Drone de jardineria d’inspecció de plantes de bricolatge (tricòpter plegable amb pressupost): 20 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

A la nostra casa de cap de setmana tenim un bonic jardí amb moltes fruites i verdures, però de vegades és difícil mantenir-se al dia amb el canvi de les plantes. Necessiten una supervisió constant i són molt vulnerables a la intempèrie, a les infeccions, als insectes, etc.

Tenia moltes peces de recanvi multicopter de vells projectes a la meva caixa d’eines, així que vaig decidir dissenyar i construir un dron que pugui fer anàlisis de plantes amb un Rasperry Pi Zero W i la seva NoIR PiCamera. També volia fer un vídeo sobre aquest projecte, però és bastant difícil al costat de la universitat, així que penjaré les imatges en brut.

La teoria darrere de la imatge pròxima infraroja

Recomano llegir aquest article de Viquipèdia. En resum, quan les plantes funcionen normalment reflecteixen la llum infraroja que prové del Sol. Molts animals poden veure llum IR, com ara serps i rèptils, però la vostra càmera també ho pot veure (proveu-ho amb un comandament a distància del televisor). Si traieu el filtre IR de la càmera, obtindreu una imatge purpurina. Si no voleu trencar la càmera, proveu-la amb la NoIR PiCamera, que és bàsicament la mateixa que la PiCamera estàndard, però que no té un filtre IR incorporat. Si col·loqueu el filtre infrablau sota l’objectiu de la càmera, només obtindreu llum IR al canal vermell, la llum blava al canal blau, el verd i el vermell es filtraran. Mitjançant la fórmula de l’índex de vegetació de diferències normalitzades per a cada píxel podeu obtenir un indicador molt bo sobre la salut i l’activitat fotosintètica de la vostra planta. Amb aquest projecte vaig poder escanejar el nostre jardí posterior i identificar una planta poc sana sota el nostre perer.

Per què un Tricopter?

M'agraden els tricòpters una mica més que els quads, per exemple, per la seva eficiència. Tenen temps de vol més llargs, són més econòmics i podeu plegar-los, que probablement és la millor característica quan es tracta de drons de bricolatge. També m'agrada volar amb aquest tricòpter, tenen un control una mica "avió" que experimentareu si construïu aquest dron amb mi. Quan es tracta de tris, el nom de David Windestal és probablement el primer en una cerca a Google, us recomano que consulteu el seu lloc, també estic fent servir el disseny del seu marc plegable.

Pas 1: captura de vol

Aquest va ser el meu segon vol de prova on l’helicòpter ja estava sintonitzat i preparat per fer anàlisis de plantes. Tinc alguns enregistraments incorporats des de la meva càmera d’acció; podeu veure el nostre bell entorn des d’un ull d’ocell. Si voleu veure els enregistraments NDVI, aneu a l'últim pas d'aquesta instrucció. Malauradament, no vaig tenir temps de fer un vídeo complet sobre com guiar aquest tricòpter, però he penjat aquest breu vídeo de prova de vol.

Pas 2: Eines i peces necessàries

A excepció de les plomes de fusta i l’esprai de pintura que tenia totes les parts col·locades a la meva caixa d’eines, el cost total d’aquest projecte va ser d’uns 5 dòlars per a mi, però intentaré trobar enllaços eBay o Banggood a totes les parts que vaig utilitzar. Recomano encaridament buscar les peces al voltant, potser obtindreu un preu millor que jo.

