DIY Plant Inspection Gardening Drone (Folding Tricopter on a Budget): 20 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

I vårt helghus har vi en fin liten hage med mye frukt og grønnsaker, men noen ganger er det bare vanskelig å følge med på hvordan plantene endrer seg. De trenger konstant tilsyn, og de er veldig sårbare for vær, infeksjoner, insekter osv …

Jeg hadde mange multikopterreservedeler fra gamle prosjekter i verktøykassen min, så jeg bestemte meg for å designe og bygge en drone som kan gjøre planteanalyse ved hjelp av en Rasperry Pi Zero W og NoIR PiCamera. Jeg ønsket også å lage en video om dette prosjektet, men det er ganske vanskelig ved siden av universitetet, så jeg vil bare laste opp råopptakene.

Teorien bak nær infrarød bildebehandling

Jeg anbefaler å lese denne Wikipedia -artikkelen. Lang historie kort, når planter fungerer normalt reflekterer de infrarødt lys fra solen. Mange dyr kan se IR -lys, som slanger og reptiler, men kameraet ditt kan se det også (prøv det med en TV -fjernkontroll). Hvis du fjerner IR -filteret fra kameraet ditt, får du et lilla, vasket bilde. Hvis du ikke vil ødelegge kameraet ditt, bør du prøve det med NoIR PiCamera, som i utgangspunktet er det samme som standard PiCamera, men ikke har et innebygd IR -filter. Hvis du plasserer infrarødt filter under kameralinsen, får du bare IR -lys på den røde kanalen, blått lys på blå kanal, grønt og rødt filtreres bort. Ved å bruke den normaliserte forskjellen vegetasjonsindeksformel for hver piksel, kan du få en veldig god indikator på plantens helse og fotosyntetiske aktivitet. Med dette prosjektet klarte jeg å skanne bakgården vår og identifisere en usunn plante under pæretreet vårt.

Hvorfor en trikopter?

Jeg liker trikoptere litt mer enn firhjulinger, for eksempel på grunn av effektiviteten. De har lengre flytider, de er billigere, og du kan brette dem som sannsynligvis er den eneste beste funksjonen når det gjelder DIY -droner. Jeg liker også å fly med dette trikopteret, de har en litt "fly-ish" kontroll som du vil oppleve hvis du bygger denne dronen sammen med meg. Når det gjelder tris David Windestals navn er sannsynligvis det første i et Google -søk, jeg anbefaler å sjekke siden hans, jeg bruker også den sammenleggbare rammedesignen hans.

Trinn 1: Flyopptak

Dette var min andre testflytur der copteren allerede var innstilt og klar til å gjøre planteanalyse. Jeg har noen ombordopptak fra actionkameraet mitt, du kan sjekke ut våre vakre omgivelser fra et fugleperspektiv. Hvis du vil se NDVI -opptakene, gå til det siste trinnet i denne instruksen. Dessverre hadde jeg ikke tid til å lage en fullstendig veiledning av video på dette trikopteret, men jeg har lastet opp denne korte flyvetestvideoen.

Trinn 2: Nødvendige verktøy og deler

Med unntak av trebommene og malingssprayen hadde jeg hver del i verktøykassen min, så den totale kostnaden for dette prosjektet var rundt $ 5 for meg, men jeg skal prøve å finne eBay eller Banggood lenker til hver del jeg brukte. Jeg anbefaler på det sterkeste å se deg rundt etter delene, kanskje du kan få en bedre pris enn jeg gjorde.

