Drone autonomo: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

In questo progetto imparerai il processo di costruzione e configurazione di un drone, prima di passare a studiare il volo autonomo utilizzando Mission Planner e MATLAB.

Si prega di notare che questo manuale è inteso solo come guida. L'uso dei droni può essere molto pericoloso in presenza di persone e può metterti nei guai seri con la legge se usati in modo inappropriato o nel posto sbagliato. Assicurati di rispettare tutte le leggi e i regolamenti che circondano l'uso dei droni. Inoltre, i codici forniti su GitHub non sono stati completamente testati, quindi assicurati di disporre di altri dispositivi di sicurezza per evitare di perdere o danneggiare il tuo drone.

Passaggio 1: elenco delle parti

Per questo progetto avrai bisogno di diverse parti. Prima di continuare con il resto di questo progetto, assicurati di acquistare i seguenti componenti e scarica i file per la stampa 3D e taglia al laser le parti personalizzate.

Parti acquistate

Telaio: DJI F450 Flame Wheel

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

PDB: Matek PDB-XT60

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

Motori x4: Emax 2205s 2300kv

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

Eliche x4: Gemfan Carbon/Nylon 5030

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

ESC x4: Ape 20A 2-4S

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

Controllore di volo: Navio 2 (con antenna GPS/GNSS e modulo di alimentazione)

Raspberry Pi 3B

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

Trasmettitore: FRSKY TARANIS X9D+

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

Ricevitore: FrSky XSR 2.4 Ghz ACCST

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

Batterie: Batteria Lipo TATTU 1800mAh 14,8V 45C 4S1P

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

Caricabatterie: Turnigy Accucell-6 50W 6A Balancer/Caricatore

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

Alimentatore per caricabatterie: alimentatore RS 12V CC

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

Sacchetti batteria: Hobby King Lithium Polymer Charge Pack

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

Connettori a banana

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

Router WiFi: TP-LINK TL-WR802N

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

Scheda Micro SD: SanDisk 32 GB

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

Distanziatori/distanziatori: filettatura in nylon M2.5

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

Il computer portatile

Fascette

Cinturino in velcro

Termoretraibile

Parti stampate in 3D

Custodia Raspberry Pi / Navio 2 (superiore e inferiore)

Custodia per batterie (scatola e coperchio)

Parti tagliate al laser

Strati elettronici x2

Passaggio 2: hardware

Hardware e fase di costruzione:

1. Assemblare il telaio del quadrirotore F450 e l'involucro della batteria stampato nel mezzo (assicurarsi di aggiungere i distanziali M2,5 * 5 mm)
2. Fissare i motori al telaio.
3. Saldare i connettori a banana agli ESC e ai cavi dei motori.
4. Saldare gli ESC e il modulo di alimentazione al PDB. Nota: assicurarsi di non utilizzare l'uscita 5V del PDB (non fornirà energia sufficiente).
5. Aggiungi il primo strato tagliato al laser nella parte superiore del telaio F450 utilizzando distanziatori maschio-femmina M2,5 * 10 mm; e collegare il PDB e il modulo di alimentazione a questo livello. Nota: assicurarsi di posizionare i componenti in modo tale che i cavi siano abbastanza lunghi da raggiungere tutti i motori.
6. Collega gli ESC ai motori e usa le fascette per fissare i fili al telaio.
7. Collega Navio2 al Raspberry Pi e posizionalo nell'involucro stampato.
8. Aggiungi il secondo strato tagliato al laser sopra il primo strato e attacca l'involucro Raspberry-Navio usando dei cuscinetti adesivi a doppia faccia.
9. Il GPS può essere incollato sopra l'involucro, tuttavia qui è stato posizionato su un altro terzo strato che va sopra l'involucro Raspberry-Navo come mostrato nelle immagini, ma dipende interamente da chi lo sta costruendo. Quindi collega semplicemente il GPS al Navio.
10. Fissare il ricevitore sopra il secondo strato utilizzando cuscinetti adesivi a doppia faccia. Collegare gli ESC e i cavi del ricevitore ai pin Navio. Il ricevitore occupa la prima colonna di pin e poi i motori occupano le successive quattro colonne. Nota: la parte anteriore del drone è determinata da quale motore è collegato per primo. Qualunque sia la direzione anteriore scelta, assicurati che i motori siano collegati nell'immagine all'inizio di questo passaggio.
11. Aggiungi le eliche. Si consiglia di lasciare le eliche fino alla fine, cioè dopo aver terminato la sezione del software e assicurarsi sempre di prendere precauzioni di sicurezza quando le eliche sono accese nel caso in cui le cose vadano male.

