Zahradní dron pro inspekci rostlin (skládací trikoptéra s rozpočtem): 20 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

V našem víkendovém domě máme pěknou malou zahradu se spoustou ovoce a zeleniny, ale někdy je těžké udržet krok s tím, jak se rostliny mění. Potřebují neustálý dohled a jsou velmi zranitelní vůči počasí, infekcím, chybám atd …

V sadě nástrojů mi leželo mnoho náhradních dílů pro více kopií ze starých projektů, a tak jsem se rozhodl navrhnout a postavit dron, který dokáže provádět analýzu rostlin pomocí Rasperry Pi Zero W a NoIR PiCamera. Chtěl jsem také natočit video o tomto projektu, ale to je vedle univerzity dost těžké, takže jen nahraji nezpracované záběry.

Teorie blízkého infračerveného zobrazování

Doporučuji přečíst si tento článek Wikipedie. Stručně řečeno, když rostliny fungují normálně, odrážejí infračervené světlo přicházející ze Slunce. Mnoho zvířat vidí infračervené světlo, jako hadi a plazi, ale vidí to i vaše kamera (zkuste to pomocí dálkového ovladače televizoru). Pokud z kamery vyjmete IR filtr, získáte purpurový, vybledlý obraz. Pokud nechcete rozbít kameru, měli byste to zkusit s NoIR PiCamera, která je v zásadě stejná jako standardní PiCamera, ale nemá vestavěný IR filtr. Pokud umístíte filtr infrablue pod objektiv kamery, bude odfiltrováno pouze IR světlo na váš červený kanál, modré světlo na modrý kanál, zelené a červené. Pomocí vzorce normalizovaného rozdílového vegetačního indexu pro každý pixel můžete získat velmi dobrý ukazatel zdraví a fotosyntetické aktivity vaší rostliny. Díky tomuto projektu jsem mohl naskenovat náš dvorek a identifikovat nezdravou rostlinu pod naší hrušní.

Proč trikoptéra?

Trikoptéry se mi líbí o něco více než čtyřkolky, například kvůli jejich účinnosti. Mají delší dobu letu, jsou levnější a můžete je složit, což je pravděpodobně nejlepší funkce, pokud jde o drony pro kutily. Baví mě také létat s touto trikoptérou, mají trochu "letadlové" ovládání, které zažijete, pokud tento dron postavíte společně se mnou. Pokud jde o tris, jméno Davida Windestala je pravděpodobně první ve vyhledávání Google, doporučuji se podívat na jeho stránky, používám také jeho skládací rám.

Krok 1: Letové záběry

Toto byl můj druhý zkušební let, kde už byla helikoptéra naladěná a připravená na analýzu rostlin. Mám několik palubních záznamů z mé akční kamery, naše krásné okolí si můžete prohlédnout z ptačí perspektivy. Pokud chcete vidět nahrávky NDVI, přejděte k poslednímu kroku tohoto pokynu. Bohužel jsem neměl čas na úplné provedení průvodce videem na této trikoptéře, ale nahrál jsem toto krátké video z letového testu.

Krok 2: Požadované nástroje a součásti

S výjimkou dřevěných výložníků a spreje na barvy jsem měl každou část položenou v mé sadě nástrojů, takže celkové náklady na tento projekt pro mě byly kolem 5 $, ale pokusím se najít odkazy na eBay nebo Banggood na každou část, kterou jsem použil. Vřele doporučuji se porozhlédnout po dílech, možná seženete lepší cenu než já.

