هواپیمای بدون سرنشین باغبانی بازرسی کارخانه DIY (تاشو با سهولت هزینه): 20 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

در خانه آخر هفته ما یک باغ کوچک زیبا با میوه ها و سبزیجات زیاد داریم ، اما گاهی اوقات پیگیری نحوه تغییر گیاهان بسیار دشوار است. آنها نیاز به نظارت مداوم دارند و در برابر آب و هوا ، عفونت ها ، اشکالات و غیره بسیار آسیب پذیر هستند.

من تعداد زیادی قطعات یدکی مولتی کوپتر از پروژه های قدیمی در جعبه ابزار خود داشتم ، بنابراین تصمیم گرفتم یک هواپیمای بدون سرنشین را طراحی کنم که بتواند با استفاده از Rasperry Pi Zero W و دوربین NoIR PiCamera آن را تجزیه و تحلیل کند. من همچنین می خواستم یک ویدیو در مورد این پروژه تهیه کنم ، اما در کنار دانشگاه بسیار سخت است ، بنابراین من فقط فیلم خام را بارگذاری می کنم.

نظریه پشت تصویربرداری مادون قرمز نزدیک

توصیه می کنم این مقاله ویکی پدیا را مطالعه کنید. به طور خلاصه ، وقتی گیاهان به طور عادی کار می کنند ، نور مادون قرمز ناشی از خورشید را منعکس می کنند. بسیاری از حیوانات مانند مارها و خزندگان می توانند نور IR را ببینند اما دوربین شما نیز می تواند آن را ببیند (با کنترل از راه دور تلویزیون امتحان کنید). اگر فیلتر IR را از دوربین خود بردارید ، تصویری ارغوانی و شسته شده دریافت خواهید کرد. اگر نمی خواهید دوربین خود را خراب کنید ، باید آن را با NoIR PiCamera ، که اساساً مشابه PiCamera استاندارد است اما فیلتر IR داخلی ندارد ، امتحان کنید. اگر فیلتر مادون قرمز را زیر لنز دوربین خود قرار دهید ، فقط نور IR را در کانال قرمز خود خواهید دید ، نور آبی در کانال آبی ، رنگ سبز و قرمز فیلتر می شود. با استفاده از فرمول معمول شاخص پوشش گیاهی برای هر پیکسل ، می توانید یک شاخص بسیار خوب برای سلامت و فعالیت فتوسنتز گیاه خود دریافت کنید. با این پروژه من توانستم حیاط خانه مان را اسکن کنم و یک گیاه ناسالم را زیر درخت گلابی تشخیص دهیم.

چرا تریکوپتر؟

من به عنوان مثال سه گانه ها را بیشتر از چهار تایی دوست دارم به دلیل کارآیی آنها. آنها زمان پرواز طولانی تری دارند ، ارزان تر هستند و می توانید آنها را تا کنید که احتمالاً بهترین ویژگی در مورد هواپیماهای بدون سرنشین DIY است. من همچنین از پرواز با این سه گانه لذت می برم ، آنها تا حدودی "هواپیما" را کنترل می کنند که اگر این پهپاد را همراه من بسازید ، تجربه خواهید کرد. هنگامی که صحبت از نام دیوید ویندستال می شود احتمالاً اولین نام در جستجوی گوگل است ، توصیه می کنم سایت او را بررسی کنید ، من از طرح قاب تاشو او نیز استفاده می کنم.

مرحله 1: فیلم پرواز

این دومین پرواز آزمایشی من بود که هلی کوپتر قبلاً تنظیم شده بود و آماده انجام تجزیه و تحلیل گیاهان بود. من برخی از ضبط های روی صفحه از دوربین اکشن خود را دارم ، می توانید محیط زیبا ما را از نظر پرنده بررسی کنید. اگر می خواهید ضبط های NDVI را ببینید ، به آخرین مرحله این دستورالعمل بروید. متأسفانه من وقت نداشتم که نحوه راهنمایی ویدئو را در این سه راهی نشان دهم ، اما این فیلم کوتاه تست پرواز را بارگذاری کرده ام.

