Doe-het-zelf planteninspectie Tuinieren Drone (Tricopter opvouwen met een beperkt budget) - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

In ons weekendhuis hebben we een mooie kleine tuin met veel groenten en fruit, maar soms is het gewoon moeilijk om bij te houden hoe de planten veranderen. Ze hebben constant toezicht nodig en zijn erg kwetsbaar voor weersinvloeden, infecties, insecten, enz…

Ik had veel multicopter-reserveonderdelen van oude projecten in mijn gereedschapskist liggen, dus besloot ik een drone te ontwerpen en te bouwen die plantanalyses kan uitvoeren met behulp van een Rasperry Pi Zero W en zijn NoIR PiCamera. Ik wilde ook een video maken over dit project, maar dat is vrij moeilijk naast de universiteit, dus ik zal gewoon de onbewerkte beelden uploaden.

De theorie achter Near Infrared Imaging

Ik raad aan om dit Wikipedia-artikel te lezen. Om een lang verhaal kort te maken, wanneer planten normaal functioneren, reflecteren ze infrarood licht dat van de zon komt. Veel dieren kunnen IR-licht zien, zoals slangen en reptielen, maar je camera kan het ook zien (probeer het met een afstandsbediening van een tv). Als u het IR-filter van uw camera verwijdert, krijgt u een paarsachtig, vervaagd beeld. Als je je camera niet kapot wilt maken, probeer het dan met de NoIR PiCamera, die in principe hetzelfde is als de standaard PiCamera, maar geen ingebouwd IR-filter heeft. Als je het infraroodfilter onder de lens van je camera plaatst, krijg je alleen IR-licht op je rode kanaal, blauw licht op blauw kanaal, groen en rood worden eruit gefilterd. Met behulp van de genormaliseerde formule van de verschilvegetatie-index voor elke pixel krijgt u een zeer goede indicator van de gezondheid en fotosynthetische activiteit van uw plant. Met dit project kon ik onze achtertuin scannen en een ongezonde plant onder onze perenboom identificeren.

Waarom een tricopter?

Ik hou van tricopters een beetje meer dan quads bijvoorbeeld vanwege hun efficiëntie. Ze hebben langere vliegtijden, ze zijn goedkoper en je kunt ze opvouwen, wat waarschijnlijk de beste eigenschap is als het gaat om doe-het-zelf-drones. Ook vlieg ik graag met deze tricopter, ze hebben een wat "vliegtuig-achtige" besturing die je gaat ervaren als je deze drone samen met mij bouwt. Als het op tris aankomt, is de naam van David Windestal waarschijnlijk de eerste in een Google-zoekopdracht, ik raad aan om zijn site te bekijken, ik gebruik ook zijn opvouwbare frame-ontwerp.

Stap 1: Vluchtbeelden

Dit was mijn tweede testvlucht waarbij de helikopter al was afgesteld en klaar om plantanalyses uit te voeren. Ik heb wat opnamen aan boord van mijn actiecamera, je kunt onze prachtige omgeving vanuit een vogelperspectief bekijken. Als je de NDVI-opnames wilt zien, ga dan naar de laatste stap van dit instructable. Helaas had ik geen tijd om een volledige instructievideo over deze tricopter te maken, maar ik heb deze korte vliegtestvideo geüpload.

Stap 2: Benodigde gereedschappen en onderdelen

Met uitzondering van de houten gieken en de verfspray had ik elk onderdeel in mijn gereedschapskist liggen, dus de totale kosten van dit project waren ongeveer $ 5 voor mij, maar ik zal proberen eBay- of Banggood-links te vinden naar elk onderdeel dat ik heb gebruikt. Ik raad ten zeerste aan om rond te kijken voor de onderdelen, misschien kun je een betere prijs krijgen dan ik.