Passaggio 3: software

Fase Software: (Riferimento documenti Navio2)

1. Ottieni l'ultima immagine Emlid Raspbian dai documenti Navio2.
2. Scarica, estrai ed esegui Etcher con i diritti di amministratore.
3. Seleziona il file di archivio con l'immagine e la lettera dell'unità della scheda SD.
4. Fare clic su "Flash!". Il processo potrebbe richiedere alcuni minuti. (Video di esempio)
5. Ora per configurare l'accesso WiFi dobbiamo modificare il file wpa_supplicant.conf che si trova sulla scheda SD. Modificalo per farlo sembrare la prima immagine nella parte superiore di questo passaggio. Nota: ssid è il nome di TP-Link così come appare nel tuo computer. Il modo migliore per trovare l'ssid esatto per il tuo TP-Link è connettere il tuo laptop al TP-Link e quindi eseguire il comando seguente su una finestra di terminale:

Per Windows: netsh wlan mostra profili

Per mac: le impostazioni predefinite leggono /Library/Preferences/SystemConfiguration/com.apple.airport.preferences |grep SSIDString

psk è la password fornita sulla scheda fornita con il TP-Link.

1. Espellere la scheda SD e inserirla nel Raspberry Pi e alimentarla.
2. Per verificare se il Raspberry Pi è connesso al TP-Link puoi utilizzare una qualsiasi delle app disponibili che mostrano tutti i dispositivi collegati alla tua rete.
3. È necessario impostare indirizzi IP fissi sui dispositivi collegati al tuo TP-Link in modo da non dover modificare ogni volta gli indirizzi IP sui codici che scrivi. Puoi farlo semplicemente aprendo tplinkwifi.net (mentre sei connesso al TP-Link ovviamente). Immettere il nome utente: admin e la password: admin. Vai su "DHCP" nel menu a sinistra dello schermo, quindi seleziona "Prenotazione indirizzo" dal menu a discesa. Aggiungi gli indirizzi MAC dei dispositivi a cui vuoi assegnare gli indirizzi IP. Qui alla stazione di terra (Laptop) è stato assegnato un indirizzo IP di 192.168.0.110 e il Raspberry Pi 192.168.0.111.
4. Ora dobbiamo scaricare MAVProxy dal seguente link.
5. Ora crea un file.bat che assomigli alla seconda immagine nella parte superiore di questo passaggio e assicurati di utilizzare il percorso del file in cui è salvato il tuo mavproxy.exe sul tuo laptop. Dovrai eseguire questo file (facendo doppio clic su di esso) ogni volta che desideri connetterti al tuo drone.
6. Affinché il Raspberry Pi comunichi con MAVProxy, è necessario modificare un file sul Pi.
7. Digita sudo nano /etc/default/arducopter nel terminale Linux del Raspberry Pi che ospita l'autopilota Navio2.
8. La riga superiore del file che si apre dovrebbe essere TELEM1=”-A udp:127.0.0.1:14550”. Questo deve essere cambiato in modo che punti all'indirizzo IP del tuo PC.
9. Installa Mission Planner e passa alla sezione Configurazione per la prima volta.

Passaggio 4: configurazione iniziale

Per connetterti al tuo UAV segui questa procedura:

1. Esegui sia il tuo file MAVProxy.bat che Mission Planner.
2. Collega la batteria al tuo UAV e attendi circa 30-60 secondi. Questo gli darà il tempo di connettersi alla rete wireless.
3. Fare clic sul pulsante di connessione in alto a destra di Mission Planner. Nella prima finestra di dialogo che appare digitare 127.0.0.1 e fare clic su OK. Nella casella successiva digitare il numero di porta 14551 e fare clic su OK. Dopo alcuni secondi Mission Planner dovrebbe connettersi al tuo MAV e iniziare a visualizzare i dati di telemetria nel pannello di sinistra.

Quando configuri il tuo UAV per la prima volta, è necessario configurare e calibrare alcuni componenti hardware. I documenti di ArduCopter hanno una guida completa su come configurare il tipo di telaio, la calibrazione della bussola, la calibrazione del radiocomando, la calibrazione dell'accelerometro, l'impostazione della modalità del trasmettitore rc, la calibrazione dell'ESC e la configurazione della gamma del motore.