مرحله 2: ابزارها و قطعات مورد نیاز

به استثنای بوم چوبی و اسپری رنگ ، هر قسمتی را در جعبه ابزار خود قرار داده بودم ، بنابراین هزینه کل این پروژه برای من حدود 5 دلار بود ، اما من سعی می کنم پیوندهای eBay یا Banggood را به هر قسمتی که استفاده می کنم پیدا کنم. من به شدت توصیه می کنم قطعات را در اطراف خود جستجو کنید ، شاید بتوانید قیمت بهتری نسبت به من دریافت کنید.

ابزارها

• آهن لحیم کاری
• ابزار درمل
• چاپگر سه بعدی (من یکی ندارم ، دوستم به من کمک کرد)
• ابزار برش
• سیم چین
• چسب فوق العاده
• کراوات زیپی (تعداد زیادی از آنها در 2 اندازه)
• اسپری رنگ (با رنگ دلخواه - من از رنگ مشکی استفاده کردم)

قطعات

1. کنترل پرواز ArduCopter (من از یک APM 2.8 قدیمی استفاده کردم ، اما باید به سراغ PixHawk یا PIX Mini بروید)
2. آنتن GPS با مگنتومتر
3. ماژول تله متری MAVLink (برای ارتباط ایستگاه زمینی)
4. گیرنده 6CH + فرستنده
5. فرستنده ویدئو
6. سرو موتور (حداقل گشتاور 1.5 کیلوگرم)
7. پروانه های 10 اینچی (2 CCW ، 1 CW + اضافی برای تعویض)
8. 3 30A SimonK ESC (کنترل کننده الکترونیکی سرعت) + 3 موتور 920 کیلو ولت
9. باتری 3S 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (همراه با فیلتر مادون قرمز)
11. 2 بند باتری
12. پایه های میرایی ارتعاش
13. بوم های چوبی مربع شکل 1.2 سانتی متر (من یک میله 1.2 متری خریدم)
14. صفحه لامینا چوبی ضخیم 2-3 میلی متر
15. دوربین اکشن (من از کلون GoPro با قابلیت 4k استفاده کردم - SJCAM 5000x)

اینها قطعاتی هستند که من برای پهپاد خود استفاده کردم ، با خیال راحت آن را به دلخواه تغییر دهید. اگر مطمئن نیستید که از چه چیزی استفاده کنید نظر بدهید و من سعی می کنم به شما کمک کنم. توجه: من از برد APM متوقف شده به عنوان کنترل کننده پرواز استفاده کردم ، زیرا یک یدک داشتم. خوب پرواز می کند ، اما این برد دیگر پشتیبانی نمی شود ، بنابراین احتمالاً باید کنترل پرواز دیگری تهیه کنید که برای ویژگی های عالی GPS سازگار با ArduCopter باشد.

مرحله 3: برش قاب

فایل فریم را بارگیری کرده ، چاپ کرده و برش دهید. بررسی کنید که آیا اندازه چاپ شده درست است یا نه ، سپس از قلم برای علامت گذاری شکل و سوراخ های روی صفحه چوبی استفاده کنید. از اره برای برش قاب استفاده کنید و سوراخ ها را با بیت 3 میلی متری سوراخ کنید. شما فقط به دو مورد از این موارد نیاز دارید ، من فقط 4 قطعه یدکی تهیه کردم.

مرحله 4: قاب را جمع کنید

من از پیچ و مهره 3 میلی متری برای مونتاژ قاب استفاده کردم. من هر بوم را به طول 35 سانتی متر برش دادم و یک طول 3 سانتی متری را در جلوی قاب گذاشتم. مفاصل را بیش از حد سفت نکنید ، اما مطمئن شوید که اصطکاک کافی وجود داشته باشد تا بازوها جمع نشوند. این یک طراحی واقعاً هوشمند است ، من دو بار تصادف کردم و هیچ چیز فقط بازوها به عقب جمع نشده بودند.

مرحله 5: سوراخکاری برای موتورها

اندازه پیچ موتور خود و فاصله بین آنها را بررسی کنید و سپس دو سوراخ در بازوهای چوبی چپ و راست ایجاد کنید. مجبور شدم سوراخی به عمق 5 میلی متر و عرض 8 میلی متر در بازوها ایجاد کنم تا شفت ها فضای کافی برای چرخش داشته باشند. از کاغذ سنباده برای از بین بردن آن ترکش های کوچک و بیرون کشیدن گرد و غبار استفاده کنید. شما نمی خواهید گرد و غبار در موتورهای شما وجود داشته باشد زیرا ممکن است باعث اصطکاک و گرمای غیر ضروری شود.