Eines

• Soldador
• Eina Dremel
• Impressora 3D (no en tinc, el meu amic em va ajudar)
• Eines de tall
• Tallador de filferro
• Super Glue
• Corbates de cremallera (moltes d'elles, en 2 mides)
• Paint Spray (amb un color que t’agradi - he utilitzat el negre)

Parts

1. ArduCopter Flight Controller (he utilitzat un APM 2.8 antic, però hauríeu d’anar per un PixHawk o un PIX Mini)
2. Antena GPS amb magnetòmetre
3. Mòdul de telemetria MAVLink (per a comunicacions amb estacions de terra)
4. Receptor + transmissor de 6 canals
5. Transmissor de vídeo
6. Servomotor (parell mínim de 1,5 kg)
7. Hèlixs de 10 "(2 CCW, 1 CW + extra per substituir)
8. 3 30K SimonK ESC (controlador electrònic de velocitat) + 3 motors de 920kv
9. Bateria 3S 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (ve amb filtre infrablue)
11. 2 corretges de bateria
12. Suports d'amortiment de vibracions
13. Plomades de fusta quadrades de 1,2 cm (he comprat una vareta de 1,2 metres)
14. Làmina de fusta gruixuda de 2-3 mm
15. Càmera d'acció (he utilitzat un clon GoPro capaç de 4k - SJCAM 5000x)

Aquestes són les parts que he fet servir per al meu dron, no dubteu a modificar-lo al vostre gust. Si no esteu segur de què cal fer, deixeu un comentari i intentaré ajudar-vos. Nota: He utilitzat la placa APM discontinua com a controlador de vol, perquè en tenia un de recanvi. Vola bé, però aquesta placa ja no és compatible, de manera que probablement hauríeu d’aconseguir un altre controlador de vol compatible amb ArduCopter per obtenir funcions GPS excel·lents.

Pas 3: tall del marc

Baixeu-vos el fitxer del marc, imprimiu-lo i talleu-lo. Comproveu si la mida impresa és correcta i, a continuació, utilitzeu un llapis per marcar la forma i els forats de la placa de fusta. Utilitzeu una serra per tallar el marc i treure els forats amb una broca de 3 mm. Només en necessitareu dos, només en vaig fer 4 com a recanvis.

Pas 4: munteu el marc

Vaig utilitzar cargols i femelles de 3 mm per muntar el marc. Vaig tallar cada ploma de 35cm de llarg i en vaig deixar un de 3cm de llarg a la part frontal del marc. No tenseu massa les articulacions, però assegureu-vos que hi hagi prou fricció perquè els braços no es plegin. Aquest és un disseny realment intel·ligent, em vaig estavellar dues vegades i res només els braços creuats.

Pas 5: perforació de forats per als motors

Comproveu la mida dels cargols del motor i la distància entre ells i foradeu dos forats als braços de fusta esquerra i dreta. Vaig haver de perforar un forat de 5 mm de profunditat i 8 mm d’amplada als braços perquè els eixos tinguessin prou espai per girar. Utilitzeu un paper de vidre per eliminar aquestes petites estelles i expulseu la pols. No voleu que hi hagi pols als motors, ja que això pot causar friccions i calor innecessàries.

Pas 6: muntatge GPS plegable

Vaig haver de practicar forats addicionals per a la meva antena GPS per tenir un bon ajust. Hauríeu de situar la brúixola fins que no interfereixi amb el camp magnètic dels motors i dels cables. Es tracta d’una antena plegable senzilla que m’ajuda a mantenir la configuració el més compacta possible.

Pas 7: Pintar el marc

Ara cal descargolar-ho tot i fer la pintura. Vaig acabar escollint aquest esprai de color negre intens mat. Vaig enganxar les peces a un fil i simplement les vaig pintar. Per obtenir un bon resultat, utilitzeu 2 o més capes de pintura. La primera capa probablement es veurà una mica rentada perquè la fusta consumirà la humitat. Bé, això va passar en el meu cas.

Pas 8: muntatge de la plataforma d'amortiment de vibracions

Tenia aquesta plataforma de suport de cardan que, a la meva construcció, també funciona com a suport de bateria. Cal muntar-lo sota del marc amb tirants i / o cargols. El pes de la bateria ajuda a absorbir molta vibració, de manera que obtindreu un bon material de càmera. També podeu muntar alguns engranatges d’aterratge a les barres de plàstic, em va semblar que no era necessari. Aquest color negre va funcionar bé, en aquest moment hauríeu de tenir un marc d’aspecte agradable i és hora de configurar el controlador de vol.

