Drone de jardinagem de inspeção de plantas faça você mesmo (tricóptero dobrável com um orçamento): 20 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Em nossa casa de fim de semana, temos um pequeno jardim agradável com muitas frutas e vegetais, mas às vezes é difícil acompanhar como as plantas mudam. Eles precisam de supervisão constante e são muito vulneráveis ao clima, infecções, insetos, etc …

Eu tinha muitas peças sobressalentes de multicópteros de projetos antigos em minha caixa de ferramentas, então decidi projetar e construir um drone que pode fazer análises de plantas usando um Rasperry Pi Zero W e sua NoIR PiCamera. Eu também queria fazer um vídeo sobre este projeto, mas isso é muito difícil perto da universidade, então vou apenas fazer o upload da filmagem bruta.

A teoria por trás das imagens de infravermelho próximo

Eu recomendo ler este artigo da Wikipedia. Para encurtar a história, quando as plantas funcionam normalmente, elas refletem a luz infravermelha que vem do sol. Muitos animais podem ver a luz infravermelha, como cobras e répteis, mas sua câmera também pode ver (experimente com um controle remoto de TV). Se você remover o filtro infravermelho de sua câmera, obterá uma imagem arroxeada e desbotada. Se você não quer quebrar sua câmera, você deve tentar com a NoIR PiCamera, que é basicamente a mesma que a PiCamera padrão, mas não tem um filtro infravermelho embutido. Se você colocar o filtro infravermelho sob a lente da câmera, obterá apenas luz infravermelha no canal vermelho, luz azul no canal azul, verde e vermelho serão filtrados. Usando a fórmula do índice de vegetação de diferença normalizada para cada pixel, você pode obter um indicador muito bom da saúde e da atividade fotossintética de sua planta. Com este projeto, pude escanear nosso quintal e identificar uma planta insalubre sob nossa pereira.

Por que um tricóptero?

Eu gosto de tricópteros um pouco mais do que quadriciclos, por exemplo, por causa de sua eficiência. Eles têm tempos de vôo mais longos, são mais baratos e você pode dobrá-los, o que provavelmente é a melhor característica quando se trata de drones DIY. Eu também gosto de voar com este tricóptero, eles têm um controle um tanto "semelhante a um avião", que você experimentará se construir este drone comigo. Quando se trata de tris, o nome de David Windestal é provavelmente o primeiro em uma busca no Google, eu recomendo verificar seu site, estou usando seu design de moldura dobrável também.

Etapa 1: filmagem do voo

Este foi meu segundo vôo de teste onde o helicóptero já estava afinado e pronto para fazer a análise da planta. Tenho algumas gravações a bordo da minha câmera de ação, você pode conferir nossos belos arredores de um olho de pássaro. Se você quiser ver as gravações NDVI, vá para a última etapa deste instrutível. Infelizmente não tive tempo de fazer um vídeo completo sobre como guiar este tricóptero, mas carreguei este pequeno vídeo de teste de voo.

Etapa 2: ferramentas e peças necessárias

Com exceção das barras de madeira e do spray de tinta, eu tinha todas as peças em minha caixa de ferramentas, então o custo total deste projeto foi de cerca de US $ 5 para mim, mas tentarei encontrar links do eBay ou Banggood para todas as peças que usei. Eu recomendo fortemente que você procure as peças, talvez você consiga um preço melhor do que eu.

Ferramentas

• Ferro de solda
• Ferramenta Dremel
• Impressora 3D (não tenho, meu amigo me ajudou)
• Ferramentas de corte
• Cortador de fio
• Super cola
• Zip Ties (muitos deles, em 2 tamanhos)
• Spray de tinta (com uma cor que você goste - usei preto)

Peças

1. ArduCopter Flight Controller (usei um antigo APM 2.8, mas você deve escolher um PixHawk ou PIX Mini)
2. Antena GPS com magnetômetro
3. Módulo de Telelemetria MAVLink (para comunicação da estação terrestre)
4. 6CH Receptor + Transmissor
5. Transmissor de Vídeo
6. Servo motor (torque de pelo menos 1,5 kg)
7. Hélices de 10 "(2 CCW, 1 CW + extra para substituição)
8. 3 30A SimonK ESCs (controlador eletrônico de velocidade) + 3 motores de 920 kv
9. Bateria 3S 5,2 Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (vem com filtro infravermelho)
11. 2 alças de bateria
12. Suportes de amortecimento de vibração
13. Lanças de madeira em formato quadrado de 1,2 cm (comprei uma haste de 1,2 metros)
14. Placa de lâmina de madeira espessa de 2-3 mm
15. Câmera de ação (usei um clone GoPro capaz de 4k - SJCAM 5000x)

Estas são as peças que usei para o meu drone, fique à vontade para modificá-lo ao seu gosto. Se você não tiver certeza sobre o que usar, deixe um comentário e tentarei ajudá-lo. Observação: usei a placa APM descontinuada como controlador de vôo, porque tinha uma sobressalente. Voa bem, mas esta placa não é mais compatível, então você provavelmente deve comprar outro controlador de vôo que seja compatível com ArduCopter para ótimos recursos de GPS.

