DIY Plant Inspection Trädgårdsdrönare (vikbar trikopter på en budget): 20 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

På vårt helghus har vi en fin liten trädgård med mycket frukt och grönsaker men ibland är det bara svårt att hänga med i hur växterna förändras. De behöver ständig övervakning och de är mycket sårbara för väder, infektioner, buggar osv …

Jag hade många multikopterreservdelar från gamla projekt som låg i min verktygslåda så jag bestämde mig för att designa och bygga en drönare som kan göra växtanalys med en Rasperry Pi Zero W och dess NoIR PiCamera. Jag ville också göra en video om det här projektet men det är ganska svårt bredvid universitetet så jag ska bara ladda upp råfilmen.

Teorin bakom nära infraröd bildbehandling

Jag rekommenderar att du läser denna Wikipedia -artikel. Lång historia kort, när växter fungerar normalt reflekterar de infrarött ljus från solen. Många djur kan se IR -ljus, som ormar och reptiler, men din kamera kan se det också (prova det med en fjärrkontroll för TV). Om du tar bort IR -filtret från din kamera får du en lila, uttvättad bild. Om du inte vill gå sönder din kamera bör du prova den med NoIR PiCamera, som i princip är samma som standard PiCamera men inte har ett inbyggt IR -filter. Om du placerar infrafiltret under kamerans lins får du bara IR -ljus på din röda kanal, blått ljus på blå kanal, grönt och rött filtreras bort. Med hjälp av den normaliserade skillnaden vegetationsindexformel för varje pixel kan du få en mycket bra indikator på din växt hälsa och fotosyntetisk aktivitet. Med det här projektet kunde jag skanna vår bakgård och identifiera en ohälsosam växt under vårt päronträd.

Varför en trikopter?

Jag gillar tricopters lite mer än fyrhjulingar till exempel på grund av deras effektivitet. De har längre flygtider, de är billigare och du kan vika dem som förmodligen den enskilt bästa funktionen när det gäller DIY -drönare. Jag tycker också om att flyga med den här trikoptern, de har en något "flygplanslik" kontroll som du kommer att uppleva om du bygger den här drönaren tillsammans med mig. När det gäller tris David Windestals namn är förmodligen det första i en Google -sökning, jag rekommenderar att kolla in hans webbplats, jag använder också hans vikbara ramdesign.

Steg 1: Flygfilm

Detta var min andra testflygning där coptern redan var inställd och redo att göra växtanalys. Jag har några ombordinspelningar från min actionkamera, du kan kolla in vår vackra omgivning från ett fågelperspektiv. Om du vill se NDVI -inspelningarna gå till det sista steget i denna instruerbara. Tyvärr hade jag inte tid att göra en fullständig guide till video på denna trikopter, men jag har laddat upp den här korta flygtestvideon.

Steg 2: Obligatoriska verktyg och delar

Med undantag för träbommar och färgspray hade jag alla delar i min verktygslåda, så den totala kostnaden för detta projekt var cirka $ 5 för mig, men jag kommer att försöka hitta eBay eller Banggood -länkar till varje del jag använde. Jag rekommenderar starkt att titta runt efter delarna, kanske kan du få ett bättre pris än jag gjorde.

Verktyg

• Lödkolv
• Dremel Tool
• 3D -skrivare (jag har inte en, min vän hjälpte mig)
• Skärverktyg
• Avbitartång
• Superlim
• Dragkedjor (många av dem, i 2 storlekar)
• Paint Spray (med en färg du gillar - jag använde svart)

Delar

1. ArduCopter Flight Controller (jag använde en gammal APM 2.8, men du borde välja en PixHawk eller PIX Mini)
2. GPS -antenn med magnetometer
3. MAVLink Telelemetry Module (för markstationskommunikation)
4. 6CH mottagare + sändare
5. Videosändare
6. Servomotor (minst 1,5 kg vridmoment)
7. 10 "propellrar (2 CCW, 1 CW + extra för utbyte)
8. 3 30A SimonK ESCs (Electronic Speed Controller) + 3 920kv motorer
9. 3S batteri 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (levereras med infrablåfilter)
11. 2 batteriremmar
12. Vibrationsdämpande fästen
13. 1,2 cm fyrkantiga träbommar (jag köpte en stav på 1,2 meter)
14. 2-3 mm tjock träplatta av trä
15. Actionkamera (jag använde en 4K -kompatibel GoPro -klon - SJCAM 5000x)

Det här är delarna jag använde för min drönare, ändra den gärna efter eget tycke. Om du inte är säker på vad du ska använda lämna en kommentar så ska jag försöka hjälpa dig. Obs! Jag använde det avvecklade APM -kortet som flygkontroll, eftersom jag hade en reserv. Flyger bra, men det här kortet stöds inte längre så du borde nog skaffa en annan flygkontroll som är ArduCopter -kompatibel för bra GPS -funktioner.