Pas 9: Configuració d'ArduCopter

Per configurar el controlador de vol, necessitareu un programari gratuït addicional. Descarregueu Mission Planner a Windows o APM Planner a Mac OS. Quan connecteu el controlador de vol i obriu el programari, un assistent assistent instal·larà el firmware més recent a la vostra placa. També us ajudarà a calibrar la vostra brúixola, acceleròmetre, controlador de ràdio i modes de vol.

Modes de vol

Us recomano utilitzar Estabilitzar, Mantenir l'altitud, Fletxa, Cercle, Tornar a casa i Terra com a sis modes de vol. El cercle és realment útil a l’hora d’inspeccionar les plantes. Va a orbitar al voltant d’una coordenada determinada, de manera que ajuda a analitzar les plantes des de tots els angles d’una manera molt precisa. Puc fer una òrbita amb els pals, però és difícil mantenir un cercle perfecte. Loiter és com aparcar el dron al cel, de manera que podeu fer fotografies NDVI d’alta resolució i RTH és útil si perdeu senyal o perdeu l’orientació del dron.

Presteu atenció al cablejat. Utilitzeu l’esquema per connectar els vostres ESC als pins correctes i comproveu a Mission Planner el cablejat dels vostres canals d’entrada. Mai proveu-ho mai amb accessoris posats.

Pas 10: Instal·lació del GPS, la càmera i el controlador de vol

Un cop calibrat el controlador de vol, podeu utilitzar una mica de cinta d’escuma i instal·lar-la al centre del marc. Assegureu-vos que estigui cap endavant i que tingueu prou espai per als cables. Munteu el GPS amb cargols de 3 mm i utilitzeu tirants per mantenir la càmera al seu lloc. Aquests clons GoPro vénen amb totes les utilitats de muntatge, de manera que va ser molt senzill instal·lar-lo.

Pas 11: ESC i cable d'alimentació

Les meves bateries tenen un connector XT60, de manera que he soldat 3 cables positius i 3 negatius a cada pin d’un connector femella. Utilitzeu un tub de contracció de calor per protegir les connexions contra les curtcircuites (també podeu utilitzar cinta elèctrica). Quan soldeu aquests cables gruixuts, fregueu-los i fixeu-los amb un fil de coure i afegiu-hi molta soldadura fosa. No voleu que les juntes de soldadura en fred, especialment en alimentar els ESC.

Pas 12: Receptor i antenes

Per tenir una bona recepció del senyal, heu de muntar les antenes a 90 graus. Vaig utilitzar tirants amb cremallera i tubs de contracció de calor per muntar les antenes del receptor a la part frontal del dron. La majoria dels receptors vénen amb cables i els canals estan etiquetats, de manera que hauria de ser fàcil configurar-lo.

Pas 13: el mecanisme de la cua

El mecanisme de la cua és l’ànima d’un tricòpter. He trobat aquest disseny en línia, així que he provat. Em va semblar que el disseny original era una mica feble, però si inverteixes el mecanisme funciona perfectament. Vaig tallar l'excés de part amb una eina dremel. A la imatge pot semblar que el meu servomotor pateix una mica, però funciona perfectament. Utilitzeu una gota de superglue quan estrenyiu els cargols perquè no caiguin a causa de les vibracions; o podeu lligar amb cremallera els motors com jo.

Pas 14: fer una prova de vol i sintonització PID

Comproveu totes les connexions i assegureu-vos que no fregireu res quan connecteu la bateria. Instal·leu les hèlixs i intenteu planar amb el vostre dron. El meu era força suau, només havia de fer una mica d’afinació del desgast perquè s’estava corregint massa. No puc ensenyar sintonització PID en aquest instructiu, he après gairebé tot del vídeo tutorial de Joshua Bardwell. Ho explica molt millor del que he pogut.

