Дрон для осмотра растений своими руками (складной трикоптер с ограниченным бюджетом): 20 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

В нашем загородном доме у нас есть красивый небольшой сад с множеством фруктов и овощей, но иногда просто трудно угнаться за тем, как меняются растения. Им нужен постоянный присмотр, и они очень уязвимы к погодным условиям, инфекциям, ошибкам и т. Д.

У меня было много запчастей для мультикоптеров из старых проектов, лежащих в моем ящике с инструментами, поэтому я решил спроектировать и построить дрон, который может выполнять анализ оборудования с помощью Rasperry Pi Zero W и его NoIR PiCamera. Я также хотел снять видео по этому проекту, но это довольно сложно рядом с университетом, поэтому я просто загружу необработанные кадры.

Теория изображения в ближнем инфракрасном диапазоне

Рекомендую прочитать эту статью в Википедии. Короче говоря, когда растения нормально функционируют, они отражают инфракрасный свет, исходящий от Солнца. Инфракрасный свет видят многие животные, например змеи и рептилии, но ваша камера тоже его видит (попробуйте с помощью пульта ДУ от телевизора). Если вы удалите ИК-фильтр с камеры, вы получите лиловое размытое изображение. Если вы не хотите сломать камеру, попробуйте использовать камеру NoIR PiCamera, которая в основном аналогична стандартной PiCamera, но не имеет встроенного ИК-фильтра. Если вы поместите инфра-синий фильтр под объектив камеры, вы получите только ИК-свет на красном канале, синий свет на синем канале, зеленый и красный будут отфильтрованы. Используя формулу нормализованного разностного индекса вегетации для каждого пикселя, вы можете получить очень хороший индикатор здоровья вашего растения и фотосинтетической активности. С помощью этого проекта я смог просканировать наш задний двор и идентифицировать нездоровое растение под нашим грушевым деревом.

Почему трикоптер?

Я люблю трикоптеры немного больше, чем, например, квадроциклы, из-за их эффективности. У них более продолжительное время полета, они дешевле, и вы можете сложить их, что, вероятно, является лучшей особенностью, когда дело доходит до дронов DIY. Мне также нравится летать на этом трикоптере, у них есть несколько «самолетное» управление, которое вы испытаете, если создадите этот дрон вместе со мной. Когда дело доходит до Триса, имя Дэвида Виндестала, вероятно, первое в поиске Google, я рекомендую заглянуть на его сайт, я тоже использую его дизайн складной рамы.

Шаг 1. Видеосъемка полета

Это был мой второй испытательный полет, когда коптер был уже настроен и готов к анализу растений. У меня есть записи с моей экшн-камеры, вы можете увидеть наши красивые окрестности с высоты птичьего полета. Если вы хотите увидеть записи NDVI, перейдите к последнему шагу этой инструкции. К сожалению, у меня не было времени написать подробное видео о том, как управлять этим трикоптером, но я загрузил это короткое летное тестовое видео.

Шаг 2: Необходимые инструменты и детали

За исключением деревянных стрел и баллончика с краской, все детали у меня лежали в ящике с инструментами, поэтому общая стоимость этого проекта составила для меня около 5 долларов, но я постараюсь найти ссылки на eBay или Banggood на каждую деталь, которую я использовал. Я настоятельно рекомендую поискать запчасти, возможно, вы сможете получить лучшую цену, чем я.