Steg 3: Skär ramen

Ladda ner ramfilen, skriv ut den och klipp ut den. Kontrollera om den utskrivna storleken är korrekt och markera formen och hålen på träplattan med en penna. Skär ramen med en såg och borra hålen med en 3 mm bit. Du behöver bara två av dessa, jag har precis gjort 4 som reservdelar.

Steg 4: Montera ramen

Jag använde 3 mm skruvar och muttrar för att montera ramen. Jag klippte varje bom 35 cm lång och lämnade en 3 cm lång på framsidan av ramen. Dra inte åt lederna för hårt, men se till att det finns tillräckligt med friktion så att armarna inte viker. Det här är en riktigt smart design, jag kraschade två gånger och ingenting bara armarna fällda bakåt.

Steg 5: Borra hål för motorerna

Kontrollera storleken på dina motorskruvar och avståndet mellan dem och borra sedan två hål i vänster och höger träarm. Jag var tvungen att borra ett 5 mm djupt och 8 mm brett hål i armarna så att axlarna har tillräckligt med utrymme att snurra. Använd ett sandpapper för att ta bort de små flisorna och blåsa ut dammet. Du vill inte ha damm i dina motorer eftersom det kan orsaka onödig friktion och värme.

Steg 6: Fällbart GPS -fäste

Jag var tvungen att borra till extra hål för min GPS -antenn för en bra passform. Du bör placera kompassen högt så att den inte stör magnetfältet hos motorer och ledningar. Detta är en enkel vikningsantenn som hjälper mig att hålla min installation så kompakt som möjligt.

Steg 7: Måla ramen

Nu måste du skruva loss allt och göra lacken. Jag slutade med att välja denna matta djupsvarta färgspray. Jag kopplade ihop delarna på en tråd och målade dem helt enkelt. För ett riktigt bra resultat, använd 2 eller fler lager färg. Det första lagret kommer förmodligen att se lite utspolat ut eftersom träet kommer att dricka upp fukten. Det hände i mitt fall.

Steg 8: Montering av vibrationsdämpningsplattformen

Jag hade denna plattform för gimbalhållare som i min konstruktion också fungerar som en batterihållare. Du måste montera detta under din ram med dragkedjor och/eller skruvar. Batteriets vikt hjälper till att absorbera mycket vibrationer så att du får ett riktigt fint kamerabilder. Du kan också montera några landningsställ på plaststavarna, jag kände att det var onödigt. Den här svarta färgen fungerade bra, nu bör du ha en snygg ram och det är dags att ställa in din flygkontroll.

Steg 9: Konfigurera ArduCopter

För att konfigurera flygkontrollen behöver du en extra gratis programvara. Ladda ner Mission Planner på Windows eller APM Planner på Mac OS. När du ansluter din flygkontroll och öppnar programvaran kommer en assistenthjälpare att installera den senaste firmware på ditt kort. Det kommer också att hjälpa dig att kalibrera din kompass, accelerometer, radiokontroll och flyglägen.

Flyglägen

Jag rekommenderar att du använder Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home and Land som ditt sex flygläge. Cirkel är verkligen användbar när det gäller anläggningskontroll. Det kommer att kretsa runt en given koordinat så det hjälper att analysera dina växter från alla vinklar på ett mycket exakt sätt. Jag kan kretsa med pinnarna, men det är svårt att behålla en perfekt cirkel. Loiter är som att parkera din drönare på himlen, så du kan ta högupplösta NDVI -bilder och RTH är användbart om du tappar signal eller tappar orienteringen av din drönare.

Var uppmärksam på dina ledningar. Använd schemat för att koppla in dina ESC i rätt stift och kontrollera i Mission Planner ledningarna för dina ingångskanaler. Testa aldrig dessa med rekvisita på!

Steg 10: Installera GPS: n, kameran och flygkontrollen

När din flygkontroll är kalibrerad kan du använda lite skumtejp och installera den på mitten av din ram. Se till att den är vänd framåt och ha tillräckligt med plats för kablarna. Montera GPS: n med 3 mm skruvar och använd dragkedjor för att hålla din kamera på plats. Dessa GoPro -kloner levereras med alla monteringsverktyg så det var ganska enkelt att installera den här.

Steg 11: ESC och strömkabel

Mina batterier har en XT60 -kontakt så jag lödde 3 positiva och 3 negativa ledningar till varje stift på en honkontakt. Använd ett värmekrymprör för att skydda anslutningarna mot att kortsluta dem (du kan också använda eltejp). När du löder dessa tjocka trådar gnugga dem ihop och fixa dem en koppartråd tillsätt sedan mycket smält löd. Du vill inte ha några kalla lödfogar, särskilt när du startar ESC: erna.

Steg 12: Mottagare och antenner

För att få en bra signalmottagning måste du montera dina antenner i 90 grader. Jag använde dragkedjor och värmekrympande rör för att montera mina mottagarantenner på framsidan av min drönare. De flesta mottagare levereras med kablar så och kanalerna är märkta så det borde vara enkelt att installera det.