مرحله 6: تاشو GPS Mount

برای تناسب خوب ، مجبور شدم سوراخ های اضافی برای آنتن GPS خود ایجاد کنم. باید قطب نمای خود را بالا قرار دهید تا با میدان مغناطیسی موتورها و سیمها تداخل نداشته باشد. این یک آنتن تاشو ساده است که به من کمک می کند تا آنجا که ممکن است تنظیمات خود را جمع و جور نگه دارم.

مرحله 7: رنگ آمیزی قاب

حالا باید همه چیز را باز کرده و کار رنگ آمیزی را انجام دهید. من در نهایت این اسپری مات رنگ مشکی عمیق را انتخاب کردم. من قطعات را روی نخ وصل کردم و به سادگی آنها را نقاشی کردم. برای نتیجه بسیار خوب ، از 2 یا چند لایه رنگ استفاده کنید. لایه اول احتمالاً کمی شسته شده به نظر می رسد زیرا چوب رطوبت را می خورد. خوب ، در مورد من این اتفاق افتاد.

مرحله 8: نصب بستر میرایی ارتعاش

من این پلت فرم نگهدارنده گیمبال را داشتم که در ساخت من به عنوان نگهدارنده باتری نیز عمل می کند. شما باید آن را با بندهای زیپ و/یا پیچ در زیر قاب خود نصب کنید. وزن باتری به جذب ارتعاشات زیاد کمک می کند ، بنابراین می توانید از یک دوربین واقعاً زیبا عکس بگیرید. شما همچنین می توانید برخی از چرخ دنده های فرود را روی میله های پلاستیکی سوار کنید ، من احساس کردم غیر ضروری است. این رنگ سیاه به خوبی جواب داد ، در این مرحله شما باید یک قاب زیبا داشته باشید و وقت آن رسیده است که کنترلر پرواز خود را راه اندازی کنید.

مرحله 9: راه اندازی ArduCopter

برای راه اندازی کنترل کننده پرواز به یک نرم افزار رایگان اضافی نیاز دارید. Mission Planner را در Windows یا APM Planner را در Mac OS بارگیری کنید. وقتی کنترلر پرواز خود را وصل می کنید و نرم افزار را باز می کنید ، یک جادوگر کمک می کند تا آخرین سیستم عامل را روی برد شما نصب کند. این به شما کمک می کند تا قطب نما ، شتاب سنج ، کنترل رادیو و حالت های پرواز خود را نیز کالیبره کنید.

حالت های پرواز

من توصیه می کنم از Stabilize ، Altitude Hold ، Loiter ، Circle ، Return to Home and Land به عنوان شش حالت پرواز خود استفاده کنید. دایره در مورد بازرسی گیاه بسیار مفید است. به دور مختصات معینی می چرخد ، بنابراین به تجزیه و تحلیل گیاهان از هر زاویه به شیوه ای دقیق کمک می کند. من می توانم با چوبها مدار را انجام دهم ، اما حفظ یک دایره کامل دشوار است. Loiter مانند پارک کردن هواپیمای بدون سرنشین خود در آسمان است ، بنابراین می توانید تصاویر با وضوح بالا NDVI بگیرید و RTH مفید است اگر سیگنال را از دست بدهید یا جهت پهپاد خود را از دست بدهید.

به سیم کشی خود توجه کنید. از شماتیک برای اتصال پین های صحیح ESC خود و سیم کشی کانال های ورودی خود در Mission Planner استفاده کنید. هرگز این موارد را با لوازم جانبی آزمایش نکنید!

مرحله 10: نصب GPS ، دوربین و کنترل پرواز

پس از کالیبره شدن کنترل کننده پرواز ، می توانید از نوار فوم استفاده کرده و آن را در وسط قاب خود نصب کنید. مطمئن شوید که رو به جلو است و فضای کافی برای کابل ها دارید. GPS را با پیچ های 3 میلی متری نصب کرده و از زیپ برای اتصال دوربین خود استفاده کنید. این کلون های GoPro با تمام ابزارهای نصب و راه اندازی ارائه می شوند ، بنابراین نصب این یکی بسیار ساده بود.