Инструменты

• Паяльник
• Инструмент Dremel
• 3D-принтер (у меня его нет, мне помог друг)
• Режущие инструменты
• Кусачки
• Супер клей
• Застежки-молнии (их много, в 2-х размерах)
• Краска-спрей (на ваш вкус - я использовала черный)

Запчасти

1. Контроллер полета ArduCopter (я использовал старый APM 2.8, но вы должны выбрать PixHawk или PIX Mini)
2. Антенна GPS с магнитометром
3. Модуль телеметрии MAVLink (для связи с наземной станцией)
4. 6-канальный приемник + передатчик
5. Видео передатчик
6. Серводвигатель (крутящий момент не менее 1,5 кг)
7. 10-дюймовые пропеллеры (2 против часовой стрелки, 1 по часовой + дополнительно для замены)
8. 3 регулятора скорости 30A SimonK (электронный регулятор скорости) + 3 двигателя 920 кв.
9. Аккумулятор 3S 5,2 Ач
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (поставляется с фильтром инфра-синего)
11. 2 ремня для аккумулятора
12. Опоры для гашения вибрации
13. Деревянные штанги квадратной формы 1,2 см (я купил штангу 1,2 метра)
14. Деревянная пластина толщиной 2-3 мм
15. Экшн-камера (я использовал клон GoPro с поддержкой 4k - SJCAM 5000x)

Это те детали, которые я использовал для своего дрона, не стесняйтесь изменять его по своему вкусу. Если вы не знаете, что использовать, оставьте комментарий, и я постараюсь вам помочь. Примечание: я использовал снятую с производства плату APM в качестве полетного контроллера, потому что у меня была одна запасная. Летает хорошо, но эта плата больше не поддерживается, поэтому вам, вероятно, следует приобрести другой полетный контроллер, совместимый с ArduCopter для отличных функций GPS.

Шаг 3: вырезание рамы

Загрузите файл рамки, распечатайте его и вырежьте. Убедитесь, что размер напечатан правильно, затем с помощью ручки отметьте форму и отверстия на деревянной пластине. Используйте пилу, чтобы вырезать раму, и просверлите отверстия сверлом 3 мм. Вам понадобятся только два из них, я только что сделал 4 в качестве запасных частей.

Шаг 4: соберите раму

Я использовал 3-миллиметровые винты и гайки для сборки рамы. Я отрезал каждую штангу длиной 35 см и оставил одну штангу длиной 3 см впереди рамы. Не перетягивайте суставы, но убедитесь, что трение достаточно, чтобы руки не складывались. Это действительно умный дизайн, я два раза разбился и ничего, только руки сложены назад.

Шаг 5: сверление отверстий для двигателей

Проверьте размер винтов двигателя и расстояние между ними, затем просверлите два отверстия в левом и правом деревянных рычагах. Мне пришлось просверлить в рычагах отверстие глубиной 5 мм и шириной 8 мм, чтобы у валов было достаточно места для вращения. Используйте наждачную бумагу, чтобы удалить эти маленькие осколки и сдувать пыль. Не допускайте попадания пыли в моторы, потому что это может вызвать ненужное трение и нагрев.

Шаг 6: складывание крепления GPS

Мне пришлось просверлить дополнительные отверстия для моей GPS-антенны, чтобы она хорошо подошла. Вы должны расположить компас высоко, чтобы он не мешал магнитному полю двигателей и проводов. Это простая складная антенна, которая помогает мне сохранять максимальную компактность.

Шаг 7: Покраска рамы

Теперь вам нужно все открутить и покрасить. В итоге я выбрал этот матовый спрей глубокого черного цвета. Я зацепила детали на нитке и просто раскрасила. Для действительно хорошего результата используйте 2 или более слоев краски. Первый слой, вероятно, будет выглядеть немного размытым, потому что древесина будет впитывать влагу. Что ж, это случилось в моем случае.

Шаг 8: Установка платформы гашения вибрации

У меня была эта платформа держателя кардана, которая в моей сборке также служит держателем батареи. Вы должны закрепить его под рамой с помощью стяжек и / или винтов. Вес батареи помогает поглощать сильную вибрацию, поэтому вы получаете действительно хорошие кадры с камеры. Также можно установить шасси на пластиковые стержни, мне показалось, что в этом нет необходимости. Этот черный цвет сработал хорошо, на этом этапе у вас должна быть красивая рамка, и пора настроить контроллер полета.