Steg 13: Svansmekanismen

Svansmekanismen är en trikopters själ. Jag har hittat denna design online så jag provade. Jag kände att den ursprungliga designen var lite svag, men om du vänder på mekanismen fungerar den perfekt. Jag skär den överflödiga delen med ett dremelverktyg. På bilden kan det tyckas att min servomotor lider lite men den fungerar felfritt. Använd en liten droppe superlim när du drar åt skruvarna så att de inte faller av på grund av vibrationerna; eller så kan du zip -tie motorerna som jag gjorde.

Steg 14: Gör ett svävande test och PID -inställning

Dubbelkolla alla dina anslutningar och se till att du inte steker någonting när du kopplar in batteriet. Installera dina propellrar och försök att sväva med din drönare. Min var ganska smidig ur lådan, jag var bara tvungen att göra lite gäspning eftersom det korrigerade för mycket. Jag kan inte lära PID -inställning i denna instruerbara, jag lärde mig nästan allt från Joshua Bardwells videohandledning. Han förklarar detta så mycket bättre än jag kunde.

Steg 15: Välj ett hallon och installera Raspbian (Jessie)

Jag ville behålla detta så lätt som möjligt så jag gick med RPi Zero W. Jag använder Raspbian Jessie eftersom de nyare versionerna hade några problem med OpenCV som vi använder för att beräkna vegetationsindex från råfilmen. Om du vill ha en högre FPS -hastighet bör du välja Raspberry Pi v4. Du kan ladda ner programvaran här.

Installera beroenden

Vi kommer att använda PiCamera, OpenCV och Numpy i detta projekt. Som bildsensor valde jag den mindre 5MP -kameran som bara är kompatibel med Zero -korten.

1. Flasha din bild med ditt favoritverktyg (jag gillar Balena Etcher).
2. Starta upp ditt hallon med en bildskärm ansluten.
3. Aktivera kamera- och SSH -gränssnitt.
4. Kontrollera din IP -adress med ifconfig i terminalen.
5. SSH in i din RPi med kommandot ssh pi@YOUR_IP.
6. Kopiera och klistra in instruktionerna för att installera de nödvändiga programvarorna:

sudo apt-get uppdatering

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 (för att testa det) import cv2 cv2._ version_

Du bör se ett svar med versionsnumret på ditt OpenCV -bibliotek.

Steg 16: Testa NoIR -kameran och NDVI -avbildning

Stäng av ditt RPi -kort, sätt i kameran och sedan kan vi försöka göra lite NDVI -avbildning med den. Du kan se på blomman (den med en röd bakgrund) att de grönare delarna inuti visar lite fotosyntetisk aktivitet. Detta var mitt första test, som gjordes med Infragram. Jag lärde mig alla formler och färgkartläggning på deras webbplats för att skriva en fullt fungerande kod. För att göra saker mer automatiserade gjorde jag ett Python -skript som fångar ramar, beräknar NDVI -bilderna och sparar dem i 1080p på kopiatorn.

Dessa bilder kommer att ha en konstig färgkarta och de kommer att se ut som om de är från en annan planet. Gör några tester, ändra några variabler, finjustera din sensor innan det första uppdraget.

Steg 17: Installera RPi Zero W på Drone

Jag installerade Pi Zero på framsidan av trikoptern. Du kan vända din kamera framåt som jag eller nedåt också. Anledningen till att min vänder framåt är att visa skillnaden mellan växter och andra icke fotosyntetiska föremål. Obs: Det kan hända att vissa ytor reflekterar IR -ljus eller om de är varmare än omgivningen vilket gör att de får en ljusgul färg.

Steg 18: Lägga till en videosändare (tillval)

Jag hade också denna VTx så installerad på baksidan av min copter. Denna har en räckvidd på 2000 meter men jag har inte använt den när jag gjorde tester. Bara gjorde en FPV -flygning för skojs skull med den. När jag inte använder den tas kablarna bort, annars är de gömda under ramen för att hålla min byggnad snygg och ren.

Steg 19: Gör växtanalys

Jag gjorde två 25 minuters flygningar för en korrekt analys. De flesta av våra grönsaker verkade vara okej, potatis behövde lite extra vård och vattning. Ska kolla upp det som hjälpte om några dagar. De ser ganska gröna ut på bilden jämfört med de orange och rosa träden.

Jag gillar att göra cirkelflygningar så att jag kan undersöka växterna från alla vinklar. Du kan tydligt se att under fruktträden får vissa grönsaker inte tillräckligt med solljus vilket gör att de blir blå eller svarta i NDVI -bilderna. Det är inte ett problem om en del av trädet inte får tillräckligt med solljus vid en tid på dagen, men det är dåligt om hela växten blir svart och vit.

Steg 20: Flygsäkert;)

Tack för att du läste denna instruerbara, jag hoppas att några av er kommer att försöka göra experiment med NDVI -avbildning eller med att bygga drönare. Jag hade väldigt roligt med att göra detta projekt från noll av trädelar, om du också gillar kan du överväga att hjälpa mig med din vänliga röst. Åh, flyga säkert, aldrig över människor och njut av hobbyen!

Första priset i Make It Fly Challenge