Autonomní dron: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

V tomto projektu se naučíte proces stavby a konfigurace dronu, než se pustíte do zkoumání autonomního letu pomocí Mission Planner a MATLAB.

Upozorňujeme, že tento návod je pouze orientační. Používání dronů může být pro lidi velmi nebezpečné a může vás dostat do vážných potíží se zákonem, pokud je používáte nevhodně nebo na špatném místě. Zajistěte, abyste dodržovali všechny zákony a předpisy týkající se používání dronů. Kódy poskytnuté na GitHubu navíc nebyly plně testovány, takže zajistěte, abyste měli k dispozici další zabezpečovací zařízení, abyste předešli ztrátě nebo poškození dronu.

Krok 1: Seznam dílů

Pro tento projekt budete potřebovat několik dílů. Než budete pokračovat ve zbytku tohoto projektu, kupte si následující komponenty a stáhněte si soubory na 3D tisk a laserové řezání vlastních dílů.

Zakoupené díly

Rám: Flame Wheel DJI F450

www.buildyourowndrone.co.uk/dji-f450-flam…

PDB: Matek PDB-XT60

www.unmannedtechshop.co.uk/matek-pdb-xt60…

Motory x4: Emax 2205s 2300kv

www.unmannedtechshop.co.uk/rs2205-s-races…

Vrtule x4: Gemfan Carbon/Nylon 5030

hobbyking.com/en_us/gemfan-propeller-5x3-…

ESC x4: Little Bee 20A 2-4S

hobbyking.com/en_us/favourite-little-bee-…

Ovladač letu: Navio 2 (s anténou GPS/GNSS a napájecím modulem)

Raspberry Pi 3B

thepihut.com/collections/raspberry-pi/pro…

Vysílač: FRSKY TARANIS X9D+

www.unmannedtechshop.co.uk/frsky-taranis-…

Přijímač: FrSky XSR 2,4 Ghz ACCST

hobbyking.com/en_us/xsr-eu-lbt.html?_st…

Baterie: baterie TATTU 1800mAh 14,8 V 45C 4S1P Lipo

www.unmannedtechshop.co.uk/tattu-1800mah-…

Nabíječka baterií: Turnigy Accucell-6 50W 6A balancer/nabíječka

hobbyking.com/en_us/turnigy-accucell-6-50…

Napájecí zdroj pro nabíječku: Napájení RS 12V DC

uk.rs-online.com/web/p/plug-in-power-supp…

Sáčky na baterie: Nabíjecí lithium -polymerový nabíjecí balíček Hobby King

hobbyking.com/en_us/lithium-polymer-charg…

Banánové konektory

www.amazon.co.uk/gp/product/B013ZPUXZS/re…

WiFi router: TP-LINK TL-WR802N

www.amazon.co.uk/TP-LINK-TL-WR802N-Wirele…

Micro SD karta: SanDisk 32 GB

www.amazon.co.uk/SanDisk-microSDHC-Memory…

Distanční sloupky/rozpěrky: Nylonový závit M2,5

thepihut.com/products/adafruit-black-nylon…

Notebook

Stahovací pásky

Popruh na suchý zip

Smršťování teplem

3D tištěné díly

Pouzdro Raspberry Pi / Navio 2 (horní a dolní)

Pouzdro na baterie (krabice a víko)

Laserem řezané díly

Elektronické vrstvy x2

Krok 2: Hardware

Fáze hardwaru a stavby:

1. Sestavte rám kvadrotoru F450 a potištěný kryt baterie uprostřed (nezapomeňte přidat podložky M2,5*5 mm)
2. Připojte motory k rámu.
3. Připájejte banánové konektory k vodičům ESC a motorů.
4. Pájejte ESC a napájecí modul k PDB. Poznámka: Ujistěte se, že nepoužíváte 5V výstup PDB (nebude poskytovat dostatek energie).
5. Přidejte první vrstvu řezanou laserem do horní části rámečku F450 pomocí distančních vložek M2,5*10 mm samec-samice; a k této vrstvě připojte PDB a napájecí modul. Poznámka: nezapomeňte umístit součásti tak, aby byly dráty dostatečně dlouhé na dosah všech motorů.
6. Připojte ESC k motorům a pomocí zipů zajistěte dráty k rámu.
7. Připojte Navio2 k Raspberry Pi a vložte jej do tištěného pouzdra.
8. Přidejte druhou vrstvu řezanou laserem na první vrstvu a pomocí oboustranných lepivých podložek připevněte plášť Raspberry-Navio.
9. GPS lze nalepit na vrchní část pouzdra, zde však byla umístěna na další třetí vrstvu, která se nachází na horní části pouzdra Raspberry-Navio, jak je znázorněno na obrázcích, ale je to zcela na osobě, která jej staví. Poté jednoduše připojte GPS k Navio.
10. Upevněte přijímač na druhou vrstvu pomocí oboustranných lepivých podložek. Připojte kabely ESC a přijímače k pinům Navio. Přijímač zabírá první sloupec kolíků a poté motory obsazují další čtyři sloupce. Poznámka: Přední část dronu je určena tím, který motor je připojen jako první. Ať už zvolíte jakýkoli přední směr, ujistěte se, že jsou motory na obrázku na začátku tohoto kroku připojeny.
11. Přidejte vrtule. Doporučuje se nechat vrtule na samém konci, tj. Po dokončení softwarové sekce, a vždy se ujistěte, že provádíte bezpečnostní opatření, když jsou vrtule zapnuté, jen v případě, že se něco pokazí.

