Drone da giardinaggio per ispezione di piante fai-da-te (tricottero pieghevole con un budget): 20 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Nella nostra casa del fine settimana abbiamo un bel giardinetto con un sacco di frutta e verdura, ma a volte è difficile stare al passo con come cambiano le piante. Hanno bisogno di una supervisione costante e sono molto vulnerabili alle intemperie, alle infezioni, agli insetti, ecc…

Avevo molti pezzi di ricambio multicotteri di vecchi progetti in giro nella mia cassetta degli attrezzi, quindi ho deciso di progettare e costruire un drone in grado di eseguire analisi delle piante utilizzando un Rasperry Pi Zero W e la sua PiCamera NoIR. Volevo anche fare un video su questo progetto, ma è piuttosto difficile vicino all'università, quindi caricherò solo il filmato grezzo.

La teoria dietro l'imaging nel vicino infrarosso

Consiglio di leggere questo articolo di Wikipedia. Per farla breve, quando le piante funzionano normalmente riflettono la luce infrarossa proveniente dal sole. Molti animali possono vedere la luce IR, come serpenti e rettili, ma anche la tua fotocamera può vederla (prova con un telecomando TV). Se rimuovi il filtro IR dalla fotocamera otterrai un'immagine violacea e sbiadita. Se non vuoi rompere la tua fotocamera, dovresti provarla con la NoIR PiCamera, che è sostanzialmente la stessa della PiCamera standard ma non ha un filtro IR integrato. Se posizioni il filtro infrablu sotto l'obiettivo della tua fotocamera, otterrai solo la luce IR sul canale rosso, la luce blu sul canale blu, il verde e il rosso vengono filtrati. Utilizzando la formula dell'indice di vegetazione della differenza normalizzata per ogni pixel puoi ottenere un ottimo indicatore della salute della tua pianta e dell'attività fotosintetica. Con questo progetto sono stato in grado di scansionare il nostro cortile e identificare una pianta malsana sotto il nostro pero.

Perché un tricottero?

Mi piacciono i tricotteri un po' più dei quad, ad esempio per la loro efficienza. Hanno tempi di volo più lunghi, sono più economici e puoi piegarli, il che probabilmente è la caratteristica migliore quando si tratta di droni fai-da-te. Mi piace anche volare con questo tricottero, hanno un controllo un po' "aereoplano" che sperimenterai se costruirai questo drone insieme a me. Quando si tratta di tris, il nome di David Windestal è probabilmente il primo in una ricerca su Google, consiglio di dare un'occhiata al suo sito, sto usando anche il suo design a cornice pieghevole.

Passaggio 1: filmati di volo

Questo è stato il mio secondo volo di prova in cui l'elicottero era già sintonizzato e pronto per eseguire l'analisi delle piante. Ho alcune registrazioni a bordo della mia action cam, puoi controllare i nostri splendidi dintorni dall'alto. Se vuoi vedere le registrazioni NDVI, vai all'ultimo passaggio di questa istruzione. Sfortunatamente non ho avuto il tempo di fare un video completo su come guidare questo tricottero, ma ho caricato questo breve video di prova di volo.

Passaggio 2: strumenti e parti richiesti

Con l'eccezione dei bracci di legno e dello spray di vernice, avevo ogni parte in giro nella mia cassetta degli attrezzi, quindi il costo totale di questo progetto era di circa $ 5 per me, ma cercherò di trovare collegamenti eBay o Banggood a ogni parte che ho usato. Consiglio vivamente di cercare le parti, forse puoi ottenere un prezzo migliore di quello che ho fatto io.