A seconda di come hai montato il tuo Raspberry Pi sul drone, potrebbe essere necessario cambiare l'orientamento della scheda nel pianificatore di missione. Questo può essere fatto regolando il parametro Orientamento tavola (AHRS_ORIENTATION) nell'elenco dei parametri avanzati nella scheda Config/Tuning in Mission Planner.

Passaggio 5: primo volo

Una volta che l'hardware e il software sono pronti, è il momento di prepararsi per il primo volo. Si raccomanda che prima di provare il volo autonomo l'UAV dovrebbe essere pilotato manualmente utilizzando il trasmettitore per avere un'idea della gestione dell'aeromobile e per risolvere eventuali problemi che potrebbero esistere.

La documentazione di ArduCopter ha una sezione molto dettagliata e informativa sul tuo primo volo. Discute le varie modalità di volo fornite con ArduCopter e cosa fa ciascuna di queste modalità. Per il primo volo, la modalità di stabilizzazione è la modalità di volo più appropriata da utilizzare.

ArduCopter ha molte funzioni di sicurezza integrate. Una di queste caratteristiche sono i controlli di sicurezza pre-armamento che impediscono l'armamento del velivolo se vengono rilevati problemi. La maggior parte di questi controlli è importante per ridurre la possibilità di un incidente o di una perdita dell'aeromobile, ma possono essere disabilitati se necessario.

L'attivazione dei motori avviene quando l'autopilota applica potenza ai motori per consentire loro di girare. Prima di armare i motori è essenziale che il velivolo si trovi in un'area libera e aperta, ben lontano da persone o ostacoli o in un'arena di volo sicura. È anche molto importante che nulla sia vicino alle eliche, in particolare parti del corpo e altre cose che verranno danneggiate da esse. Una volta che tutto è chiaro e il pilota è convinto che l'avviamento è sicuro, i motori possono essere armati. Questa pagina fornisce una serie dettagliata di istruzioni su come armare l'aereo. Le uniche differenze tra quella guida e Navio2 risiedono nella fase 7 di inserimento e nella fase 2 di disattivazione. Per armare Navio2, entrambe le levette devono essere tenute premute e al centro per alcuni secondi (vedi foto). Per disarmare, entrambe le levette devono essere tenute premute e lateralmente per alcuni secondi (vedi foto).

Per effettuare il tuo primo volo, segui questa guida.

Dopo il primo volo potrebbe essere necessario apportare alcune modifiche. Finché l'hardware è completamente funzionante ed è stato impostato correttamente, queste modifiche saranno principalmente sotto forma di ottimizzazione PID. Questa guida contiene alcuni suggerimenti utili per la messa a punto del quadricottero, tuttavia nel nostro caso, è bastato ridurre leggermente il guadagno P per rendere stabile l'aereo. Una volta che l'aereo è in grado di volare è possibile utilizzare la funzione di autotune di ArduCopter. Questo regola automaticamente i PID per fornire la risposta più rapida pur rimanendo stabile. La documentazione di ArduCopter fornisce una guida dettagliata su come eseguire l'autotuning.

Se riscontri problemi in uno di questi passaggi, la guida alla risoluzione dei problemi potrebbe essere d'aiuto.

Passaggio 6: volo autonomo

Pianificatore di missioni

Ora che il tuo elicottero è stato messo a punto e può volare bene sotto controllo manuale, puoi studiare il volo autonomo.

Il modo più semplice per entrare nel volo autonomo è utilizzare Mission Planner poiché contiene una vasta gamma di cose che puoi fare con il tuo aereo. Il volo autonomo in Mission Planner si divide in due categorie principali; missioni pre-programmate (modalità automatica) e missioni live (modalità guidata). La schermata del pianificatore di volo nel pianificatore di missione può essere utilizzata per pianificare un volo composto da waypoint da visitare e azioni da eseguire come scattare foto. I waypoint possono essere scelti manualmente o lo strumento waypoint automatico può essere utilizzato per generare missioni per rilevare un'area. Una volta pianificata una missione e inviata al drone, è possibile utilizzare la modalità di volo Auto in modo che l'aereo segua autonomamente la missione pianificata. Ecco una guida pratica sulla pianificazione delle missioni.