Etapa 3: Cortar a estrutura

Baixe o arquivo do quadro, imprima-o e recorte-o. Verifique se o tamanho da impressão está correto e use uma caneta para marcar a forma e os orifícios na placa de madeira. Use uma serra para cortar a moldura e faça os furos com uma broca de 3 mm. Você precisará de apenas dois deles, acabei de fazer 4 como peças sobressalentes.

Etapa 4: monte a estrutura

Usei parafusos e porcas de 3 mm para montar a estrutura. Cortei cada lança com 35 cm de comprimento e deixei uma de 3 cm na frente do quadro. Não aperte demais as articulações, mas certifique-se de que haja fricção suficiente para que os braços não dobrem. Este é um design muito inteligente, bati duas vezes e nada só os braços dobrados para trás.

Etapa 5: furos para os motores

Verifique o tamanho dos parafusos do motor e a distância entre eles e faça dois furos nos braços de madeira esquerdo e direito. Tive de fazer um orifício de 5 mm de profundidade e 8 mm de largura nos braços para que as hastes tivessem espaço suficiente para girar. Use uma lixa para remover as lascas e assopre a poeira. Você não quer poeira em seus motores porque isso pode causar atrito e calor desnecessários.

Etapa 6: suporte dobrável para GPS

Tive que fazer furos extras para minha antena GPS para um bom encaixe. Você deve colocar sua bússola no alto para que não interfira com o campo magnético dos motores e fios. Esta é uma antena dobrável simples que me ajuda a manter minha configuração o mais compacta possível.

Etapa 7: pintar a moldura

Agora você tem que desparafusar tudo e fazer a pintura. Acabei escolhendo este spray fosco de cor preta profunda. Prendi as peças em um fio e simplesmente as pintei. Para um resultado realmente bom, use 2 ou mais camadas de tinta. A primeira camada provavelmente vai parecer um pouco desbotada porque a madeira vai absorver a umidade. Bem, isso aconteceu no meu caso.

Etapa 8: Montagem da plataforma de amortecimento de vibrações

Eu tinha essa plataforma de suporte de cardan que, na minha constituição, também funciona como suporte de bateria. Você tem que montá-lo sob sua estrutura com laços zip e / ou parafusos. O peso da bateria está ajudando a absorver muitas vibrações, então você terá uma boa filmagem da câmera. Você também pode montar alguns trens de pouso nas hastes de plástico, achei desnecessário. Esta cor preta funcionou bem, neste ponto você deve ter uma moldura bonita e é hora de configurar seu controlador de vôo.

Etapa 9: Configurando o ArduCopter

Para configurar o controlador de vôo, você precisará de um software gratuito adicional. Baixe o Mission Planner no Windows ou o APM Planner no Mac OS. Quando você conecta seu controlador de vôo e abre o software, um assistente de assistente instala o firmware mais recente em sua placa. Vai ajudá-lo a calibrar sua bússola, acelerômetro, controlador de rádio e modos de voo.

Modos de voo

Eu recomendo usar Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home e Land como seu modo de seis voos. O círculo é muito útil quando se trata de inspeção de plantas. Ele vai orbitar em torno de uma determinada coordenada, então ajuda a analisar suas plantas de todos os ângulos de uma forma muito precisa. Posso orbitar com as varas, mas é difícil manter um círculo perfeito. Loiter é como estacionar seu drone no céu, então você pode tirar fotos NDVI de alta resolução e o RTH é útil se você perder o sinal ou a orientação do seu drone.

Preste atenção na sua fiação. Use o esquema para conectar seus ESCs nos pinos corretos e verifique no Planejador de Missão a fiação de seus canais de entrada. Nunca teste isso com os acessórios colocados!

Etapa 10: Instalando o GPS, a Câmera e o Controlador de Voo

Assim que seu controlador de vôo estiver calibrado, você pode usar um pouco de fita de espuma e instalá-lo no meio do quadro. Certifique-se de que esteja voltado para a frente e de que haja espaço suficiente para os cabos. Monte o GPS com parafusos de 3 mm e use laços zip para manter a câmera no lugar. Esses clones GoPro vêm com todos os utilitários de montagem, então foi muito simples instalar este.

Etapa 11: ESCs e cabo de alimentação

Minhas baterias têm um conector XT60, então eu soldei 3 fios positivos e 3 negativos a cada pino de um conector fêmea. Use um tubo termorretrátil para proteger as conexões contra curto-circuito (você também pode usar fita isolante). Quando você solda esses fios grossos, esfregue-os e fixe-os com um fio de cobre e, em seguida, adicione bastante solda derretida. Você não quer juntas de solda a frio, especialmente na energização dos ESCs.

Etapa 12: receptor e antenas

Para ter uma boa recepção de sinal, você deve montar suas antenas em 90 graus. Usei laços zip e tubos termorretráteis para montar minhas antenas receptoras na frente do meu drone. A maioria dos receptores vem com cabos e os canais são etiquetados de forma que seja fácil de configurar.