Шаг 9: Настройка ArduCopter

Для настройки полетного контроллера вам понадобится дополнительное бесплатное программное обеспечение. Загрузите Планировщик миссий в Windows или APM Planner в Mac OS. Когда вы подключаете свой полетный контроллер и открываете программное обеспечение, помощник мастера установит последнюю версию прошивки на вашу плату. Он также поможет вам откалибровать компас, акселерометр, радиоконтроллер и режимы полета.

Режимы полета

Я рекомендую использовать стабилизацию, удержание высоты, медлительность, круг, возврат домой и приземление в качестве шести режимов полета. Круг действительно полезен, когда дело доходит до осмотра растений. Он будет вращаться вокруг заданной координаты, поэтому он помогает очень точно анализировать ваши растения со всех сторон. Я могу двигаться по орбите с помощью палочек, но мне трудно поддерживать идеальный круг. Loiter похож на парковку вашего дрона в небе, поэтому вы можете делать снимки NDVI с высоким разрешением, а RTH полезен, если вы теряете сигнал или теряете ориентацию вашего дрона.

Обратите внимание на свою проводку. Используйте схему, чтобы подключить ESC к правильным контактам и проверить в Планировщике миссий разводку ваших входных каналов. Никогда не тестируйте их с опорой!

Шаг 10: Установка GPS, камеры и полетного контроллера

После того, как ваш полетный контроллер откалиброван, вы можете использовать поролоновую ленту и закрепить ее посередине рамы. Убедитесь, что он обращен вперед и в нем достаточно места для кабелей. Закрепите GPS винтами 3 мм и используйте стяжки, чтобы удерживать камеру на месте. Эти клоны GoPro поставляются со всеми утилитами для монтажа, поэтому установить его было довольно просто.

Шаг 11: регуляторы скорости и кабель питания

Мои батареи имеют разъем XT60, поэтому я припаял 3 положительных и 3 отрицательных провода к каждому контакту разъема-розетки. Используйте термоусадочную трубку, чтобы защитить соединения от короткого замыкания (вы также можете использовать изоленту). Когда вы припаяете эти толстые провода, потрите их вместе и закрепите медной проволокой, а затем добавьте много расплавленного припоя. Вам не нужно никаких холодных паяных соединений, особенно при включении регуляторов скорости.

Шаг 12: приемник и антенны

Для хорошего приема сигнала необходимо установить антенны под углом 90 градусов. Я использовал стяжки и термоусадочные трубки, чтобы закрепить антенны приемника на передней части дрона. Большинство приемников поставляются с кабелями, а каналы промаркированы, чтобы их было легко настроить.

Шаг 13: Хвостовой механизм

Хвостовой механизм - это душа трикоптера. Я нашел этот дизайн в Интернете и попробовал. Мне казалось, что первоначальный дизайн был немного слабоват, но если вы перевернете механизм, он работает отлично. Лишнюю часть вырезаю дремелем. На картинке может показаться, что мой серводвигатель немного страдает, но работает безупречно. При затяжке шурупов используйте небольшую каплю суперклея, чтобы они не упали из-за вибрации; Или вы можете застегнуть моторы, как я.

Шаг 14: Выполнение теста зависания и настройки ПИД-регулятора

Дважды проверьте все свои соединения и убедитесь, что вы ничего не поджарите при подключении аккумулятора. Установите пропеллеры и попробуйте парить вместе с дроном. Моя была довольно плавной из коробки, мне просто пришлось немного отрегулировать рыскание, потому что это слишком сильно исправляло. Я не могу научить настройку ПИД-регулятора в этом руководстве, я узнал почти все из видеоурока Джошуа Бардвелла. Он объяснил это гораздо лучше, чем я.

Шаг 15: Выберите Raspberry и установите Raspbian (Джесси)

Я хотел, чтобы его вес был как можно более легким, поэтому я выбрал RPi Zero W. Я использую Raspbian Jessie, потому что в более новых версиях были некоторые проблемы с OpenCV, который мы используем для расчета индекса растительности из необработанного материала. Если вам нужен более высокий FPS, вам следует выбрать Raspberry Pi v4. Вы можете скачать программное обеспечение здесь.