La modalità guidata è un modo per comandare in modo interattivo all'UAV di fare determinate cose. Questo viene fatto utilizzando la scheda azioni in Mission Planner o facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla mappa. All'UAV può essere comandato di fare molte cose come il decollo, il ritorno al lancio e il volo verso una posizione prescelta facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla mappa nella posizione desiderata e selezionando Vola qui.

I failsafe sono una cosa importante da considerare durante il volo autonomo per garantire che se qualcosa va storto, l'aereo non viene danneggiato e le persone non vengono ferite. Mission Planner ha una funzione Geo-Fence integrata che può essere utilizzata per limitare dove può volare l'UAV e impedirgli di andare troppo lontano o troppo in alto. Potrebbe valere la pena considerare di legare l'UAV a terra per i tuoi primi voli come un altro backup. Infine, è importante che tu abbia il tuo trasmettitore radio acceso e connesso al drone in modo che, se necessario, puoi passare dalla modalità di volo autonomo a una modalità di volo manuale come stabilizzazione o alt-hold in modo che l'UAV possa essere pilotato in sicurezza atterrare.

MATLAB

Il controllo autonomo tramite MATLAB è molto meno semplice e richiede alcune conoscenze di programmazione precedenti.

Gli script MATLAB real_search_polygon e real_search ti consentono di generare missioni pre-pianificate per cercare un poligono definito dall'utente. Lo script real_search_polygon pianifica un percorso sul poligono definito dall'utente mentre lo script real_search pianifica un percorso sul rettangolo minimo che comprende il poligono. I passaggi per farlo sono i seguenti:

1. Apri Mission Planner e vai alla finestra Flight Plan.
2. Disegna un poligono sull'area di ricerca desiderata utilizzando lo strumento poligono.
3. Salva il poligono come "search_area.poly" nella stessa cartella dello script MATLAB.
4. Vai su MATLAB ed esegui real_search_polygon o real_search. Assicurati di scegliere la larghezza del percorso desiderata e cambia file_path sulla riga 7 nella directory corretta in cui stai lavorando.
5. Una volta che lo script è stato eseguito e sei soddisfatto del percorso generato, torna a Mission Planner.
6. Fai clic su Carica file WP sul lato destro e scegli il file di waypoint "search_waypoints.txt" che hai appena creato.
7. Fare clic su Scrivi WP sul lato destro per inviare i waypoint al drone.
8. Arma il drone e decolla manualmente o facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla mappa e selezionando decollo.
9. Una volta ad un'altezza ragionevole, cambia la modalità in auto e il drone inizierà la missione.
10. Al termine della missione, fai clic su RTL nella scheda delle azioni per riportare il drone al sito di lancio.

Il video all'inizio di questo passaggio è una simulazione in Mission Planner dell'UAV che cerca un'area.

Passaggio 7: visione

La missione del drone è sorvolare montagne o aree selvagge e individuare esseri umani o oggetti irregolari e quindi elaborarli per vedere se quella persona ha bisogno di aiuto. Questo sarebbe idealmente fatto usando una costosa telecamera a infrarossi. Tuttavia, a causa degli alti costi delle telecamere a infrarossi, il rilevamento a infrarossi viene invece assomigliato al rilevamento di tutti gli oggetti non verdi utilizzando una normale fotocamera Pi.

1. ssh nel Raspberry Pi
2. Prima di tutto dobbiamo installare OpenCV sul Raspberry Pi. La seguente guida fornita da pyimagesearch è una delle migliori disponibili su Internet.
3. Scarica il codice nel Raspberry Pi da GitHub tramite questo link seguente. Per scaricare il codice sul Raspberry Pi, puoi scaricare il file sul tuo computer e poi trasferirlo sul Raspberry Pi.
4. Per eseguire il codice, vai alla directory in cui si trova il codice nel Raspberry Pi e quindi esegui il comando:

python color_target_detection.py --conf conf.json

UTILIZZO CONTINUOOgni volta che si riavvia il raspberry pi è necessario eseguire i seguenti comandi:

sudo ssh [email protected] -X

sorgente ~/.profilo

lavoro sul curriculum

Quindi continuare con il passaggio 4 sopra.

Nota importante: NON tutti i terminali sono in grado di mostrare video. Su Mac usa il terminale XQuartz.