Krok 3: Software

Fáze softwaru: (referenční dokumenty Navio2)

1. Získejte nejnovější obrázek Emlid Raspbian z dokumentů Navio2.
2. Stáhněte, extrahujte a spusťte Etcher s právy správce.
3. Vyberte soubor archivu s obrázkem a písmenem jednotky SD karty.
4. Klikněte na „Flash!“. Proces může trvat několik minut. (Ukázkové video)
5. Nyní ke konfiguraci WiFi přístupu potřebujeme upravit soubor wpa_supplicant.conf umístěný na SD kartě. Upravte jej tak, aby vypadal jako první obrázek v horní části tohoto kroku. Poznámka: ssid je název TP-Link, jak se zobrazuje ve vašem počítači. Nejlepší způsob, jak najít přesnou ssid vašeho TP-Link, je připojit váš notebook k TP-Link a poté spustit následující příkaz v okně terminálu:

Pro Windows: netsh wlan show profiles

Pro mac: defaults read /Library/Preferences/SystemConfiguration/com.apple.airport.preferences | grep SSIDString

psk je heslo uvedené na kartě dodávané s TP-Link.

1. Vysuňte SD kartu, vložte ji do Raspberry Pi a napájejte ji.
2. Chcete-li zkontrolovat, zda je Raspberry Pi připojen k TP-Link, můžete použít kteroukoli z dostupných aplikací, která zobrazují všechna zařízení připojená k vaší síti.
3. Je nutné nastavit pevné IP adresy na zařízení připojená k vašemu TP-Link, abyste nemuseli měnit IP adresy na kódech, které píšete pokaždé. Můžete to jednoduše provést otevřením tplinkwifi.net (samozřejmě pokud jste připojeni k TP-Link). Zadejte uživatelské jméno: admin a heslo: admin. V nabídce v levé části obrazovky přejděte na „DHCP“a z rozevírací nabídky vyberte „Rezervace adresy“. Přidejte MAC adresy zařízení, kterým chcete přiřadit IP adresy. Zde byla pozemní stanici (notebooku) přiřazena IP adresa 192.168.0.110 a Raspberry Pi 192.168.0.111.
4. Nyní musíme stáhnout MAVProxy z následujícího odkazu.
5. Nyní vytvořte soubor.bat, který vypadá jako druhý obrázek v horní části tohoto kroku, a ujistěte se, že používáte cestu k souboru, kde je na vašem notebooku uložen soubor mavproxy.exe. Tento soubor budete muset spustit (poklepáním na něj) pokaždé, když se budete chtít připojit k dronu.
6. Aby Raspberry Pi komunikovalo s MAVProxy, musí být na Pi upraven soubor.

7. Zadejte sudo nano/etc/default/arducopter do terminálu Linuxu Raspberry Pi hostujícího autopilota Navio2.

8. Horní řádek souboru, který se otevře, by měl číst TELEM1 =”-A udp: 127.0.0.1: 14550”. To je třeba změnit, aby to ukazovalo na IP adresu vašeho PC.
9. Nainstalujte si Mission Planner a přejděte do části První nastavení.

Krok 4: První nastavení

Chcete -li se připojit k vašemu UAV, postupujte takto:

1. Spusťte jak soubor MAVProxy.bat, tak Mission Planner.
2. Připojte baterii k vašemu UAV a počkejte přibližně 30-60 sekund. Získáte tak čas na připojení k bezdrátové síti.
3. Klikněte na tlačítko připojit v pravém horním rohu nástroje Mission Planner. V prvním dialogovém okně, které se objeví, zadejte 127.0.0.1 a klikněte na OK. Do dalšího pole zadejte číslo portu 14551 a klikněte na OK. Po několika sekundách by se měl Mission Planner připojit k vašemu MAV a začít zobrazovat telemetrická data na levém panelu.

