Tự làm kiểm tra thực vật Drone làm vườn (Xe ba bánh gấp với ngân sách): 20 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Tại ngôi nhà cuối tuần của chúng tôi, chúng tôi có một khu vườn nhỏ xinh với rất nhiều loại trái cây và rau quả nhưng đôi khi thật khó để theo dõi sự thay đổi của cây cối. Chúng cần được giám sát liên tục và chúng rất dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết, nhiễm trùng, lỗi, v.v.

Tôi có rất nhiều phụ tùng thay thế đa năng từ các dự án cũ nằm xung quanh hộp công cụ của mình vì vậy tôi quyết định thiết kế và chế tạo một máy bay không người lái có thể thực hiện phân tích thực vật bằng Rasperry Pi Zero W và NoIR PiCamera của nó. Tôi cũng muốn thực hiện một video về dự án này nhưng điều đó khá khó khăn bên cạnh trường đại học nên tôi sẽ chỉ tải lên các cảnh quay thô.

Lý thuyết đằng sau hình ảnh hồng ngoại gần

Tôi khuyên bạn nên đọc bài viết Wikipedia này. Một câu chuyện ngắn, khi thực vật hoạt động bình thường, chúng phản xạ ánh sáng hồng ngoại đến từ Mặt trời. Nhiều loài động vật có thể nhìn thấy ánh sáng hồng ngoại, như rắn và bò sát nhưng máy ảnh của bạn cũng có thể nhìn thấy ánh sáng này (hãy thử với điều khiển từ xa của TV). Nếu bạn tháo bộ lọc IR khỏi máy ảnh của mình, bạn sẽ nhận được hình ảnh có màu đỏ tía, bị trôi. Nếu bạn không muốn làm hỏng máy ảnh của mình thì bạn nên thử nó với NoIR PiCamera, về cơ bản giống với PiCamera tiêu chuẩn nhưng không có bộ lọc IR tích hợp. Nếu bạn đặt bộ lọc infrablue dưới ống kính của máy ảnh, bạn sẽ chỉ nhận được ánh sáng IR trên kênh Đỏ, ánh sáng xanh lam trên kênh Xanh lam, xanh lục và đỏ bị lọc bỏ. Sử dụng công thức chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa cho mỗi pixel, bạn có thể nhận được chỉ số rất tốt về sức khỏe và hoạt động quang hợp của cây trồng. Với dự án này, tôi đã có thể quét sân sau của chúng tôi và xác định một cây không khỏe mạnh dưới gốc cây lê của chúng tôi.

Tại sao lại là Tricopter?

Ví dụ, tôi thích tricopter hơn quads một chút vì tính hiệu quả của chúng. Chúng có thời gian bay lâu hơn, rẻ hơn và bạn có thể gấp chúng lại, đây có lẽ là tính năng tốt nhất khi nói đến máy bay không người lái DIY. Tôi cũng thích bay với chiếc máy bay tricopter này, chúng có khả năng điều khiển hơi "máy bay" mà bạn sẽ trải nghiệm nếu bạn chế tạo chiếc máy bay không người lái này cùng với tôi. Khi nói đến tris, tên của David Windestal có lẽ là đầu tiên trong tìm kiếm trên Google, tôi khuyên bạn nên xem trang web của anh ấy, tôi cũng đang sử dụng thiết kế khung gấp của anh ấy.

Bước 1: Đoạn Phim trên chuyến bay

Đây là chuyến bay thử nghiệm thứ hai của tôi khi máy bay copter đã được điều chỉnh và sẵn sàng thực hiện phân tích thực vật. Tôi có một số bản ghi âm trên máy bay từ camera hành động của mình, bạn có thể xem cảnh đẹp xung quanh chúng ta từ một con mắt của con chim. Nếu bạn muốn xem các bản ghi NDVI, hãy chuyển đến bước cuối cùng của hướng dẫn này. Rất tiếc, tôi không có thời gian để làm video hướng dẫn đầy đủ về máy bay tricopter này, nhưng tôi đã tải lên video thử nghiệm chuyến bay ngắn này.