Utensili

• Saldatore
• Strumento Dremel
• Stampante 3D (non ce l'ho, il mio amico mi ha aiutato)
• Utensili da taglio
• Tronchese
• Super colla
• Fascette (tantissime, in 2 taglie)
• Vernice Spray (con un colore che ti piace - ho usato il nero)

Parti

1. ArduCopter Flight Controller (ho usato un vecchio APM 2.8, ma dovresti scegliere un PixHawk o PIX Mini)
2. Antenna GPS con magnetometro
3. Modulo di telelemetria MAVLink (per la comunicazione della stazione di terra)
4. Ricevitore 6CH + Trasmettitore
5. Trasmettitore video
6. Servomotore (almeno 1,5 kg di coppia)
7. Eliche da 10" (2 CCW, 1 CW + extra per la sostituzione)
8. 3 ESC SimonK da 30A (regolatore elettronico di velocità) + 3 motori da 920kv
9. Batteria 3S 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (fornito con filtro infrablue)
11. 2 cinturini per batteria
12. Supporti per smorzamento delle vibrazioni
13. Aste in legno a forma quadrata da 1,2 cm (ho comprato un'asta da 1,2 metri)
14. Piatto in lamina di legno spesso 2-3 mm
15. Action Camera (ho usato un clone GoPro compatibile con 4K - SJCAM 5000x)

Queste sono le parti che ho usato per il mio drone, sentiti libero di modificarlo a tuo piacimento. Se non sei sicuro di cosa usare lascia un commento e cercherò di aiutarti. Nota: ho usato la scheda APM fuori produzione come controller di volo, perché ne avevo una di riserva. Vola bene, ma questa scheda non è più supportata, quindi dovresti probabilmente ottenere un altro controller di volo compatibile con ArduCopter per ottime funzionalità GPS.

Passaggio 3: taglio della cornice

Scarica il file del frame, stampalo e ritaglialo. Controlla se la dimensione stampata è corretta, quindi usa una penna per segnare la forma e i fori sulla piastra di legno. Utilizzare una sega per tagliare il telaio e praticare i fori con una punta da 3 mm. Ti serviranno solo due di questi, ne ho appena fatti 4 come pezzi di ricambio.

Passaggio 4: assemblare il telaio

Ho usato viti e dadi da 3 mm per assemblare il telaio. Ho tagliato ogni boma lungo 35 cm e ne ho lasciato uno lungo 3 cm nella parte anteriore del telaio. Non stringere troppo le articolazioni, ma assicurati che ci sia abbastanza attrito in modo che le braccia non si pieghino. Questo è un design davvero intelligente, mi sono schiantato due volte e niente solo le braccia piegate all'indietro.

Passaggio 5: praticare fori per i motori

Controlla le dimensioni delle viti del motore e la distanza tra loro, quindi fai due fori nei bracci di legno sinistro e destro. Ho dovuto praticare un foro di 5 mm di profondità e 8 mm di larghezza nelle braccia in modo che le aste abbiano abbastanza spazio per ruotare. Usa una carta vetrata per rimuovere quelle piccole schegge e soffiare via la polvere. Non vuoi polvere nei tuoi motori perché ciò potrebbe causare attrito e calore non necessari.

Passaggio 6: supporto GPS pieghevole

Ho dovuto praticare fori extra per la mia antenna GPS per una buona vestibilità. Dovresti posizionare la bussola in alto in modo che non interferisca con il campo magnetico dei motori e dei cavi. Questa è una semplice antenna pieghevole che mi aiuta a mantenere la mia configurazione il più compatta possibile.

Passaggio 7: dipingere la cornice

Ora devi svitare tutto e fare il lavoro di verniciatura. Alla fine ho scelto questo spray di colore nero profondo opaco. Ho collegato le parti su un filo e le ho semplicemente dipinte. Per un risultato davvero buono usa 2 o più strati di vernice. Il primo strato probabilmente sembrerà un po' sbiadito perché il legno berrà l'umidità. Ebbene, nel mio caso è successo.

Passaggio 8: montaggio della piattaforma di smorzamento delle vibrazioni

Avevo questa piattaforma per supporto cardanico che nella mia build funge anche da supporto per la batteria. Devi montarlo sotto il telaio con fascette e/o viti. Il peso della batteria aiuta ad assorbire molte vibrazioni in modo da ottenere un bel filmato della fotocamera. Puoi anche montare alcuni carrelli di atterraggio sulle aste di plastica, mi è sembrato che non fosse necessario. Questo colore nero ha funzionato bene, a questo punto dovresti avere una bella cornice ed è ora di impostare il controller di volo.