Gereedschap

• Soldeerbout
• Dremel gereedschap
• 3D-printer (ik heb er geen, mijn vriend heeft me geholpen)
• Snijgereedschappen
• Draadknipper
• Superlijm
• Zip Ties (veel van hen, in 2 maten)
• Verfspray (met een kleur naar keuze - ik heb zwart gebruikt)

Onderdelen

1. ArduCopter Flight Controller (ik gebruikte een oude APM 2.8, maar je zou voor een PixHawk of PIX Mini moeten gaan)
2. GPS-antenne met magnetometer
3. MAVLink Telelemetry Module (voor grondstationcommunicatie)
4. 6CH-ontvanger + zender
5. Videozender
6. Servomotor (minimaal 1,5 kg koppel)
7. 10" Propellers (2 CCW, 1 CW + extra voor vervanging)
8. 3 30A SimonK ESC's (elektronische snelheidsregelaar) + 3 920kv-motoren
9. 3S batterij 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (wordt geleverd met infrablauw filter)
11. 2 batterijriemen
12. Trillingsdempende steunen
13. 1,2 cm vierkante houten gieken (ik heb een staaf van 1,2 meter gekocht)
14. 2-3 mm dikke houten laminaatplaat
15. Actiecamera (ik gebruikte een 4k-compatibele GoPro-kloon - SJCAM 5000x)

Dit zijn de onderdelen die ik heb gebruikt voor mijn drone, voel je vrij om deze naar wens aan te passen. Als je niet zeker weet wat je moet gebruiken, laat dan een reactie achter en ik zal proberen je te helpen. Opmerking: ik heb het uit de handel genomen APM-bord als vluchtcontroller gebruikt, omdat ik er één reserve had. Vliegt goed, maar dit bord wordt niet langer ondersteund, dus je zou waarschijnlijk een andere vluchtcontroller moeten krijgen die compatibel is met ArduCopter voor geweldige GPS-functies.

Stap 3: Het frame snijden

Download het framebestand, print het uit en knip het uit. Controleer of het afgedrukte formaat correct is en gebruik dan een pen om de vorm en de gaten op de houten plaat te markeren. Gebruik een zaag om het frame te zagen en boor de gaten met een boor van 3 mm. Je hebt er maar twee nodig, ik heb er net 4 gemaakt als reserveonderdelen.

Stap 4: Monteer het frame

Ik heb 3 mm schroeven en moeren gebruikt om het frame te monteren. Ik sneed elke boom 35 cm lang en liet een 3 cm lange aan de voorkant van het frame. Trek de gewrichten niet te strak aan, maar zorg ervoor dat er voldoende wrijving is zodat de armen niet kunnen vouwen. Dit is echt een slim ontwerp, ik ben twee keer gecrasht en niets alleen de armen naar achteren gevouwen.

Stap 5: Gaten boren voor de motoren

Controleer de maat van uw motorschroeven en de afstand ertussen en boor vervolgens twee gaten in de linker en rechter houten armen. Ik moest een 5 mm diep en 8 mm breed gat in de armen boren, zodat de assen voldoende ruimte hebben om te draaien. Gebruik een schuurpapier om die kleine splinters te verwijderen en het stof eruit te blazen. Je wilt geen stof in je motoren want dat kan voor onnodige wrijving en hitte zorgen.

Stap 6: GPS-houder opvouwen

Ik moest extra gaten boren voor mijn GPS-antenne voor een goede pasvorm. Je moet je kompas hoog plaatsen, zodat het het magnetische veld van de motoren en draden niet verstoort. Dit is een eenvoudige opvouwbare antenne die me helpt om mijn opstelling zo compact mogelijk te houden.

Stap 7: het frame schilderen

Nu moet je alles losschroeven en het verfwerk doen. Ik koos uiteindelijk voor deze mat diepzwarte kleurenspray. Ik haakte de onderdelen aan een draad en schilderde ze gewoon. Gebruik voor een echt goed resultaat 2 of meer lagen verf. De eerste laag zal er waarschijnlijk een beetje vervaagd uitzien omdat het hout het vocht gaat opzuigen. Nou, dat gebeurde in mijn geval.

Stap 8: Het trillingsdempende platform monteren

Ik had dit cardanische houderplatform dat in mijn build ook dienst doet als batterijhouder. Deze dient u met kabelbinders en/of schroeven onder uw frame te monteren. Het gewicht van de batterij helpt om veel trillingen te absorberen, dus je krijgt echt mooie camerabeelden. Je kunt ook wat landingsgestellen op de plastic stangen monteren, ik voelde me alsof het niet nodig was. Deze zwarte kleur werkte goed, op dit punt zou je een mooi frame moeten hebben en het is tijd om je vluchtcontroller in te stellen.