مرحله 11: ESC ها و کابل برق

باتری های من دارای یک کانکتور XT60 هستند بنابراین من 3 سیم مثبت و 3 سیم منفی را به هر پین اتصال زن متصل کردم. برای محافظت از اتصالات در برابر کوتاه شدن اتصالات از لوله های کوچک کننده حرارتی استفاده کنید (همچنین می توانید از نوار برقی استفاده کنید). هنگامی که این سیم های ضخیم را لحیم می کنید ، آنها را به هم مالیده و سیم مسی آنها را ثابت کنید ، سپس لحیم کاری مذاب زیادی به آن اضافه کنید. شما نمی خواهید اتصالات لحیم کاری سرد مخصوصاً در تقویت ESC ها وجود داشته باشد.

مرحله 12: گیرنده و آنتن ها

برای دریافت سیگنال خوب ، باید آنتن های خود را در 90 درجه نصب کنید. من از زیپ و لوله های کوچک کننده حرارتی برای نصب آنتن های گیرنده در جلوی هواپیمای بدون سرنشین خود استفاده کردم. اکثر گیرنده ها دارای کابل هستند و کانال ها برچسب گذاری شده اند بنابراین راه اندازی آن باید آسان باشد.

مرحله 13: مکانیسم دم

مکانیسم دم ، روح یک سه راهی است. من این طرح را به صورت آنلاین پیدا کردم ، بنابراین آن را امتحان کردم. احساس می کردم که طرح اولیه کمی ضعیف است اما اگر مکانیسم را معکوس کنید کاملا کار می کند. قسمت اضافی را با ابزار dremel برش دادم. در تصویر ممکن است به نظر برسد که سرو موتور من کمی رنج می برد اما بی عیب و نقص کار می کند. هنگام سفت کردن پیچ ها از قطره ای فوق چسب استفاده کنید تا به دلیل ارتعاشات از بین نروند. یا می توانید موتورها را مانند من به صورت زیپ ببندید.

مرحله 14: انجام تست شناور و تنظیم PID

همه اتصالات خود را دوباره بررسی کنید و مطمئن شوید که هنگام وصل کردن باتری خود چیزی را سرخ نکنید. پروانه های خود را نصب کرده و سعی کنید با پهپاد خود حرکت کنید. دستگاه من از جعبه بسیار روان بود ، فقط مجبور شدم کمی تنظیم خمیدگی انجام دهم زیرا خیلی زیاد اصلاح می شد. من نمی توانم تنظیم PID را در این دستورالعمل آموزش دهم ، تقریباً همه چیز را از آموزش تصویری جاشوا باردول آموختم. او این را خیلی بهتر از من توضیح داد.

مرحله 15: تمشک را انتخاب کنید و Raspbian (Jessie) را نصب کنید

من می خواستم این وزن را تا حد ممکن حفظ کنم بنابراین با RPi Zero W. از Raspbian Jessie استفاده می کنم زیرا نسخه های جدید مشکلاتی در OpenCV داشتند که ما برای محاسبه شاخص پوشش گیاهی از تصاویر خام استفاده می کنیم. اگر نرخ FPS بالاتری می خواهید باید رزبری پای v4 را انتخاب کنید. می توانید نرم افزار را از اینجا بارگیری کنید.

نصب وابستگی ها

ما قصد داریم از PiCamera ، OpenCV و Numpy در این پروژه استفاده کنیم. به عنوان سنسور تصویر ، من دوربین کوچکتر 5 مگاپیکسلی را انتخاب کردم که فقط با بردهای Zero سازگار است.

1. تصویر خود را با استفاده از ابزار دلخواه خود فلش کنید (من Balena Etcher را دوست دارم).
2. تمشک خود را با یک مانیتور متصل بوت کنید.
3. رابط های دوربین و SSH را فعال کنید.
4. آدرس IP خود را با ifconfig در ترمینال بررسی کنید.
5. با دستور ssh pi@YOUR_IP SSH را وارد RPi خود کنید.
6. دستورالعمل های نصب نرم افزارهای مورد نیاز را کپی و جایگذاری کنید:

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 sudo apt-get install libgtk2.0-dev sudo apt-get install libatlas-base-dev gfortran sudo pip install numpy python-opencv python (برای آزمایش آن) وارد کردن cv2 cv2._ نسخه_

شما باید پاسخی با شماره نسخه کتابخانه OpenCV خود مشاهده کنید.