Passaggio 9: configurazione di ArduCopter

Per configurare il controller di volo avrai bisogno di un software gratuito aggiuntivo. Scarica Mission Planner su Windows o APM Planner su Mac OS. Quando si collega il controller di volo e si apre il software, un assistente alla procedura guidata installerà l'ultimo firmware sulla scheda. Ti aiuterà a calibrare anche la bussola, l'accelerometro, il radiocomando e le modalità di volo.

Modalità di volo

Consiglio di utilizzare Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home e Land come sei modalità di volo. Circle è davvero utile quando si tratta di ispezionare gli impianti. Orbiterà attorno a una determinata coordinata, quindi aiuta ad analizzare le tue piante da ogni angolazione in un modo molto preciso. Posso fare l'orbita con i bastoncini, ma è difficile mantenere un cerchio perfetto. Loiter è come parcheggiare il tuo drone nel cielo, quindi puoi scattare foto NDVI ad alta risoluzione e RTH è utile se perdi il segnale o perdi l'orientamento del tuo drone.

Fai attenzione al cablaggio. Usa lo schema per collegare i tuoi ESC ai pin corretti e controlla in Mission Planner il cablaggio dei tuoi canali di ingresso. Non testarli mai con gli oggetti di scena!

Passaggio 10: installazione del GPS, della fotocamera e del controller di volo

Una volta calibrato il controller di volo, puoi utilizzare del nastro in schiuma e installarlo al centro del telaio. Assicurati che sia rivolto in avanti e che ci sia spazio sufficiente per i cavi. Monta il GPS con viti da 3 mm e usa le fascette per mantenere la fotocamera in posizione. Questi cloni GoPro sono dotati di tutte le utilità di montaggio, quindi è stato abbastanza semplice installarlo.

Passaggio 11: ESC e cavo di alimentazione

Le mie batterie hanno un connettore XT60, quindi ho saldato 3 fili positivi e 3 negativi a ciascun pin di un connettore femmina. Utilizzare un tubo termoretraibile per proteggere le connessioni dal cortocircuito (è possibile utilizzare anche del nastro isolante). Quando si saldano questi fili spessi, strofinarli insieme e fissarli con un filo di rame, quindi aggiungere molta saldatura fusa. Non vuoi saldature fredde soprattutto quando accendi gli ESC.

Passaggio 12: ricevitore e antenne

Per avere una buona ricezione del segnale devi montare le antenne a 90 gradi. Ho usato fascette e tubi termorestringenti per montare le antenne del ricevitore sulla parte anteriore del mio drone. La maggior parte dei ricevitori viene fornita con cavi e i canali sono etichettati, quindi dovrebbe essere facile configurarlo.

Passaggio 13: il meccanismo di coda

Il meccanismo di coda è l'anima di un tricottero. Ho trovato questo design online, quindi l'ho provato. Mi sembrava che il design originale fosse un po' debole, ma se inverti il meccanismo funziona perfettamente. Ho tagliato la parte in eccesso con uno strumento dremel. Dall'immagine può sembrare che il mio servomotore soffra un po' ma funziona perfettamente. Usa una piccola goccia di supercolla quando stringi le viti in modo che non cadano a causa delle vibrazioni; oppure puoi legare i motori come ho fatto io.

Passaggio 14: eseguire un test in bilico e sintonizzazione PID

Ricontrolla tutte le connessioni e assicurati di non friggere nulla quando colleghi la batteria. Installa le tue eliche e prova a librarti con il tuo drone. Il mio era abbastanza fluido fuori dalla scatola, ho dovuto solo fare un po 'di imbardata perché correggeva troppo. Non posso insegnare la sintonizzazione PID in questo Instructable, ho imparato quasi tutto dal video tutorial di Joshua Bardwell. Lo spiega molto meglio di quanto potrei.

Passaggio 15: scegli un Raspberry e installa Raspbian (Jessie)

Volevo mantenerlo il più leggero possibile, quindi sono andato con RPi Zero W. Sto usando Raspbian Jessie perché le versioni più recenti hanno avuto alcuni problemi con OpenCV che usiamo per calcolare l'indice di vegetazione dal filmato non elaborato. Se vuoi una velocità FPS più alta dovresti scegliere il Raspberry Pi v4. Puoi scaricare il software qui.

