Uradi sam Vrtlarski drone za inspekciju biljaka (sklopivi trokopter sa budžetom): 20 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

U našoj vikendici imamo lijep mali vrt s puno voća i povrća, ali ponekad je jednostavno teško pratiti kako se biljke mijenjaju. Potreban im je stalni nadzor i vrlo su osjetljivi na vremenske prilike, infekcije, greške itd …

U mojoj kutiji s alatima ležalo je puno rezervnih dijelova za više kooptera iz starih projekata pa sam odlučio dizajnirati i izgraditi bespilotnu letjelicu koja može analizirati biljke pomoću Rasperry Pi Zero W i njegove NoIR PiCamere. Htio sam i snimiti video o ovom projektu, ali to je prilično teško pored fakulteta pa ću samo postaviti sirove snimke.

Teorija iza infracrvenog snimanja

Preporučujem da pročitate ovaj članak na Wikipediji. Ukratko, kada biljke normalno funkcioniraju, one reflektiraju infracrveno svjetlo koje dolazi od Sunca. Mnoge životinje mogu vidjeti IC svjetlo, poput zmija i gmazova, ali to može vidjeti i vaša kamera (pokušajte s daljinskim upravljačem za TV). Ako uklonite IC filter sa fotoaparata, dobit ćete ljubičastu, ispranu sliku. Ako ne želite slomiti kameru, pokušajte s NoIR PiCamerom, koja je u osnovi ista kao standardna PiCamera, ali nema ugrađeni IC filter. Ako postavite infracrveni filter ispod objektiva fotoaparata, dobit ćete samo infracrveno svjetlo na vašem crvenom kanalu, plavo svjetlo na plavom kanalu, zeleno i crveno se filtriraju. Korištenjem normalizirane formule indeksa vegetacije različitosti za svaki piksel možete dobiti vrlo dobar pokazatelj zdravlja i fotosintetske aktivnosti vaše biljke. Ovim projektom uspio sam skenirati naše dvorište i identificirati nezdravu biljku ispod naše kruške.

Zašto baš trikopter?

Na primjer, trikopteri mi se sviđaju malo više od četvorki zbog njihove učinkovitosti. Imaju duže vrijeme leta, jeftiniji su i možete ih presavijati što je vjerovatno najbolja osobina kada su u pitanju DIY dronovi. Takođe uživam u letenju s ovim trikopterom, oni imaju pomalo "avionsku" kontrolu koju ćete osjetiti ako napravite ovaj dron zajedno sa mnom. Što se tiče trisa, ime Davida Windestala vjerovatno je prvo u Google pretraživanju, preporučujem da provjerite njegovu web stranicu, koristim i njegov dizajn sklopivog okvira.

Korak 1: Snimci leta

Ovo je bio moj drugi probni let gdje je helikopter već bio podešen i spreman za analizu biljaka. Imam neke snimke sa svoje akcijske kamere, koje možete pogledati iz ptičje perspektive. Ako želite vidjeti NDVI snimke, prijeđite na posljednji korak ovog uputstva. Nažalost, nisam imao vremena detaljno opisati videozapis s vodičem na ovom trikopteru, ali sam postavio ovaj kratki testni video zapis.

Korak 2: Potrebni alati i dijelovi

S izuzetkom drvenih nosača i spreja za boje koje sam svaki dio položio u kutiju s alatima, pa su ukupni troškovi ovog projekta za mene iznosili oko 5 USD, ali pokušat ću pronaći eBay ili Banggood veze do svakog dijela koji sam koristio. Toplo preporučujem da potražite dijelove, možda ćete dobiti bolju cijenu od mene.