Установка зависимостей

Мы собираемся использовать в этом проекте PiCamera, OpenCV и Numpy. В качестве датчика изображения я выбрал меньшую 5-мегапиксельную камеру, которая совместима только с платами Zero.

1. Вспышка изображения с помощью любимого инструмента (мне нравится Balena Etcher).
2. Загрузите Raspberry с подключенным монитором.
3. Включите камеры и интерфейсы SSH.
4. Проверьте свой IP-адрес с помощью ifconfig в терминале.
5. Подключитесь по SSH к вашему RPi с помощью команды ssh pi @ YOUR_IP.
6. Скопируйте и вставьте инструкции по установке необходимого программного обеспечения:

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 (для тестирования) import cv2 cv2._ version_

Вы должны увидеть ответ с номером версии вашей библиотеки OpenCV.

Шаг 16: Тестирование камеры NoIR и визуализации NDVI

Выключите плату RPi, вставьте камеру, и тогда мы попробуем сделать с ней изображение NDVI. Вы можете видеть на цветке (тот, что на красном фоне), что более зеленые части внутри показывают некоторую фотосинтетическую активность. Это был мой первый тест, который проводился с Infragram. Я изучил все формулы и цветовое отображение на их сайте, чтобы написать полностью функциональный код. Чтобы сделать вещи более автоматизированными, я сделал скрипт Python, который захватывает кадры, вычисляет изображения NDVI и сохраняет их в разрешении 1080p на коптере.

У этих изображений будет странная цветовая карта, и они будут выглядеть так, как будто они с другой планеты. Сделайте несколько тестов, измените некоторые переменные, настройте датчик перед первой миссией.

Шаг 17: установка RPi Zero W на дрон

Я установил Pi Zero на переднюю часть трикоптера. Вы можете смотреть камерой вперед, как я, или вниз. Причина, по которой я смотрю вперед, состоит в том, чтобы показать разницу между растениями и другими нефотосинтезирующими объектами. Примечание. Может случиться так, что некоторые поверхности отражают инфракрасный свет или они теплее окружающей среды, в результате чего они приобретают ярко-желтый цвет.

Шаг 18: Добавление видеопередатчика (необязательно)

У меня тоже был этот видеомагнитофон, поэтому он был установлен на заднем рычаге моего коптера. Он имеет дальность действия 2000 метров, но я не использовал его при проведении тестов. Только для удовольствия полетел в режиме FPV. Когда я не использую его, кабели удаляются, в противном случае они спрятаны под рамой, чтобы моя сборка оставалась красивой и чистой.

Шаг 19: Проведение анализа растений

Я сделал два 25-минутных полета для правильного анализа. Большинство наших овощей вроде бы в порядке, картофель нуждался в дополнительном уходе и поливе. Собираюсь проверить, что помогло через несколько дней. На фото они выглядят довольно зелеными по сравнению с оранжевыми и розовыми деревьями.

Мне нравится делать круговые полеты, чтобы я мог рассмотреть растения со всех сторон. Вы можете ясно видеть, что под фруктовыми деревьями некоторые овощи не получают достаточно солнечного света, что делает их синими или черными на изображениях NDVI. Это не проблема, если одна часть дерева не получает достаточно солнечного света в течение дня, но плохо, если все растение становится черно-белым.

Шаг 20: безопасный полет;)

Спасибо, что прочитали это руководство, я надеюсь, что некоторые из вас попытаются поэкспериментировать с визуализацией NDVI или с созданием дронов. Мне было очень весело делать этот проект с нуля из деревянных деталей, если вам тоже нравится, вы можете подумать о том, чтобы помочь мне своим любезным голосованием. О, летайте безопасно, никогда не поднимайтесь над людьми и наслаждайтесь своим хобби!

Первый приз в испытании Make It Fly Challenge