Bước 2: Các công cụ và bộ phận cần thiết

Ngoại trừ các cần gỗ và bình xịt sơn, tôi đã có mọi bộ phận nằm xung quanh trong hộp dụng cụ của mình, vì vậy tổng chi phí của dự án này đối với tôi là khoảng 5 đô la nhưng tôi sẽ cố gắng tìm các liên kết eBay hoặc Banggood đến mọi bộ phận tôi đã sử dụng. Tôi thực sự khuyên bạn nên tìm kiếm các bộ phận xung quanh, có thể bạn có thể nhận được một mức giá tốt hơn tôi đã làm.

Công cụ

• Sắt hàn
• Công cụ Dremel
• Máy in 3D (tôi không có, bạn tôi đã giúp tôi)
• Dụng cụ cắt
• Kìm cắt dây
• Keo siêu dính
• Zip Ties (rất nhiều trong số chúng, với 2 kích cỡ)
• Phun sơn (với màu bạn thích - tôi sử dụng màu đen)

Các bộ phận

1. ArduCopter Flight Controller (Tôi đã sử dụng APM 2.8 cũ, nhưng bạn nên sử dụng PixHawk hoặc PIX Mini)
2. Ăng ten GPS với Từ kế
3. Mô-đun đo từ xa MAVLink (dành cho giao tiếp trạm mặt đất)
4. Bộ thu 6CH + Bộ phát
5. Máy phát video
6. Động cơ Servo (mô-men xoắn ít nhất 1,5kg)
7. 10 "Cánh quạt (2 CCW, 1 CW + phụ để thay thế)
8. 3 30A SimonK ESC (Bộ điều khiển tốc độ điện tử) + 3 động cơ 920kv
9. Pin 3S 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (đi kèm với bộ lọc infrablue)
11. 2 dây đeo pin
12. Giá đỡ rung
13. Bùng gỗ hình vuông 1,2cm (Tôi đã mua một thanh 1,2 mét)
14. Tấm Lamina bằng gỗ dày 2-3mm
15. Camera hành động (Tôi đã sử dụng bản sao GoPro có khả năng 4k - SJCAM 5000x)

Đây là những bộ phận tôi đã sử dụng cho máy bay không người lái của mình, vui lòng sửa đổi nó theo ý thích của bạn. Nếu bạn không chắc chắn về những gì cần sử dụng, hãy để lại bình luận và tôi sẽ cố gắng giúp bạn. Lưu ý: Tôi đã sử dụng bảng APM đã ngừng sử dụng làm bộ điều khiển chuyến bay vì tôi có một bộ phận dự phòng. Ruồi tốt, nhưng bảng này không còn được hỗ trợ nữa, vì vậy bạn có thể nên mua một bộ điều khiển máy bay khác tương thích với ArduCopter để có các tính năng GPS tuyệt vời.

Bước 3: Cắt khung

Tải xuống tệp khung, in và cắt nó ra. Kiểm tra kích thước in đã đúng chưa rồi dùng bút đánh dấu hình dạng và các lỗ trên tấm gỗ. Dùng cưa để cắt khung và dùng mũi khoan 3mm khoan các lỗ. Bạn sẽ chỉ cần hai cái này, tôi chỉ làm 4 cái làm phụ tùng thay thế.

Bước 4: Lắp ráp khung

Tôi đã sử dụng vít và đai ốc 3mm để lắp ráp khung. Tôi cắt mỗi cái cần dài 35 cm và để lại một cái dài 3 cm ở phía trước của khung. Đừng siết quá chặt các khớp, nhưng hãy đảm bảo rằng có đủ ma sát để cánh tay không bị gập lại. Đây là một thiết kế thực sự thông minh, tôi đã bị rơi hai lần và không có gì chỉ có cánh tay gập lại.

Bước 5: Khoan lỗ cho động cơ

Kiểm tra kích thước của vít động cơ của bạn và khoảng cách giữa chúng, sau đó khoan hai lỗ vào tay gỗ bên trái và bên phải. Tôi phải khoan một lỗ sâu 5mm và rộng 8mm trên cánh tay để trục có đủ chỗ quay. Dùng giấy nhám để loại bỏ những mảnh vụn nhỏ đó và thổi sạch bụi. Bạn không muốn có bất kỳ bụi nào trong động cơ của mình vì điều đó có thể gây ra ma sát và nhiệt không cần thiết.