Alati

• Lemilica
• Dremel alat
• 3D štampač (nemam ga, pomogao mi je prijatelj)
• Alati za rezanje
• Rezač žice
• Super ljepilo
• Zip kravate (mnogo njih, u 2 veličine)
• Sprej za boju (sa bojom koja vam se sviđa - koristila sam crnu)

Delovi

1. ArduCopter kontroler leta (koristio sam stari APM 2.8, ali trebali biste uzeti PixHawk ili PIX Mini)
2. GPS antena sa magnetometrom
3. MAVLink Telelemetrijski modul (za komunikaciju sa zemaljskim stanicama)
4. 6CH prijemnik + predajnik
5. Video predajnik
6. Servo motor (obrtni moment od najmanje 1,5 kg)
7. Propeleri od 10 "(2 CCW, 1 CW + dodatno za zamjenu)
8. 3 30A SimonK ESC -a (elektronički regulator brzine) + 3 motora 920kv
9. 3S baterija 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (dolazi s infracrvenim filterom)
11. 2 trake za baterije
12. Nosači za prigušivanje vibracija
13. Drvene šipke kvadratnog oblika 1,2 cm (kupio sam šipku od 1,2 metra)
14. 2-3mm debela drvena laminatna ploča
15. Akcijska kamera (koristio sam 4K GoPro klon - SJCAM 5000x)

Ovo su dijelovi koje sam koristio za svoj dron, slobodno ga izmijenite po svom ukusu. Ako niste sigurni šta koristiti, ostavite komentar, a ja ću vam pokušati pomoći. Napomena: Iskorištenu APM ploču koristio sam kao kontrolor leta, jer sam imao jednu rezervnu. Leti dobro, ali ova ploča više nije podržana pa biste vjerojatno trebali nabaviti drugi kontroler leta koji je kompatibilan s ArduCopterom za odlične GPS značajke.

Korak 3: Rezanje okvira

Preuzmite datoteku okvira, odštampajte je i izrežite. Provjerite je li veličina ispisana, a zatim olovkom označite oblik i rupe na drvenoj ploči. Pomoću pile izrežite okvir i izbušite rupe nastavkom od 3 mm. Trebat će vam samo dva od ovih, upravo sam ih napravio 4 kao rezervne dijelove.

Korak 4: Sastavite okvir

Za sastavljanje okvira koristio sam vijke i matice od 3 mm. Odsekao sam svaku strelu dužine 35 cm i ostavio je jednu dužinu od 3 cm na prednjoj strani okvira. Nemojte previše zatezati zglobove, ali pazite da ima dovoljno trenja kako se ruke ne bi presavijale. Ovo je zaista pametan dizajn, srušio sam se dva puta i ništa samo ruke sklopljene unatrag.

Korak 5: Bušenje rupa za motore

Provjerite veličinu vijaka motora i udaljenost između njih, a zatim izbušite dvije rupe u lijevom i desnom drvenom kraku. Morao sam izbušiti rupu duboku 5 mm i široku 8 mm u rukama kako bi vratila imala dovoljno prostora za okretanje. Brusnim papirom uklonite te male komadiće i ispušite prašinu. Ne želite prašinu u motorima jer to može uzrokovati nepotrebno trenje i toplinu.

Korak 6: Sklopivi GPS nosač

Morao sam izbušiti dodatne rupe za svoju GPS antenu kako bih se dobro uklopio. Kompas trebate postaviti visoko kako ne bi ometao magnetsko polje motora i žica. Ovo je jednostavna sklopiva antena koja mi pomaže da zadržim postavke što je moguće kompaktnijim.

Korak 7: Slikanje okvira

Sada morate sve odvrnuti i obaviti farbanje. Na kraju sam odabrala ovaj mat sprej u dubokoj crnoj boji. Zakačio sam dijelove na konac i jednostavno ih ofarbao. Za zaista dobre rezultate upotrijebite 2 ili više slojeva boje. Prvi sloj će vjerojatno izgledati pomalo isprano jer će drvo ispijati vlagu. Pa, to se dogodilo u mom slučaju.

Korak 8: Montiranje platforme za prigušivanje vibracija

Imao sam ovu platformu za držače koji se u mojoj konstrukciji služi i kao držač baterija. Ovo morate montirati ispod okvira pomoću patentnih zatvarača i/ili vijaka. Težina baterije pomaže pri apsorbiranju dosta vibracija pa ćete dobiti zaista lijep snimak kamere. Također možete postaviti neke stajne trapove na plastične šipke, osjetio sam se kao nepotrebno. Ova crna boja dobro se pokazala, u ovom trenutku trebali biste imati lijep okvir i vrijeme je za postavljanje kontrolera leta.