Při prvním nastavení UAV je nutné konfigurovat a kalibrovat určité hardwarové součásti. Dokumenty ArduCopter mají podrobný průvodce konfigurací typu rámce, kalibrace kompasu, kalibrace rádiového ovládání, kalibrace akcelerometru, nastavení režimu vysílače na dálkové ovládání, kalibrace ESC a konfigurace rozsahu motoru.

V závislosti na tom, jak jste svůj Raspberry Pi namontovali na dron, může být nutné změnit orientaci desky v plánovači misí. To lze provést úpravou parametru Orientace desky (AHRS_ORIENTATION) v seznamu pokročilých parametrů na kartě Konfigurace/Ladění v Plánovači misí.

Krok 5: První let

Jakmile je hardware a software připraven, je čas připravit se na první let. Doporučuje se, aby před pokusem o autonomní let letěl UAV ručně pomocí vysílače, abyste získali přehled o ovládání letadla a vyřešili případné problémy.

Dokumentace ArduCopter obsahuje velmi podrobnou a informativní část o vašem prvním letu. Diskutuje o různých letových režimech, které přicházejí s ArduCopter, a o tom, co každý z těchto režimů dělá. Pro první let je nejvhodnějším letovým režimem režim stabilizace.

ArduCopter má mnoho integrovaných bezpečnostních funkcí. Jednou z těchto funkcí jsou kontroly bezpečnosti před ozbrojením, které zabraňují aktivaci letadla, pokud jsou zjištěny nějaké problémy. Většina těchto kontrol je důležitá pro snížení rizika havárie nebo ztráty letadla, ale v případě potřeby mohou být deaktivována.

Aktivace motorů nastává tehdy, když autopilot aplikuje na motory energii, aby se mohly otáčet. Před ozbrojením motorů je důležité, aby byl letoun na volném prostranství, daleko od všech lidí nebo překážek nebo v bezpečné létající aréně. Je také velmi důležité, aby se v blízkosti vrtulí nenacházelo nic, zejména části těla a další věci, které jimi budou poškozeny. Jakmile je vše jasné a pilot je přesvědčen, že je bezpečné startovat, mohou být motory aktivovány. Tato stránka obsahuje podrobný soubor pokynů k vyzbrojení letadla. Jediné rozdíly mezi tímto průvodcem a Navio2 spočívají v kroku 7 zapnutí a kroku 2 deaktivace. Chcete -li navio2 aktivovat, musí být obě páčky na několik sekund drženy ve středu (viz obrázek). Chcete -li odzbrojit, musí být obě páčky na několik sekund drženy dolů a po stranách (viz obrázek).

Chcete -li provést první let, postupujte podle tohoto průvodce.

Po prvním letu může být nutné provést nějaké změny. Dokud bude hardware plně funkční a bude správně nastaven, budou tyto změny primárně ve formě ladění PID. Tato příručka obsahuje několik užitečných tipů pro ladění kvadrokoptéry, ale v našem případě stačilo mírné snížení zisku P, aby bylo letadlo stabilní. Jakmile je letadlo letitelné, je možné použít funkci automatického ladění ArduCopter. Tím se automaticky vyladí PID tak, aby poskytovaly nejrychlejší odezvu, a přitom zůstaly stabilní. Dokumentace ArduCopter poskytuje podrobný návod, jak provádět automatické ladění.

Pokud narazíte na problémy v kterémkoli z těchto kroků, může vám pomoci průvodce řešením problémů.

Krok 6: Autonomní let

Plánovač misí

Nyní, když byla vaše helikoptéra vyladěna a může dobře létat pod ručním ovládáním, lze prozkoumat autonomní let.

Nejsnadnější způsob, jak se dostat do autonomního letu, je použít Mission Planner, protože obsahuje velké množství věcí, které můžete se svým letadlem dělat. Autonomní let v Mission Planner spadá do dvou hlavních kategorií; předem naplánované mise (automatický režim) a živé mise (režim s průvodcem). Obrazovku plánovače letů v plánovači misí lze použít k plánování letu sestávajícího z trasových bodů, které je třeba navštívit, a akcí, které je třeba provést, například fotografování. Trasové body lze vybrat buď ručně, nebo lze použít nástroj automatického trasového bodu ke generování misí k průzkumu oblasti. Jakmile je mise naplánována a odeslána do dronu, lze použít automatický letový režim, takže letadlo bude samostatně sledovat předem naplánovanou misi. Zde je praktický průvodce plánováním misí.