Etapa 13: O mecanismo de cauda

O mecanismo da cauda é a alma de um tricóptero. Encontrei este design online, então experimentei. Achei que o design original era um pouco fraco, mas se você inverter o mecanismo, ele funciona perfeitamente. Cortei o excesso com uma ferramenta dremel. Na foto pode parecer que meu servo motor está sofrendo um pouco, mas funciona perfeitamente. Use uma pequena gota de supercola ao apertar os parafusos para que não caiam por causa das vibrações; ou você pode amarrar os motores como eu fiz.

Etapa 14: fazer um teste de pairar e ajuste de PID

Verifique todas as suas conexões e certifique-se de não fritar nada ao conectar a bateria. Instale suas hélices e tente pairar com seu drone. O meu foi bem suave fora da caixa, eu só tive que fazer um pequeno ajuste de guinada porque estava corrigindo demais. Não posso ensinar afinação de PID neste Instructable, aprendi quase tudo com o vídeo tutorial de Joshua Bardwell. Ele explicou isso muito melhor do que eu.

Etapa 15: Escolha uma framboesa e instale o Raspbian (Jessie)

Eu queria mantê-lo o mais leve possível, então optei pelo RPi Zero W. Estou usando o Raspbian Jessie porque as versões mais recentes tiveram alguns problemas com o OpenCV, que usamos para calcular o índice de vegetação da filmagem bruta. Se você deseja uma taxa de FPS mais alta, deve escolher o Raspberry Pi v4. Você pode baixar o software aqui.

Instalando Dependências

Vamos usar PiCamera, OpenCV e Numpy neste projeto. Como sensor de imagem escolhi a câmera menor de 5MP, que só é compatível com as placas Zero.

1. Flash sua imagem usando sua ferramenta favorita (eu gosto de Balena Etcher).
2. Inicialize o seu Raspberry com um monitor conectado.
3. Ative as interfaces de câmera e SSH.
4. Verifique seu endereço IP com ifconfig no terminal.
5. SSH em seu RPi com o comando ssh pi @ YOUR_IP.
6. Copie e cole as instruções para instalar os softwares necessários:

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-get install libgtk2.0-dev sudo apt-get install libatlas-base-dev gfortran sudo pip install numpy python-opencv python (para testá-lo) import cv2 cv2._ version_

Você deve ver uma resposta com o número da versão de sua biblioteca OpenCV.

Etapa 16: Testando a câmera NoIR e imagens NDVI

Desligue sua placa RPi, insira a câmera e então podemos tentar fazer algumas imagens NDVI com ela. Você pode ver na flor (aquela com fundo vermelho), que as partes mais verdes do interior mostram alguma atividade fotossintética. Este foi meu primeiro teste, que foi feito com o Infragram. Aprendi todas as fórmulas e mapeamento de cores em seu site para escrever um código totalmente funcional. Para tornar as coisas mais automatizadas fiz um script Python que captura frames, calcula as imagens NDVI e as salva em 1080p no copter.

Essas imagens terão um mapa de cores estranho e parecerão que são de outro planeta. Faça alguns testes, mude algumas variáveis, ajuste seu sensor antes da primeira missão.

Etapa 17: Instalando o RPi Zero W no Drone

Instalei o Pi Zero na frente do tricóptero. Você pode olhar sua câmera para a frente como eu fiz ou para baixo também. O motivo pelo qual o meu está voltado para o futuro é para mostrar a diferença entre as plantas e outros objetos não fotossintéticos. Nota: pode acontecer que algumas superfícies reflitam luz infravermelha ou sejam mais quentes do que os arredores, o que faz com que tenham uma cor amarela brilhante.

Etapa 18: Adicionar um transmissor de vídeo (opcional)

Eu tinha este VTx também instalado no braço traseiro do meu helicóptero. Tem um alcance de 2.000 metros, mas não o usei durante os testes. Só fiz um vôo FPV para me divertir com ele. Quando não o uso, os cabos são removidos, caso contrário, ficam escondidos sob a moldura para manter minha construção limpa e bonita.

Etapa 19: Fazendo a análise da planta

Fiz dois voos de 25 minutos para uma análise adequada. A maioria de nossos vegetais parecia estar bem, as batatas precisavam de um pouco de cuidado e rega extras. Vou verificar isso ajudou em alguns dias. Eles parecem muito verdes na foto em comparação com as árvores laranja e rosa.

Gosto de fazer voos circulares para poder examinar as plantas de todos os ângulos. Você pode ver claramente que sob as árvores frutíferas alguns vegetais não recebem luz solar suficiente, o que os torna azuis ou pretos nas imagens NDVI. Não é um problema se uma parte da árvore não está recebendo luz solar suficiente em uma hora do dia, mas é ruim se a planta inteira ficar preta e branca.

Etapa 20: Fly Safe;)

Obrigado por ler este Instructable, espero que alguns de vocês tentem fazer experimentos com imagens NDVI ou com drones de construção. Eu me diverti muito fazendo este projeto do zero a partir de peças de madeira, se você gostou também pode me ajudar com seu voto gentil. Oh, voe seguro, nunca acima das pessoas e aproveite o hobby!

Primeiro prêmio no Desafio Make It Fly