Bước 6: Gấp GPS Mount

Tôi đã phải khoan các lỗ phụ cho ăng-ten GPS của mình cho vừa vặn. Bạn nên đặt la bàn ở trên cao để nó không cản trở từ trường của động cơ và dây dẫn. Đây là một ăng-ten gấp đơn giản giúp tôi giữ thiết lập của mình nhỏ gọn nhất có thể.

Bước 7: Sơn khung

Bây giờ bạn phải tháo mọi thứ và thực hiện công việc sơn. Tôi đã kết thúc việc chọn màu phun đen mờ này. Tôi nối các bộ phận trên một sợi chỉ và chỉ đơn giản là sơn chúng. Để có một kết quả thực sự tốt, hãy sử dụng 2 lớp sơn trở lên. Lớp đầu tiên có thể sẽ bị trôi đi một chút vì gỗ sẽ hút hết độ ẩm. Chà, điều đó đã xảy ra trong trường hợp của tôi.

Bước 8: Lắp bệ giảm rung

Tôi đã có nền tảng giá đỡ gimbal này mà trong bản dựng của tôi cũng đóng vai trò như một giá đỡ pin. Bạn phải gắn cái này dưới khung của mình bằng dây buộc zip và / hoặc vít. Trọng lượng của pin giúp hấp thụ rất nhiều rung động, do đó bạn sẽ có được những thước phim thực sự đẹp mắt. Bạn cũng có thể gắn một số bánh răng hạ cánh trên các thanh nhựa, tôi cảm thấy như vậy là không cần thiết. Màu đen này hoạt động tốt, tại thời điểm này, bạn sẽ có một khung hình đẹp và đã đến lúc thiết lập bộ điều khiển chuyến bay của bạn.

Bước 9: Thiết lập ArduCopter

Để thiết lập bộ điều khiển chuyến bay, bạn sẽ cần một phần mềm miễn phí bổ sung. Tải xuống Mission Planner trên Windows hoặc APM Planner trên Mac OS. Khi bạn cắm bộ điều khiển máy bay và mở phần mềm, người trợ giúp trình hướng dẫn sẽ cài đặt chương trình cơ sở mới nhất trên bo mạch của bạn. Nó sẽ giúp bạn hiệu chỉnh la bàn, gia tốc kế, bộ điều khiển vô tuyến và cả các chế độ bay.

Chế độ bay

Tôi khuyên bạn nên sử dụng Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home và Land làm sáu chế độ máy bay của bạn. Circle thực sự hữu ích khi nói đến việc kiểm tra thực vật. Nó sẽ quay quanh một tọa độ nhất định, do đó nó giúp phân tích cây trồng của bạn từ mọi góc độ một cách rất chính xác. Tôi có thể thực hiện quỹ đạo với những chiếc gậy, nhưng thật khó để duy trì một vòng tròn hoàn hảo. Loiter giống như đậu máy bay không người lái của bạn trên bầu trời, vì vậy bạn có thể chụp ảnh NDVI độ phân giải cao và RTH rất hữu ích nếu bạn mất tín hiệu hoặc mất định hướng của máy bay không người lái của mình.

Chú ý đến hệ thống dây điện của bạn. Sử dụng sơ đồ để cắm các ESC của bạn theo đúng chân và kiểm tra trong Mission Planner hệ thống dây của các kênh đầu vào của bạn. Đừng bao giờ kiểm tra những điều này với các đạo cụ trên!

Bước 10: Cài đặt GPS, Máy ảnh và Bộ điều khiển Máy bay

Sau khi bộ điều khiển máy bay của bạn được hiệu chỉnh, bạn có thể sử dụng một số băng xốp và lắp nó vào giữa khung của bạn. Đảm bảo rằng nó hướng về phía trước và có đủ chỗ cho dây cáp. Gắn GPS bằng vít 3mm và sử dụng dây buộc để giữ máy ảnh của bạn ở đúng vị trí. Những chiếc GoPro nhái này đi kèm với tất cả các tiện ích gắn kết nên việc cài đặt nó khá đơn giản.