Stap 9: ArduCopter instellen

Om de vluchtcontroller in te stellen, heb je extra gratis software nodig. Download Mission Planner op Windows of APM Planner op Mac OS. Wanneer u uw vluchtcontroller aansluit en de software opent, gaat een wizard-helper de nieuwste firmware op uw bord installeren. Het gaat je ook helpen bij het kalibreren van je kompas, versnellingsmeter, radiocontroller en vliegmodi.

Vluchtmodi

Ik raad aan om Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home en Land als je zes vluchtmodus te gebruiken. Circle is erg handig als het gaat om plantinspectie. Het gaat rond een bepaalde coördinaat draaien, dus het helpt om uw planten vanuit elke hoek op een zeer nauwkeurige manier te analyseren. Ik kan een baan maken met de stokken, maar het is moeilijk om een perfecte cirkel te behouden. Loiter is als het parkeren van je drone in de lucht, dus je kunt NDVI-foto's met hoge resolutie maken en RTH is handig als je het signaal verliest of de oriëntatie van je drone verliest.

Let op je bedrading. Gebruik het schema om uw ESC's in de juiste pinnen aan te sluiten en controleer in Mission Planner de bedrading van uw ingangskanalen. Test deze nooit met rekwisieten aan!

Stap 10: De GPS, de camera en de Flight Controller installeren

Zodra uw vluchtcontroller is gekalibreerd, kunt u wat schuimtape gebruiken en deze op het midden van uw frame installeren. Zorg ervoor dat deze naar voren is gericht en voldoende ruimte heeft voor de kabels. Monteer de GPS met schroeven van 3 mm en gebruik kabelbinders om uw camera op zijn plaats te houden. Deze GoPro-klonen worden geleverd met alle montagehulpprogramma's, dus het was vrij eenvoudig om deze te installeren.

Stap 11: ESC's en stroomkabel

Mijn batterijen hebben een XT60-connector, dus ik heb 3 positieve en 3 negatieve draden aan elke pin van een vrouwelijke connector gesoldeerd. Gebruik een krimpkous om de verbindingen te beschermen tegen kortsluiting (u kunt ook isolatietape gebruiken). Wanneer je deze dikke draden soldeert, wrijf ze dan tegen elkaar en maak ze vast met een koperdraad en voeg dan veel gesmolten soldeer toe. U wilt geen koude soldeerverbindingen, vooral niet bij het inschakelen van de ESC's.

Stap 12: ontvanger en antennes

Voor een goede signaalontvangst moet u uw antennes in 90 graden monteren. Ik gebruikte kabelbinders en krimpkousen om mijn ontvangerantennes aan de voorkant van mijn drone te monteren. De meeste ontvangers worden geleverd met kabels en de kanalen zijn gelabeld, dus het zou gemakkelijk moeten zijn om het in te stellen.

Stap 13: Het staartmechanisme

Het staartmechanisme is de ziel van een tricopter. Ik heb dit ontwerp online gevonden, dus ik probeerde het. Ik had het gevoel dat het originele ontwerp een beetje zwak was, maar als je het mechanisme omdraait, werkt het perfect. Ik sneed het overtollige deel met een dremel gereedschap. Op de foto lijkt het misschien alsof mijn servomotor een beetje lijdt, maar het werkt feilloos. Gebruik een klein druppeltje secondelijm bij het aandraaien van schroeven, zodat ze er niet af kunnen vallen door de trillingen; of je kunt de motoren dichtritsen zoals ik deed.

Stap 14: Een zweeftest en PID-afstemming uitvoeren

Controleer al je verbindingen dubbel en zorg ervoor dat je niets frituurt wanneer je je batterij aansluit. Installeer je propellers en probeer te zweven met je drone. De mijne was vrij soepel uit de doos, ik moest gewoon een beetje gierafstemming doen omdat het veel te veel corrigeerde. Ik kan PID-tuning niet leren in deze Instructable, ik heb bijna alles geleerd van de video-tutorial van Joshua Bardwell. Hij legt dit zoveel beter uit dan ik zou kunnen.

Stap 15: Kies een Raspberry en installeer Raspbian (Jessie)

Ik wilde dit zo licht mogelijk houden, dus koos ik voor de RPi Zero W. Ik gebruik Raspbian Jessie omdat de nieuwere versies problemen hadden met OpenCV die we gebruiken om de vegetatie-index te berekenen uit de onbewerkte beelden. Als je een hogere FPS-snelheid wilt, moet je de Raspberry Pi v4 kiezen. U kunt de software hier downloaden.