Korak 9: Postavljanje ArduCoptera

Za postavljanje kontrolera leta potreban vam je dodatni besplatni softver. Preuzmite Mission Planner za Windows ili APM Planner za Mac OS. Kada priključite kontroler leta i otvorite softver, pomoćnik čarobnjaka će instalirati najnoviji firmver na vašu ploču. Pomoći će vam i u kalibriranju kompasa, akcelerometra, radio kontrolera i načina letenja.

Režimi leta

Preporučujem da koristite Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home and Land kao način rada za šest letova. Krug je zaista koristan kada je u pitanju inspekcija biljaka. Kružit će oko zadane koordinate, tako da pomaže analizirati vaše biljke iz svakog kuta na vrlo precizan način. Mogu vršiti orbitu sa štapovima, ali teško je održati savršen krug. Loiter je poput parkiranja vašeg drona na nebu, pa možete snimiti NDVI slike visoke rezolucije, a RTH je koristan ako izgubite signal ili izgubite orijentaciju svog drona.

Obratite pažnju na svoje ožičenje. Pomoću sheme priključite svoje ESC -ove u ispravne pinove i provjerite ožičenje vaših ulaznih kanala u Planeru misije. Nikada ih nemojte testirati s rekvizitima!

Korak 10: Instaliranje GPS -a, kamere i kontrolera leta

Nakon što je vaš kontrolor leta kalibriran, možete upotrijebiti pjenu traku i postaviti je na sredinu okvira. Uvjerite se da je okrenut prema naprijed i ima li dovoljno mjesta za kabele. Montirajte GPS vijcima od 3 mm i pomoću patentnih zatvarača zadržite kameru na mjestu. Ovi GoPro klonovi dolaze sa svim pomoćnim programima za montažu pa je bilo vrlo jednostavno instalirati ovaj.

Korak 11: ESC i kabel za napajanje

Moje baterije imaju XT60 konektor pa sam lemio 3 pozitivne i 3 negativne žice na svaki pin ženskog konektora. Upotrijebite termoskupljajuću cijev da zaštitite spojeve od kratkog spoja (možete koristiti i električnu traku). Kada lemite ove debele žice, protrljajte ih i učvrstite bakrenom žicom, a zatim dodajte mnogo rastopljenog lema. Ne želite hladne lemne spojeve, pogotovo pri napajanju ESC -ova.

Korak 12: Prijemnik i antene

Da biste imali dobar prijem signala, morate antene postaviti pod uglom od 90 stepeni. Koristio sam patentne zatvarače i termoskupljajuće cijevi za postavljanje antena prijemnika na prednji dio drona. Većina prijemnika dolazi s kabelima, a kanali su označeni pa bi ih trebalo biti lako postaviti.

Korak 13: Mehanizam repa

Repni mehanizam je duša trikoptera. Našao sam ovaj dizajn na internetu pa sam ga isprobao. Osjećao sam se kao da je originalni dizajn pomalo slab, ali ako obrnete mehanizam, radi savršeno. Višak dijela izrezao sam dremel alatom. Na slici se može činiti da moj servo motor malo pati, ali radi besprijekorno. Prilikom pritezanja vijaka upotrijebite malu kap superljepila kako ne bi otpali zbog vibracija; ili možete vezati motore patentnim zatvaračem kao ja.

Korak 14: Izvođenje hovering testa i PID tuninga

Dvaput provjerite sve veze i pazite da nećete pržiti ništa dok priključujete bateriju. Instalirajte svoje propelere i pokušajte lebdjeti sa svojim dronom. Moj je bio prilično gladak iz kutije, samo sam morao malo podesiti zgib jer se previše ispravljao. Ne mogu naučiti PID podešavanje u ovom Instructable -u, skoro sve sam naučio iz video tutorijala Joshue Bardwella. On je to objasnio mnogo bolje nego što sam ja mogao.

Korak 15: Odaberite malinu i instalirajte Raspbian (Jessie)

Htio sam zadržati što manju težinu pa sam se odlučio za RPi Zero W. Koristim Raspbian Jessie jer su novije verzije imale problema s OpenCV -om koje koristimo za izračunavanje vegetacijskog indeksa iz sirovih snimaka. Ako želite višu brzinu FPS -a, trebali biste odabrati Raspberry Pi v4. Softver možete preuzeti ovdje.