Bước 11: ESC và cáp nguồn

Pin của tôi có đầu nối XT60 nên tôi đã hàn 3 dây dương và 3 dây âm vào mỗi chân của đầu nối cái. Sử dụng một số ống co nhiệt để bảo vệ các kết nối khỏi bị ngắn mạch (bạn cũng có thể sử dụng băng dính điện). Khi bạn hàn những sợi dây dày này, hãy chà xát chúng với nhau và cố định chúng bằng một sợi dây đồng sau đó thêm thật nhiều chất hàn nóng chảy. Bạn không muốn không có mối hàn nguội, đặc biệt là khi cấp nguồn cho các ESC.

Bước 12: Bộ thu và Anten

Để thu tín hiệu tốt, bạn phải lắp ăng-ten của mình theo góc 90 độ. Tôi đã sử dụng dây buộc zip và ống co nhiệt để gắn ăng-ten thu của mình vào mặt trước của máy bay không người lái của mình. Hầu hết các bộ thu đều đi kèm với dây cáp và các kênh được gắn nhãn nên dễ dàng thiết lập.

Bước 13: Cơ chế Đuôi

Cơ chế đuôi là linh hồn của một chiếc tricopter. Tôi đã tìm thấy thiết kế này trực tuyến vì vậy tôi đã thử nó. Tôi cảm thấy như thiết kế ban đầu hơi yếu nhưng nếu bạn đảo ngược cơ chế thì nó hoạt động hoàn hảo. Tôi cắt phần thừa bằng công cụ dremel. Trên hình có vẻ như động cơ servo của tôi bị lỗi một chút nhưng nó hoạt động hoàn hảo. Sử dụng một chút keo siêu nhỏ nhỏ khi siết chặt các vít để chúng không bị rơi ra do rung động; hoặc bạn có thể buộc các động cơ như tôi đã làm.

Bước 14: Thực hiện Kiểm tra Di chuột và Điều chỉnh PID

Kiểm tra kỹ tất cả các kết nối của bạn và đảm bảo rằng bạn sẽ không chiên bất cứ thứ gì khi cắm pin. Cài đặt các cánh quạt của bạn và cố gắng di chuyển bằng máy bay không người lái của bạn. Của tôi khá trơn tru khi ra khỏi hộp, tôi chỉ phải điều chỉnh một chút vì nó đã chỉnh sửa quá nhiều. Tôi không thể dạy cách điều chỉnh PID trong Có thể hướng dẫn này, tôi đã học được hầu hết mọi thứ từ video hướng dẫn của Joshua Bardwell. Anh ấy giải thích điều này tốt hơn nhiều so với tôi có thể.

Bước 15: Chọn một Raspberry và cài đặt Raspbian (Jessie)

Tôi muốn giữ cho điều này càng nhẹ càng tốt vì vậy tôi đã sử dụng RPi Zero W. Tôi đang sử dụng Raspbian Jessie vì các phiên bản mới hơn có một số vấn đề với OpenCV mà chúng tôi sử dụng để tính toán chỉ số thảm thực vật từ các cảnh quay thô. Nếu bạn muốn tốc độ FPS cao hơn, bạn nên chọn Raspberry Pi v4. Bạn có thể tải phần mềm tại đây.

Cài đặt phụ thuộc

Chúng tôi sẽ sử dụng PiCamera, OpenCV và Numpy trong dự án này. Là một cảm biến hình ảnh, tôi đã chọn máy ảnh 5MP nhỏ hơn chỉ tương thích với bo mạch Zero.

1. Flash hình ảnh của bạn bằng công cụ yêu thích của bạn (Tôi thích Balena Etcher).
2. Khởi động Raspberry của bạn với màn hình được kết nối.
3. Bật giao diện Máy ảnh và SSH.
4. Kiểm tra địa chỉ IP của bạn với ifconfig trong thiết bị đầu cuối.
5. SSH vào RPi của bạn bằng lệnh ssh pi @ YOUR_IP.
6. Sao chép và dán các hướng dẫn để cài đặt các phần mềm cần thiết:

sudo apt-get cập nhật

sudo apt-get nâng cấp 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 (để kiểm tra) import cv2 cv2._ version_

Bạn sẽ thấy phản hồi với số phiên bản của thư viện OpenCV của bạn.