Verktøy

• Loddejern
• Dremel Tool
• 3D -skriver (jeg har ikke en, vennen min hjalp meg)
• Kutte verktøy
• Wire Cutter
• Superlim
• Glidelåser (mange av dem, i 2 størrelser)
• Paint Spray (med en farge du liker - jeg brukte svart)

Deler

1. ArduCopter Flight Controller (jeg brukte en gammel APM 2.8, men du bør gå for en PixHawk eller PIX Mini)
2. GPS -antenne med magnetometer
3. MAVLink Telelemetry Module (for bakkestasjonskommunikasjon)
4. 6CH mottaker + sender
5. Videosender
6. Servomotor (minst 1,5 kg dreiemoment)
7. 10 "propeller (2 CCW, 1 CW + ekstra for utskifting)
8. 3 30A SimonK ESCs (Electronic Speed Controller) + 3 920kv Motors
9. 3S batteri 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (leveres med infrarødt filter)
11. 2 batteribånd
12. Vibrasjonsdempingsfester
13. 1,2 cm firkantede trebommer (jeg kjøpte en 1,2 meter stang)
14. 2-3 mm tykk lamellplate i tre
15. Actionkamera (jeg brukte en GoPro -klon med 4K -støtte - SJCAM 5000x)

Dette er delene jeg brukte til dronen min. Du kan gjerne endre den til din smak. Hvis du ikke er sikker på hva du skal bruke, legg igjen en kommentar, så skal jeg prøve å hjelpe deg. Merk: Jeg brukte det utgåtte APM -kortet som en flykontroller, fordi jeg hadde en reserve. Flyr bra, men dette brettet støttes ikke lenger, så du bør sannsynligvis få en annen flykontroller som er ArduCopter -kompatibel for flotte GPS -funksjoner.

Trinn 3: Klippe rammen

Last ned rammefilen, skriv den ut og klipp den ut. Sjekk om den trykte størrelsen er riktig, og bruk en penn til å markere formen og hullene på treplaten. Bruk en sag til å kutte rammen og bor hullene med en 3 mm bit. Du trenger bare to av disse, jeg har nettopp laget 4 som reservedeler.

Trinn 4: Monter rammen

Jeg brukte 3 mm skruer og muttere for å montere rammen. Jeg kuttet hver bom 35 cm lang og la en 3 cm lang stå foran på rammen. Ikke stram leddene for mye, men pass på at det er nok friksjon slik at armene ikke bretter seg. Dette er en veldig smart design, jeg krasjet to ganger og ingenting bare armene brettet tilbake.

Trinn 5: Bore hull for motorene

Kontroller størrelsen på motorskruene og avstanden mellom dem, og bor deretter to hull i venstre og høyre trearm. Jeg måtte bore et 5 mm dypt og 8 mm bredt hull i armene slik at sjaktene har nok plass til å snurre. Bruk et sandpapir for å fjerne de små splintene og blåse ut støvet. Du vil ikke ha støv i motorene dine, fordi det kan forårsake unødvendig friksjon og varme.

Trinn 6: Sammenleggbar GPS -feste

Jeg måtte bore til ekstra hull for min GPS -antenne for en god passform. Du bør plassere kompasset høyt slik at det ikke forstyrrer magnetfeltet til motorer og ledninger. Dette er en enkel bretteantenne som hjelper meg med å holde oppsettet så kompakt som mulig.

Trinn 7: Maling av rammen

Nå må du skru av alt og gjøre malingsjobben. Jeg endte opp med å velge denne matt dype sorte fargesprayen. Jeg koblet delene til en tråd og malte dem ganske enkelt. For et virkelig godt resultat, bruk 2 eller flere lag med maling. Det første laget kommer sannsynligvis til å se litt vasket ut fordi treet kommer til å drikke opp fuktigheten. Vel, det skjedde i mitt tilfelle.

Trinn 8: Montering av vibrasjonsdempingsplattformen

Jeg hadde denne gimbalholderplattformen som i min bygg også fungerer som en batteriholder. Du må montere dette under rammen med glidelåser og/eller skruer. Vekten på batteriet bidrar til å absorbere mye vibrasjon, slik at du får et veldig fint kameraopptak. Du kan også montere noen landingshjul på plaststavene, jeg følte at det var unødvendig. Denne svarte fargen fungerte bra. På dette tidspunktet bør du ha en fin ramme, og det er på tide å sette opp flykontrolleren.