Installazione delle dipendenze

Useremo PiCamera, OpenCV e Numpy in questo progetto. Come sensore di immagine ho scelto la fotocamera più piccola da 5MP che è compatibile solo con le schede Zero.

1. Flash la tua immagine usando il tuo strumento preferito (mi piace Balena Etcher).
2. Avvia il tuo Raspberry con un monitor collegato.
3. Abilita le interfacce Fotocamera e SSH.
4. Controlla il tuo indirizzo IP con ifconfig nel terminale.
5. SSH nel tuo RPi con il comando ssh pi@YOUR_IP.
6. Copia e incolla le istruzioni per installare i software richiesti:

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 install sudo apt-get.0-dev sudo apt-get install libatlas-base-dev gfortran sudo pip install numpy python-opencv python (per testarlo) import cv2 cv2._version_

Dovresti vedere una risposta con il numero di versione della tua libreria OpenCV.

Passaggio 16: test della fotocamera NoIR e dell'imaging NDVI

Spegni la tua scheda RPi, inserisci la fotocamera e poi possiamo provare a fare delle immagini NDVI con essa. Puoi vedere sul fiore (quello con uno sfondo rosso), che le parti più verdi all'interno mostrano una certa attività fotosintetica. Questo è stato il mio primo test, realizzato con Infragram. Ho imparato tutte le formule e la mappatura dei colori sul loro sito per scrivere un codice perfettamente funzionante. Per rendere le cose più automatizzate ho realizzato uno script Python che cattura i frame, calcola le immagini NDVI e le salva in 1080p sull'elicottero.

Queste immagini avranno una strana mappa dei colori e sembreranno provenire da un altro pianeta. Fai qualche test, cambia alcune variabili, metti a punto il tuo sensore prima della prima missione.

Passaggio 17: installazione di RPi Zero W sul drone

Ho installato il Pi Zero sulla parte anteriore del tricottero. Puoi rivolgere la videocamera in avanti come ho fatto io o anche in basso. Il motivo per cui il mio è rivolto in avanti è mostrare la differenza tra le piante e altri oggetti non fotosintetici. Nota: può accadere che alcune superfici riflettano la luce IR o siano più calde dell'ambiente circostante, il che le fa assumere un colore giallo brillante.

Passaggio 18: aggiunta di un trasmettitore video (opzionale)

Avevo anche questo VTx in giro, quindi installato sul braccio posteriore del mio elicottero. Questo ha una portata di 2000 metri ma non l'ho usato durante i test. Ho fatto un volo FPV solo per divertirci. Quando non lo uso i cavi vengono rimossi, altrimenti vengono nascosti sotto il telaio per mantenere la mia costruzione bella e pulita.

Passaggio 19: eseguire l'analisi dell'impianto

Ho fatto due voli da 25 minuti per un'analisi corretta. La maggior parte delle nostre verdure sembrava andare bene, le patate avevano bisogno di cure e annaffiature extra. Andando a controllare che ha aiutato in pochi giorni. Sembrano piuttosto verdi nella foto rispetto agli alberi arancioni e rosa.

Mi piace fare voli circolari in modo da poter esaminare le piante da ogni angolazione. Puoi vedere chiaramente che sotto gli alberi da frutto alcune verdure non ricevono abbastanza luce solare che le fa diventare blu o nere nelle immagini NDVI. Non è un problema se una parte dell'albero non riceve abbastanza luce solare in un momento della giornata, ma è un male se l'intera pianta diventa in bianco e nero.

Passaggio 20: Vola sicuro;)

Grazie per aver letto questo Instructable, spero che alcuni di voi proveranno a fare esperimenti con l'imaging NDVI o con la costruzione di droni. Mi sono divertito molto a realizzare questo progetto da zero con parti in legno, se ti è piaciuto puoi considerare di aiutarmi con il tuo gentile voto. Oh, vola sicuro, mai sopra le persone e goditi l'hobby!

Primo premio nella sfida Make It Fly