Nástroje

• Páječka
• Nástroj Dremel
• 3D tiskárna (nemám, přítel mi pomohl)
• Řezné nástroje
• Štípačky
• Super lepidlo
• Kravaty na zip (hodně z nich, ve 2 velikostech)
• Malířský sprej (s barvou, která se vám líbí - použil jsem černou)

Díly

1. Ovladač letu ArduCopter (použil jsem starý APM 2.8, ale měli byste jít na PixHawk nebo PIX Mini)
2. GPS anténa s magnetometrem
3. Modul telekometrie MAVLink (pro komunikaci pozemní stanice)
4. 6CH přijímač + vysílač
5. Video vysílač
6. Servomotor (točivý moment nejméně 1,5 kg)
7. 10 "vrtule (2 CCW, 1 CW + navíc za výměnu)
8. 3 30A SimonK ESC (elektronický regulátor otáček) + 3 920kv motory
9. 3S baterie 5,2 Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (dodává se s infrablue filtrem)
11. 2 Popruhy na baterie
12. Držáky tlumení vibrací
13. 1,2 cm čtvercové dřevěné výložníky (koupil jsem 1,2 m tyč)
14. 2-3 mm tlustá dřevěná deska Lamina
15. Akční kamera (Použil jsem klon GoPro s rozlišením 4k - SJCAM 5000x)

Toto jsou díly, které jsem použil pro svůj dron, klidně si jej upravte podle svých představ. Pokud si nejste jisti, co použít, zanechte komentář a já se vám pokusím pomoci. Poznámka: Vyřazenou desku APM jsem použil jako letový ovladač, protože jsem měl jednu náhradní. Létá dobře, ale tato deska již není podporována, takže byste pravděpodobně měli získat další letový ovladač, který je kompatibilní s ArduCopter pro skvělé funkce GPS.

Krok 3: Řezání rámu

Stáhněte si soubor rámce, vytiskněte jej a vystřihněte. Zkontrolujte, zda je vytištěná velikost správná, pak pomocí pera označte tvar a otvory na dřevěné desce. Pomocí pily odřízněte rám a vyvrtejte otvory bitem 3 mm. Budete potřebovat jen dva z nich, právě jsem udělal 4 jako náhradní díly.

Krok 4: Sestavte rám

K sestavení rámu jsem použil 3mm šrouby a matice. Každý výložník jsem ořízl o 35 cm a na přední část rámu nechal jeden 3 cm dlouhý. Nepřetahujte klouby, ale dbejte na dostatečné tření, aby se paže neskládaly. Toto je opravdu chytrý design, dvakrát jsem havaroval a nic, jen ruce složené dozadu.

Krok 5: Vrtání otvorů pro motory

Zkontrolujte velikost šroubů motoru a vzdálenost mezi nimi a poté vyvrtejte dva otvory do levého a pravého dřevěného ramene. Musel jsem do paží vyvrtat 5 mm hluboký a 8 mm široký otvor, aby šachty měly dostatek prostoru pro točení. Pomocí brusného papíru odstraňte tyto malé třísky a vyfoukejte prach. Nechcete ve svých motorech žádný prach, protože to může způsobit zbytečné tření a teplo.

Krok 6: Skládací držák GPS

Aby to dobře sedělo, musel jsem vyvrtat další otvory pro svoji GPS anténu. Kompas byste měli umístit vysoko, aby nerušil magnetické pole motorů a vodičů. Jedná se o jednoduchou skládací anténu, která mi pomáhá udržet nastavení co nejkompaktnější.

Krok 7: Malování rámu

Nyní musíte vše odšroubovat a provést nátěr. Nakonec jsem si vybral tento matný sytě černý sprej. Zapojil jsem díly na nit a jednoduše je namaloval. Pro opravdu dobrý výsledek použijte 2 nebo více vrstev barvy. První vrstva bude pravděpodobně vypadat trochu vybledlá, protože dřevo bude pít vlhkost. V mém případě se to stalo.

Krok 8: Montáž platformy pro tlumení vibrací

Měl jsem tuto platformu kardanového držáku, která v mé konstrukci slouží také jako držák baterie. To musíte namontovat pod rám pomocí stahovacích pásků a/nebo šroubů. Hmotnost baterie pomáhá absorbovat mnoho vibrací, takže získáte opravdu pěkné záběry z kamery. Na plastové tyče můžete také namontovat nějaké přistávací zařízení, cítil jsem, že je to zbytečné. Tato černá barva fungovala dobře, v tuto chvíli byste měli mít pěkně vypadající rámeček a je na čase nastavit letový ovladač.