Trinn 9: Konfigurere ArduCopter

For å sette opp flykontrolleren trenger du en ekstra gratis programvare. Last ned Mission Planner på Windows eller APM Planner på Mac OS. Når du kobler til flykontrolleren og åpner programvaren, installerer en veiviserhjelp den siste fastvaren på brettet ditt. Det kommer også til å hjelpe deg med å kalibrere kompasset, akselerometeret, radiokontrolleren og flymodusene.

Flymoduser

Jeg anbefaler å bruke Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home and Land som din seks flymodus. Sirkel er veldig nyttig når det gjelder anleggsinspeksjon. Den kommer til å gå i bane rundt en gitt koordinat, så det hjelper å analysere plantene dine fra alle vinkler på en veldig presis måte. Jeg kan gå i bane med pinnene, men det er vanskelig å opprettholde en perfekt sirkel. Loiter er som å parkere dronen din på himmelen, så du kan ta høyoppløselige NDVI -bilder, og RTH er nyttig hvis du mister signalet eller mister dronens orientering.

Vær oppmerksom på ledningene dine. Bruk skjematikken til å plugge inn ESC -ene i de riktige pinnene og sjekke ledningen til inngangskanalene i Mission Planner. Aldri noen gang teste disse med rekvisitter på!

Trinn 10: Installere GPS, kamera og flykontroller

Når flykontrolleren er kalibrert, kan du bruke litt skumtape og installere den på midten av rammen. Sørg for at den vender fremover og ha nok plass til kablene. Monter GPS -en med 3 mm skruer og bruk glidelåser for å holde kameraet på plass. Disse GoPro -klonene kommer med alle monteringsverktøyene, så det var ganske enkelt å installere denne.

Trinn 11: ESCer og strømkabel

Batteriene mine har en XT60 -kontakt, så jeg loddet 3 positive og 3 negative ledninger til hver pinne på en hunkontakt. Bruk et varmekrympeslange for å beskytte tilkoblingene mot å kutte dem (du kan også bruke elektrisk tape). Når du lodder disse tykke ledningene, gni dem sammen og fikser dem med en kobbertråd, og legg deretter til mye smeltet loddetinn. Du vil ikke ha noen kalde loddeskjøter, spesielt når du starter ESC -ene.

Trinn 12: Mottaker og antenner

For å få en god signalmottak må du montere antennene i 90 grader. Jeg brukte glidelåser og varmekrympende rør for å montere mottakerantennene mine på forsiden av dronen min. De fleste mottakere kommer med kabler, så kanalene er merket, så det burde være enkelt å sette det opp.

Trinn 13: Halemekanismen

Halemekanismen er sjelen til et trikopter. Jeg har funnet dette designet på nettet, så jeg prøvde det. Jeg følte at det originale designet var litt svakt, men hvis du snur mekanismen, fungerer den perfekt. Jeg kuttet overflødig del med et dremel -verktøy. På bildet kan det virke som om servomotoren min lider litt, men den fungerer feilfritt. Bruk en liten dråpe superlim når du strammer skruene, slik at de ikke faller av på grunn av vibrasjonene; eller du kan zip -tie motorene som jeg gjorde.

Trinn 14: Gjør en svevestest og PID Tuning

Dobbeltsjekk alle tilkoblingene og sørg for at du ikke steker noe når du kobler til batteriet. Installer propellene dine og prøv å sveve med dronen din. Min var ganske jevn ut av esken, jeg måtte bare gjøre litt jawing -tuning fordi den korrigerte altfor mye. Jeg kan ikke lære PID -tuning i denne Instructable, jeg lærte nesten alt fra Joshua Bardwells videoopplæring. Han forklarte dette så mye bedre enn jeg kunne.

Trinn 15: Velg en bringebær og installer Raspbian (Jessie)

Jeg ønsket å beholde dette så lett som mulig, så jeg gikk med RPi Zero W. Jeg bruker Raspbian Jessie fordi de nyere versjonene hadde noen problemer med OpenCV som vi bruker til å beregne vegetasjonsindeksen fra råfilmene. Hvis du vil ha en høyere FPS -rate, bør du velge Raspberry Pi v4. Du kan laste ned programvaren her.