Režim s průvodcem je způsob, jak interaktivně přikázat UAV, aby dělal určité věci. To se provádí pomocí karty akcí v Plánovači misí nebo kliknutím pravým tlačítkem na mapu. UAV lze přikázat, aby dělalo mnoho věcí, jako je vzlet, návrat ke startu a let na zvolené místo kliknutím pravým tlačítkem na mapu na požadovaném místě a výběrem Fly To Here.

Failsafes jsou důležitou věcí, kterou je třeba při autonomním letu zvážit, aby bylo zajištěno, že pokud se něco pokazí, letadlo nebude poškozeno a lidé nebudou zraněni. Mission Planner má vestavěnou funkci Geo-Fence, kterou lze použít k omezení, kam může letadlo UAV létat, a zabránit mu, aby se dostal příliš daleko nebo příliš vysoko. Možná by stálo za zvážení připoutat UAV k zemi během prvních letů jako další zálohu. Nakonec je důležité, abyste měli zapnutý rádiový vysílač a připojili jste se k dronu, abyste v případě potřeby mohli přepnout z autonomního letového režimu do manuálního letového režimu, jako je stabilizace nebo přidržení výšky, aby bylo možné bezpečně pilotovat UAV přistát.

MATLAB

Autonomní řízení pomocí MATLABu je mnohem méně jednoduché a vyžaduje určité znalosti programování.

Skripty MATLAB real_search_polygon a real_search vám umožňují generovat předem naplánované mise pro vyhledávání uživatelem definovaného polygonu. Skript real_search_polygon plánuje cestu přes uživatelem definovaný polygon, zatímco skript real_search plánuje cestu přes minimální obdélník zahrnující mnohoúhelník. Kroky k tomu jsou následující:

1. Otevřete Mission Planner a přejděte do okna Letový plán.
2. Nakreslete polygon přes požadovanou oblast hledání pomocí nástroje mnohoúhelník.
3. Uložte mnohoúhelník jako „search_area.poly“do stejné složky jako skript MATLAB.
4. Přejděte na MATLAB a spusťte buď real_search_polygon nebo real_search. Ujistěte se, že jste vybrali požadovanou šířku cesty a změňte cestu_souboru na řádku 7 na správný adresář, kde pracujete.
5. Jakmile se skript spustí a jste spokojeni s generovanou cestou, vraťte se zpět do Mission Planner.
6. Klikněte na Načíst soubor WP na pravé straně a vyberte soubor trasového bodu ‘search_waypoints.txt’, který jste právě vytvořili.
7. Kliknutím na Zapsat WP na pravé straně odešlete trasové body dronu.
8. Vyzbrojte dron a vzlétněte buď ručně, nebo kliknutím pravým tlačítkem na mapu a výběrem vzletu.
9. Jakmile jste v rozumné výšce, změňte režim na auto a dron zahájí misi.
10. Po skončení mise klikněte na RTL na kartě akcí a dron přiveďte zpět na místo startu.

Video na začátku tohoto kroku je simulací v Mission Planneru UAV prohledávající oblast.

Krok 7: Vize

Posláním dronu je létat nad horami nebo divočinou a spatřit lidi nebo nepravidelné předměty a poté je zpracovat, aby zjistil, zda tato osoba potřebuje pomoc. To by v ideálním případě bylo možné provést pomocí drahé infračervené kamery. Vzhledem k vysokým nákladům na infračervené kamery se však místo toho infračervená detekce podobá detekcí všech nezelených objektů pomocí normální kamery Pi.

1. ssh do Raspberry Pi
2. Nejprve musíme nainstalovat OpenCV na Raspberry Pi. Následující průvodce poskytovaný pyimagesearch je jedním z nejlepších dostupných na internetu.
3. Stáhněte si kód do Raspberry Pi z GitHub prostřednictvím tohoto následujícího odkazu. Chcete -li stáhnout kód na Raspberry Pi, můžete soubor stáhnout do počítače a poté jej přenést na Raspberry Pi.
4. Chcete -li spustit kód, přejděte do adresáře, kde je kód na Raspberry Pi, a poté spusťte příkaz:

python colour_target_detection.py --conf conf.json

KONTINUÁLNÍ POUŽITÍ Při každém restartování Raspberry Pi potřebujete spustit následující příkazy:

sudo ssh [email protected] -X

zdroj ~/.profile

workon cv

Poté pokračujte krokem 4 výše.

Důležitá poznámka: NE všechny terminály mohou zobrazovat videa. Na Macu použijte terminál XQuartz.