Krok 9: Nastavení ArduCopter

K nastavení letového ovladače budete potřebovat další bezplatný software. Stáhněte si Mission Planner pro Windows nebo APM Planner pro Mac OS. Když zapojíte letový ovladač a otevřete software, průvodce vám nainstaluje nejnovější firmware na vaši desku. Pomůže vám to také s kalibrací kompasu, akcelerometru, radiového ovladače a letových režimů.

Letové režimy

Doporučuji použít režim Stabilizovat, Nadmořská výška, Loiter, Kruh, Návrat domů a Pozemek jako režim šesti letů. Kruh je opravdu užitečný, pokud jde o inspekci závodu. Bude obíhat kolem dané souřadnice, takže pomůže analyzovat vaše rostliny ze všech úhlů velmi přesným způsobem. S klacky zvládnu oběžnou dráhu, ale je těžké udržet dokonalý kruh. Loiter je jako zaparkovat dron na obloze, takže můžete pořizovat obrázky NDVI s vysokým rozlišením a RTH je užitečné, pokud ztratíte signál nebo ztratíte orientaci dronu.

Věnujte pozornost svému zapojení. Pomocí schématu zapojte své ESC do správných pinů a zkontrolujte v Mission Planner zapojení vašich vstupních kanálů. Nikdy je netestujte s zapnutými rekvizitami!

Krok 10: Instalace GPS, kamery a ovladače letu

Jakmile je váš letový ovladač zkalibrován, můžete použít pěnovou pásku a nainstalovat ji doprostřed rámu. Zajistěte, aby směřoval dopředu a měl dostatek místa pro kabely. Namontujte GPS pomocí 3mm šroubů a pomocí spon na zip držte kameru na místě. Tyto klony GoPro jsou dodávány se všemi montážními nástroji, takže instalace tohoto byla docela jednoduchá.

Krok 11: ESC a napájecí kabel

Moje baterie mají konektor XT60, takže jsem připájel 3 kladné a 3 záporné vodiče ke každému kolíku zásuvkového konektoru. Použijte nějaké smršťovací bužírky k ochraně spojů před jejich zkratováním (můžete použít i elektrickou pásku). Když pájíte tyto silné dráty, otřete je dohromady a zafixujte měděným drátem a poté přidejte hodně roztavené pájky. Nechcete žádné spoje za studena, zejména při napájení ESC.

Krok 12: Přijímač a antény

Chcete -li mít dobrý příjem signálu, musíte namontovat antény v úhlu 90 stupňů. K připevnění antén přijímače na přední část dronu jsem použil zipy a smršťovací bužírky. Většina přijímačů je vybavena kabely a kanály jsou označeny, takže by mělo být snadné jej nastavit.

Krok 13: Mechanismus ocasu

Ocasní mechanismus je duší trikoptéry. Našel jsem tento design online, tak jsem to zkusil. Měl jsem pocit, že původní design byl trochu slabý, ale když obrátíte mechanismus, funguje to perfektně. Přebytečnou část jsem nařezal nástrojem dremel. Na obrázku to může vypadat, že můj servomotor trochu trpí, ale funguje bezchybně. Při utahování šroubů použijte malou kapku lepidla, aby v důsledku vibrací nespadly; nebo můžete zapnout motory na zip jako já.

Krok 14: Provedení testu vznášení a ladění PID

Znovu zkontrolujte všechna svá připojení a ujistěte se, že při připojování baterie nic nesmažíte. Nainstalujte si vrtule a zkuste se vznášet se svým dronem. Ten můj byl po vybalení docela hladký, jen jsem musel udělat malé vybočení, protože to příliš opravovalo. V tomto Instructable nemohu naučit ladění PID, téměř vše jsem se naučil z video tutoriálu Joshuy Bardwella. Vysvětlil to mnohem lépe, než jsem mohl.

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

Chtěl jsem, aby to bylo co nejlehčí, a tak jsem šel s RPi Zero W. Používám Raspbian Jessie, protože novější verze měly nějaké problémy s OpenCV, které používáme k výpočtu vegetačního indexu ze surových záběrů. Pokud chcete vyšší rychlost FPS, měli byste zvolit Raspberry Pi v4. Software si můžete stáhnout zde.