Installere avhengigheter

Vi kommer til å bruke PiCamera, OpenCV og Numpy i dette prosjektet. Som bildesensor valgte jeg det mindre 5MP kameraet som bare er kompatibelt med Zero -kortene.

1. Flash bildet ditt med ditt favorittverktøy (jeg liker Balena Etcher).
2. Start opp bringebæret ditt med en skjerm tilkoblet.
3. Aktiver kamera- og SSH -grensesnitt.
4. Kontroller IP -adressen din med ifconfig i terminalen.
5. SSH inn i RPi med kommandoen ssh pi@YOUR_IP.
6. Kopier og lim inn instruksjonene for å installere de nødvendige programmene:

sudo apt-get oppdatering

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 (for å teste det) import cv2 cv2._ version_

Du bør se et svar med versjonsnummeret til OpenCV -biblioteket.

Trinn 16: Testing av NoIR -kamera og NDVI -bildebehandling

Slå av RPi -kortet, sett inn kameraet og så kan vi prøve å gjøre noen NDVI -bilder med det. Du kan se på blomsten (den med rød bakgrunn) at de grønnere delene inne viser noe fotosyntetisk aktivitet. Dette var min første test, som ble laget med Infragram. Jeg lærte alle formlene og fargekartlegging på nettstedet for å skrive en fullt funksjonell kode. For å gjøre ting mer automatisert lagde jeg et Python -skript som fanger rammer, beregner NDVI -bildene og lagrer dem i 1080p på kopimaskinen.

Disse bildene kommer til å ha en merkelig fargekart, og de vil se ut som om de er fra en annen planet. Gjør noen tester, endre noen variabler, finjuster sensoren din før det første oppdraget.

Trinn 17: Installere RPi Zero W på dronen

Jeg installerte Pi Zero på forsiden av trikopteret. Du kan vende kameraet fremover som jeg gjorde eller nedover også. Grunnen til at min vender fremover er å vise forskjellen mellom planter og andre ikke -fotosyntetiske objekter. Merk: Det kan skje at noen overflater reflekterer IR -lys eller at de er varmere enn omgivelsene, noe som får dem til å ha en lysegul farge.

Trinn 18: Legge til en videosender (valgfritt)

Jeg hadde denne VTx liggende også, så installert på bakarmen på kopimaskinen min. Denne har en rekkevidde på 2000 meter, men jeg har ikke brukt den mens jeg laget tester. Bare gjorde en FPV -flytur for moro skyld med den. Når jeg ikke bruker den, fjernes kablene, ellers er de skjult under rammen for å holde bygningen fin og ren.

Trinn 19: Gjør planteanalyse

Jeg gjorde to 25 -minutters flyvninger for en skikkelig analyse. De fleste grønnsakene våre så ut til å være i orden, poteter trengte ekstra pleie og vanning. Skal sjekke det som hjalp på noen dager. De ser ganske grønne ut på bildet sammenlignet med de oransje og rosa trærne.

Jeg liker å gjøre sirkelflyvninger slik at jeg kan undersøke plantene fra alle vinkler. Du kan tydelig se at noen grønnsaker under frukttrærne ikke får nok sollys som gjør at de blir blå eller svarte i NDVI -bildene. Det er ikke et problem hvis en del av treet ikke får nok sollys om dagen, men det er ille hvis hele planten blir svart og hvit.

Trinn 20: Flysikker;)

Takk for at du leser denne Instructable, jeg håper noen av dere vil prøve å gjøre eksperimenter med NDVI -avbildning eller med å bygge droner. Jeg hadde det veldig moro med å lage dette prosjektet fra null av tredeler. Hvis du også likte det, kan du vurdere å hjelpe meg med din hyggelige stemme. Å, fly trygt, aldri over mennesker og nyt hobbyen!

Førstepremie i Make It Fly Challenge