Bước 16: Kiểm tra Camera NoIR và Hình ảnh NDVI

Tắt bảng RPi của bạn, lắp máy ảnh và sau đó chúng tôi có thể thử chụp một số hình ảnh NDVI với nó. Bạn có thể thấy trên bông hoa (bông hoa có nền đỏ), những phần xanh hơn bên trong cho thấy một số hoạt động quang hợp. Đây là thử nghiệm đầu tiên của tôi, được thực hiện với Infragram. Tôi đã học tất cả các công thức và ánh xạ màu trên trang web của họ để viết một mã đầy đủ chức năng. Để làm cho mọi thứ được tự động hóa hơn, tôi đã tạo một tập lệnh Python để ghi lại các khung hình, tính toán các hình ảnh NDVI và lưu chúng ở 1080p trên copter.

Những hình ảnh này sẽ có một bản đồ màu kỳ lạ và chúng sẽ giống như đến từ một hành tinh khác. Thực hiện một vài thử nghiệm, thay đổi một số biến, tinh chỉnh cảm biến của bạn trước nhiệm vụ đầu tiên.

Bước 17: Cài đặt RPi Zero W trên Drone

Tôi đã lắp Pi Zero ở mặt trước của tricopter. Bạn cũng có thể hướng máy ảnh về phía trước như tôi đã làm hoặc hướng xuống. Lý do tôi hướng về phía trước là để chỉ ra sự khác biệt giữa thực vật và các vật thể không quang hợp khác. Lưu ý: Có thể xảy ra trường hợp một số bề mặt phản xạ ánh sáng IR hoặc chúng ấm hơn môi trường xung quanh khiến chúng có màu vàng sáng.

Bước 18: Thêm máy phát video (Tùy chọn)

Tôi đã đặt VTx này xung quanh cũng như vậy được cài đặt trên cánh tay sau của máy photocopy của tôi. Điều này có phạm vi 2000 mét nhưng tôi đã không sử dụng nó trong khi thực hiện các bài kiểm tra. Chỉ có một chuyến bay FPV cho vui với nó. Khi tôi không sử dụng, các dây cáp sẽ được tháo ra, nếu không, chúng được giấu dưới khung để giữ cho bản dựng của tôi đẹp và sạch sẽ.

Bước 19: Phân tích thực vật

Tôi đã thực hiện hai chuyến bay 25 phút để có một phân tích thích hợp. Hầu hết các loại rau của chúng tôi có vẻ ổn, khoai tây cần được chăm sóc và tưới nước thêm. Sẽ kiểm tra xem nó có ích trong vài ngày nữa. Trông chúng khá xanh trên hình so với những cây màu cam và hồng.

Tôi thích thực hiện các chuyến bay vòng tròn để có thể xem xét cây cối từ mọi góc độ. Bạn có thể thấy rõ rằng dưới các cây ăn quả, một số loại rau không nhận đủ ánh sáng mặt trời khiến chúng chuyển sang màu xanh lam hoặc đen trong các hình ảnh NDVI. Sẽ không có vấn đề gì nếu một phần của cây không nhận đủ ánh sáng mặt trời vào một thời điểm trong ngày, nhưng thật tệ nếu toàn bộ cây chuyển sang màu đen và trắng.

Bước 20: Bay An toàn;)

Cảm ơn bạn đã đọc Tài liệu hướng dẫn này, tôi hy vọng một số bạn sẽ cố gắng thực hiện các thí nghiệm với hình ảnh NDVI hoặc với máy bay không người lái xây dựng. Tôi đã rất vui khi thực hiện dự án này từ con số không từ các bộ phận bằng gỗ, nếu bạn thích, bạn có thể cân nhắc giúp tôi bằng lá phiếu tốt của bạn. Ồ, bay an toàn, không bao giờ ở trên người và tận hưởng sở thích!

Giải nhất trong Thử thách Make It Fly