Instaliranje zavisnosti

U ovom projektu koristit ćemo PiCamera, OpenCV i Numpy. Kao senzor slike odabrao sam manju kameru od 5 MP koja je kompatibilna samo sa Zero pločama.

1. Blicite svoju sliku pomoću vašeg omiljenog alata (sviđa mi se Balena Etcher).
2. Pokrenite svoj Raspberry s priključenim monitorom.
3. Omogućite kameru i SSH sučelja.
4. Provjerite svoju IP adresu pomoću ifconfig u terminalu.
5. SSH u svoj RPi naredbom ssh pi@YOUR_IP.
6. Kopirajte i zalijepite upute za instaliranje potrebnog softvera:

sudo apt-get update

sudo apt-get nadogradnja 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-get2.0-dev sudo apt-get install libatlas-base-dev gfortran sudo pip install numpy python-opencv python (za testiranje) import cv2 cv2._ version_

Trebali biste vidjeti odgovor s brojem verzije vaše OpenCV biblioteke.

Korak 16: Testiranje NoIR kamere i NDVI snimanja

Isključite RPi ploču, umetnite kameru i tada možemo pokušati s njom napraviti neke NDVI snimke. Na cvijetu (onom s crvenom pozadinom) možete vidjeti da zeleniji dijelovi iznutra pokazuju neke fotosintetske aktivnosti. Ovo je bio moj prvi test napravljen pomoću Infragrama. Naučio sam sve formule i mapiranje boja na njihovoj web stranici kako bih napisao potpuno funkcionalan kod. Da bi stvari bile automatizirane, napravio sam Python skriptu koja snima kadrove, izračunava NDVI slike i sprema ih u 1080p na helikopter.

Ove slike će imati čudnu kartu boja i izgledat će kao da su s druge planete. Napravite nekoliko testova, promijenite neke varijable, fino podesite senzor prije prve misije.

Korak 17: Instaliranje RPi Zero W na Dron

Instalirao sam Pi Zero na prednju stranu trikoptera. Možete okrenuti kameru prema naprijed kao i ja prema dolje. Razlog zašto je moj okrenut prema naprijed je pokazati razliku između biljaka i drugih ne fotosintetskih objekata. Napomena: Može se dogoditi da neke površine reflektiraju infracrveno svjetlo ili su toplije od okoline zbog čega imaju svijetložutu boju.

Korak 18: Dodavanje video odašiljača (izborno)

I ovaj VTx sam ležao okolo pa je bio instaliran na stražnjoj ruci mog helikoptera. Ovo ima domet od 2000 metara, ali ga nisam koristio prilikom testiranja. Samo je FPV let za zabavu s njim. Kad ga ne koristim, kabeli se uklanjaju, u protivnom se skrivaju ispod okvira kako bi moja građevina bila lijepa i čista.

Korak 19: Radite analizu biljaka

Napravio sam dva leta po 25 minuta radi odgovarajuće analize. Činilo se da je većina našeg povrća u redu, krumpiru je bila potrebna dodatna njega i zalijevanje. Idem provjeriti što je pomoglo u nekoliko dana. Na slici izgledaju prilično zeleno u poređenju sa narandžastim i ružičastim drvećem.

Volim kružne letove kako bih mogao pregledati biljke iz svakog kuta. Jasno možete vidjeti da pod voćkama neko povrće ne dobiva dovoljno sunčeve svjetlosti zbog čega postaje plavo ili crno na NDVI slikama. Nije problem ako jedan dio stabla ne dobiva dovoljno sunčeve svjetlosti u doba dana, ali je loše ako se cijela biljka pretvori u crno -bijelu.

Korak 20: Sigurno letite;)

Hvala vam što ste pročitali ovaj Instructable, nadam se da će neki od vas pokušati eksperimentirati s NDVI snimanjem ili s izgradnjom bespilotnih letjelica. Bilo mi je jako zabavno praviti ovaj projekat od nula od drvenih dijelova, ako se i vama svidjelo, razmislite o tome da mi pomognete svojim ljubaznim glasanjem. Oh, lete sigurno, nikad iznad ljudi i uživajte u hobiju!

Prva nagrada u takmičenju Make It Fly Challenge