoré používame na výpočet vegetačného indexu zo surových záberov. Ak chcete vyššiu rýchlosť FPS, mali by ste zvoliť Raspberry Pi v4. Softvér si môžete stiahnuť tu.

Inštalácia závislostí

V tomto projekte použijeme PiCamera, OpenCV a Numpy. Ako obrazový snímač som zvolil menší 5MP fotoaparát, ktorý je kompatibilný iba s doskami Zero.

1. Odfoťte svoj obrázok pomocou svojho obľúbeného nástroja (páči sa mi Balena Etcher).
2. Spustite svoj Raspberry s pripojeným monitorom.
3. Povoliť rozhrania fotoaparátu a SSH.
4. Skontrolujte svoju IP adresu pomocou ifconfig v termináli.
5. SSH do RPi pomocou príkazu ssh pi@YOUR_IP.
6. Skopírujte a prilepte pokyny na inštaláciu požadovaného softvéru:

sudo apt-get aktualizácia

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 (na otestovanie) import cv2 cv2._ version_

Mali by ste vidieť odpoveď s číslom verzie vašej knižnice OpenCV.

Krok 16: Testovanie kamery NoIR a zobrazovania NDVI

Vypnite dosku RPi, vložte kameru a potom sa s ňou môžeme pokúsiť urobiť nejaké zobrazenie NDVI. Na kvete (ten s červeným pozadím) vidíte, že zelenšie časti vo vnútri vykazujú určitú fotosyntetickú aktivitu. Toto bol môj prvý test, ktorý bol vykonaný s infračerveným programom. Naučil som sa všetky vzorce a mapovanie farieb na ich stránkach, aby som mohol napísať plne funkčný kód. Aby boli veci automatizovanejšie, vytvoril som skript Python, ktorý zachytáva snímky, vypočítava obrázky NDVI a ukladá ich v rozlíšení 1080p do koptéra.

Tieto obrázky budú mať podivnú farebnú mapu a budú vyzerať ako z inej planéty. Vykonajte niekoľko testov, zmeňte niektoré premenné a dolaďte senzor pred prvou misiou.

Krok 17: Inštalácia RPi Zero W na dron

Nainštaloval som Pi Zero na prednú stranu trikoptéry. Môžete sa pozerať na svoju kameru dopredu rovnako ako ja alebo aj dole. Dôvod, prečo sa pozerám dopredu, je ukázať rozdiel medzi rastlinami a inými nefotosyntetickými predmetmi. Poznámka: Môže sa stať, že niektoré povrchy odrážajú infračervené svetlo alebo sú teplejšie ako okolie, čo spôsobuje, že majú jasne žltú farbu.

Krok 18: Pridanie vysielača videa (voliteľné)

Nechal som tento VTx tiež položiť, takže bol nainštalovaný na zadné rameno mojej helikoptéry. Má dosah 2 000 metrov, ale pri testoch som ho nepoužil. Let FPV s ním robil iba zábavu. Keď ho nepoužívam, káble sú odstránené, inak sú skryté pod rámom, aby bola moja konštrukcia pekná a čistá.

Krok 19: Vykonajte analýzu závodu

Urobil som dva 25 -minútové lety na správnu analýzu. Väčšina našej zeleniny sa zdala byť v poriadku, zemiaky potrebovali extra starostlivosť a zalievanie. Idem to skontrolovať, čo pomohlo o niekoľko dní. V porovnaní s oranžovými a ružovými stromami vyzerajú na obrázku pekne zeleno.

Rád robím kruhové lety, aby som mohol skúmať rastliny z každého uhla. Na obrázkoch NDVI môžete jasne vidieť, že pod ovocnými stromami niektoré druhy zeleniny nedostávajú dostatok slnečného svetla, a preto sú modré alebo čierne. Nie je problém, ak na jednu časť stromu v určitej časti dňa neprichádza dostatok slnečného svetla, ale je zlé, ak sa celá rastlina zmení na čiernobielu.

Krok 20: Lietajte bezpečne;)

Ďakujem, že ste si prečítali tento návod, dúfam, že sa niektorí z vás pokúsia experimentovať so zobrazovaním NDVI alebo so stavaním dronov. Pri vytváraní tohto projektu z nuly z drevených dielov som si užil veľa zábavy, ak by sa vám tiež páčil, môžete zvážiť pomoc mi svojim láskavým hlasovaním. Ach, lietajte bezpečne, nikdy nie nad ľuďmi a užívajte si koníčky!

Prvá cena v súťaži Make It Fly Challenge