Pas 15: trieu un gerd i instal·leu Raspbian (Jessie)

Volia mantenir-ho el més lleuger possible, així que vaig anar amb el RPi Zero W. Estic fent servir Raspbian Jessie perquè les versions més recents tenien alguns problemes amb OpenCV que fem servir per calcular l’índex de vegetació a partir de les imatges en brut. Si voleu una taxa FPS més alta, heu de triar el Raspberry Pi v4. Podeu descarregar el programari aquí.

Instal·lació de dependències

Utilitzarem PiCamera, OpenCV i Numpy en aquest projecte. Com a sensor d’imatge, vaig triar la càmera més petita de 5MP, que només és compatible amb les plaques Zero.

1. Feu llampar la vostra imatge amb la vostra eina preferida (m'agrada Balena Etcher).
2. Arrenceu el gerd amb un monitor connectat.
3. Activeu les interfícies de càmera i SSH.
4. Comproveu la vostra adreça IP amb ifconfig al terminal.
5. SSH al vostre RPi amb l'ordre ssh pi @ YOUR_IP.
6. Copieu i enganxeu les instruccions per instal·lar els programes necessaris:

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 (per provar-ho) import cv2 cv2._ version_

Hauríeu de veure una resposta amb el número de versió de la vostra biblioteca OpenCV.

Pas 16: provar la càmera NoIR i la imatge NDVI

Apagueu la vostra placa RPi, introduïu la càmera i, a continuació, podem provar de fer imatges NDVI amb ella. Podeu veure a la flor (la que té un fons vermell) que les parts més verdes de l’interior mostren una certa activitat fotosintètica. Aquesta va ser la meva primera prova, que es va fer amb Infragram. Vaig aprendre totes les fórmules i el mapatge de colors al seu lloc per escriure un codi completament funcional. Per fer les coses més automatitzades, he creat un script Python que captura fotogrames, calcula les imatges NDVI i les guarda en 1080p a l’helicòpter.

Aquestes imatges tindran un mapa de colors estrany i semblaran d’un altre planeta. Feu unes quantes proves, canvieu algunes variables, ajusteu el sensor abans de la primera missió.

Pas 17: Instal·lació del RPi Zero W al dron

Vaig instal·lar el Pi Zero a la part frontal del tricòpter. Podeu mirar la càmera cap endavant com jo o cap avall també. La raó per la qual la meva està mirant cap endavant és per mostrar la diferència entre les plantes i altres objectes no fotosintètics. Nota: pot passar que algunes superfícies reflecteixin la llum IR o siguin més càlides que l’entorn, cosa que fa que tinguin un color groc brillant.

Pas 18: afegir un transmissor de vídeo (opcional)

Tenia aquest VTx col·locat al voltant, així que estava instal·lat al braç posterior del meu helicòpter. Té un abast de 2000 metres, però no l’he utilitzat mentre feia proves. Un vol FPV només es va divertir amb ell. Quan no l’utilitzo, els cables s’eliminen, en cas contrari s’amagaran sota el marc per mantenir la meva construcció agradable i neta.

Pas 19: Fer anàlisi de plantes

Vaig fer dos vols de 25 minuts per fer una anàlisi adequada. La majoria de les nostres verdures semblaven estar bé, les patates necessitaven més cura i reg. Vaig a comprovar que va ajudar en pocs dies. Es veuen bastant verds a la imatge en comparació amb els arbres tarongers i roses.

M'agrada fer vols en cercle per poder examinar les plantes des de tots els angles. Podeu veure clarament que sota els arbres fruiters algunes verdures no reben prou llum solar, cosa que les fa tornar blaves o negres a les imatges NDVI. No és un problema si una part de l’arbre no rep prou llum solar a l’hora del dia, però és dolent si tota la planta es converteix en blanc i negre.

Pas 20: Voleu segur;)

Gràcies per llegir aquest Instructible, espero que alguns de vosaltres intentin fer experiments amb imatges NDVI o amb drons de construcció. M’he divertit molt fent aquest projecte a partir de zero amb peces de fusta, si també t’ha agradat, pots pensar en ajudar-me amb el teu amable vot. Ah, vola segur, mai per sobre de la gent i gaudeix de l’afició!

Primer premi del repte Make It Fly