Afhankelijkheden installeren

We gaan PiCamera, OpenCV en Numpy gebruiken in dit project. Als beeldsensor heb ik gekozen voor de kleinere 5MP camera die alleen compatibel is met de Zero boards.

1. Flash je afbeelding met je favoriete tool (ik hou van Balena Etcher).
2. Start uw Raspberry op met een aangesloten monitor.
3. Schakel camera- en SSH-interfaces in.
4. Controleer uw IP-adres met ifconfig in terminal.
5. SSH in uw RPi met de opdracht ssh pi@YOUR_IP.
6. Kopieer en plak de instructies om de vereiste software te installeren:

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 sulib apt-get install.0-dev sudo apt-get install libatlas-base-dev gfortran sudo pip install numpy python-opencv python (om het te testen) import cv2 cv2._version_

U zou een antwoord moeten zien met het versienummer van uw OpenCV-bibliotheek.

Stap 16: De NoIR-camera en NDVI-beeldvorming testen

Zet je RPi-bord uit, plaats de camera en dan kunnen we proberen er wat NDVI-beeldvorming mee te doen. Je kunt aan de bloem (die met een rode achtergrond) zien dat de groenere delen binnenin enige fotosynthetische activiteit vertonen. Dit was mijn eerste test, gemaakt met Infragram. Ik heb alle formules en kleurtoewijzing op hun site geleerd om een volledig functionele code te schrijven. Om dingen meer geautomatiseerd te maken, heb ik een Python-script gemaakt dat frames vastlegt, de NDVI-afbeeldingen berekent en ze opslaat in 1080p op de helikopter.

Deze afbeeldingen krijgen een vreemde kleurenkaart en ze zien eruit alsof ze van een andere planeet komen. Voer een paar tests uit, verander enkele variabelen, stel je sensor fijn af voor de eerste missie.

Stap 17: De RPi Zero W installeren op de drone

Ik heb de Pi Zero op de voorkant van de tricopter geïnstalleerd. Je kunt je camera naar voren richten zoals ik deed of ook naar beneden. De reden dat de mijne naar voren is gericht, is om het verschil te laten zien tussen planten en andere niet-fotosynthetische objecten. Let op: Het kan voorkomen dat sommige oppervlakken IR-licht weerkaatsen of dat ze warmer zijn dan de omgeving waardoor ze een felgele kleur krijgen.

Stap 18: Een videozender toevoegen (optioneel)

Ik had deze VTx ook liggen, dus geïnstalleerd op de achterste arm van mijn helikopter. Deze heeft een bereik van 2000 meter maar ik heb hem niet gebruikt tijdens het testen. Heb er alleen voor de lol een FPV vlucht mee gedaan. Als ik hem niet gebruik, worden de kabels verwijderd, anders zijn ze verborgen onder het frame om mijn build mooi en schoon te houden.

Stap 19: Plantanalyse uitvoeren

Ik heb twee vluchten van 25 minuten gedaan voor een goede analyse. De meeste van onze groenten leken in orde, aardappelen hadden wat extra verzorging en water nodig. Ik ga het controleren, dat heeft binnen een paar dagen geholpen. Ze zien er mooi groen uit op de foto in vergelijking met de oranje en roze bomen.

Ik maak graag cirkelvluchten, zodat ik de planten vanuit elke hoek kan bekijken. Je kunt duidelijk zien dat onder de fruitbomen sommige groenten niet genoeg zonlicht krijgen waardoor ze blauw of zwart worden op de NDVI-beelden. Het is geen probleem als een deel van de boom niet genoeg zonlicht krijgt op een tijdstip van de dag, maar het is erg als de hele plant zwart-wit wordt.

Stap 20: vlieg veilig;)

Bedankt voor het lezen van deze Instructable, ik hoop dat sommigen van jullie zullen proberen om experimenten te doen met NDVI-beeldvorming of met het bouwen van drones. Ik had veel plezier bij het maken van dit project van nul uit houten onderdelen, als je het ook leuk vond, zou je kunnen overwegen om me te helpen met je vriendelijke stem. Oh, vlieg veilig, nooit boven mensen en geniet van de hobby!

Eerste prijs in de Make It Fly Challenge