مرحله 16: آزمایش دوربین NoIR و تصویربرداری NDVI

برد RPi خود را خاموش کنید ، دوربین را وارد کنید و سپس می توانیم با آن تصویربرداری NDVI انجام دهیم. می توانید روی گل (یکی با زمینه قرمز) ببینید که قسمتهای سبزتر داخل آن فعالیت فتوسنتز را نشان می دهد. این اولین آزمایش من بود که با اینفراگرام انجام شد. من تمام فرمول ها و نگاشت رنگ را در سایت آنها برای نوشتن یک کد کاملاً کاربردی آموختم. برای اینکه همه چیز خودکارتر شود ، من یک اسکریپت پایتون تهیه کردم که فریم ها را ضبط می کند ، تصاویر NDVI را محاسبه می کند و آنها را با کیفیت 1080p روی دستگاه هلی کوپتر ذخیره می کند.

این تصاویر نقشه عجیبی خواهند داشت و به نظر می رسد از سیاره دیگری است. چند آزمایش انجام دهید ، برخی از متغیرها را تغییر دهید ، سنسور خود را قبل از اولین ماموریت تنظیم کنید.

مرحله 17: نصب RPi Zero W بر روی هواپیمای بدون سرنشین

من Pi Zero را در قسمت جلوی تریکوپتر نصب کردم. شما می توانید دوربین خود را مانند من به جلو یا پایین نیز قرار دهید. دلیل این که معدن من رو به جلو است نشان دادن تفاوت بین گیاهان و سایر اجسام غیر فتوسنتزی است. توجه: ممکن است برخی از سطوح نور IR را منعکس کنند یا گرمتر از محیط اطراف باشند که باعث می شود رنگ زرد روشن داشته باشد.

مرحله 18: افزودن فرستنده ویدئو (اختیاری)

من این VTx را در اطراف خود نصب کردم ، بنابراین روی بازوی پشتی هلی کوپترم نصب شده است. این برد 2000 متر دارد اما من هنگام آزمایش از آن استفاده نکرده ام. فقط یک پرواز FPV برای تفریح با آن انجام داد. وقتی از آن استفاده نمی کنم ، کابل ها برداشته می شوند ، در غیر این صورت زیر قاب پنهان می شوند تا ساختمان من زیبا و تمیز بماند.

مرحله 19: انجام تجزیه و تحلیل گیاهان

من دو پرواز 25 دقیقه ای برای تجزیه و تحلیل مناسب انجام دادم. به نظر می رسید اکثر سبزیجات ما سالم هستند ، سیب زمینی نیاز به مراقبت و آبیاری بیشتری دارد. رفتن به بررسی آن که در چند روز کمک کرد. آنها در مقایسه با درختان نارنجی و صورتی روی تصویر بسیار سبز به نظر می رسند.

من دوست دارم پروازهای دایره ای انجام دهم تا بتوانم گیاهان را از هر زاویه بررسی کنم. به وضوح می بینید که در زیر درختان میوه برخی از سبزیجات به اندازه کافی نور خورشید دریافت نمی کنند که باعث می شود در تصاویر NDVI آبی یا سیاه شود. اگر یک قسمت از درخت در زمان خاصی از روز به اندازه کافی نور خورشید دریافت نکند ، مشکلی نیست ، اما اگر کل گیاه به سیاه و سفید تبدیل شود ، بد نیست.

مرحله 20: پرواز ایمن ؛)

با تشکر از شما برای خواندن این دستورالعمل ، امیدوارم برخی از شما سعی کنید آزمایش هایی را با تصویربرداری NDVI یا ساخت هواپیماهای بدون سرنشین انجام دهید. من از ساختن این پروژه از صفر از قطعات چوبی بسیار لذت بردم ، اگر شما نیز دوست داشتید ، می توانید با رای خوب خود به من کمک کنید. اوه ، با خیال راحت پرواز کنید ، هرگز از مردم بالاتر نروید و از سرگرمی لذت ببرید!

جایزه اول در چالش Make It Fly