Instalace závislostí

V tomto projektu použijeme PiCamera, OpenCV a Numpy. Jako obrazový snímač jsem zvolil menší 5MP fotoaparát, který je kompatibilní pouze s deskami Zero.

1. Bleskněte svůj obrázek pomocí svého oblíbeného nástroje (mám rád Balena Etcher).
2. Spusťte Raspberry s připojeným monitorem.
3. Povolte rozhraní Camera a SSH.
4. Zkontrolujte svou IP adresu pomocí ifconfig v terminálu.
5. SSH do RPi pomocí příkazu ssh pi@YOUR_IP.
6. Zkopírujte a vložte pokyny k instalaci požadovaného softwaru:

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_

Měli byste vidět odpověď s číslem verze vaší knihovny OpenCV.

Krok 16: Testování kamery NoIR a zobrazování NDVI

Vypněte desku RPi, vložte kameru a pak s ní můžeme zkusit udělat nějaké NDVI zobrazování. Na květu (ten s červeným pozadím) vidíte, že zelenější části uvnitř vykazují určitou fotosyntetickou aktivitu. Toto byl můj první test, který byl proveden pomocí Infragramu. Naučil jsem se všechny vzorce a mapování barev na jejich webu, abych napsal plně funkční kód. Aby byly věci více automatizované, vytvořil jsem skript Pythonu, který zachycuje rámce, vypočítává obrázky NDVI a ukládá je v rozlišení 1080p na koptéru.

Tyto obrázky budou mít podivnou barevnou mapu a budou vypadat jako z jiné planety. Proveďte několik testů, změňte některé proměnné a dolaďte senzor před první misí.

Krok 17: Instalace RPi Zero W na dron

Nainstaloval jsem Pi Zero na přední část trikoptéry. Svou kameru můžete otočit dopředu stejně jako já nebo také dolů. Důvod, proč směřuji dopředu, je ukázat rozdíl mezi rostlinami a jinými nefotosyntetickými objekty. Poznámka: Může se stát, že některé povrchy odrážejí infračervené světlo nebo jsou teplejší než okolí, což způsobuje, že mají jasně žlutou barvu.

Krok 18: Přidání vysílače videa (volitelně)

Nechal jsem tento VTx pokládat také na zadní rameno mé helikoptéry. To má dosah 2000 metrů, ale při testování jsem to nepoužil. Let s FPV s ním byl jen pro zábavu. Když jej nepoužívám, kabely jsou odstraněny, jinak jsou skryty pod rámem, aby byla moje konstrukce hezká a čistá.

Krok 19: Provedení analýzy závodu

Udělal jsem dva 25minutové lety pro pořádnou analýzu. Zdálo se, že většina naší zeleniny je v pořádku, brambory vyžadovaly zvláštní péči a zalévání. Zkontrolovat to pomohlo za pár dní. Ve srovnání s oranžovými a růžovými stromy vypadají na obrázku pěkně zeleně.

Rád provádím kruhové lety, abych mohl prozkoumat rostliny ze všech úhlů. Zřetelně vidíte, že pod ovocnými stromy některá zelenina nedostává dostatek slunečního světla, což ji na obrázcích NDVI zbarvuje do modra nebo do černa. Není to problém, pokud jedna část stromu nedostává dostatek slunečního světla v určitou denní dobu, ale je špatné, pokud se celá rostlina změní na černobílou.

Krok 20: Fly Safe;)

Děkuji, že jste si přečetli tento Instructable, doufám, že se někteří z vás pokusí provést experimenty se zobrazováním NDVI nebo se stavěním dronů. Při vytváření tohoto projektu z nuly z dřevěných dílů jsem si užil spoustu zábavy, pokud se vám to také líbilo, můžete zvážit pomoc se svým laskavým hlasováním. Ach, létejte bezpečně, nikdy ne nad lidi a užívejte si koníček!

První cena v soutěži Make It Fly