Siga-me - Guia de drones inteligentes do Raspberry Pi: 9 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Você sempre se perguntou como fazer um drone de A-Z?

Este tutorial mostra como fazer um quadricóptero de 450 mm passo a passo, desde a compra das peças até o teste do seu robô aéreo em seu primeiro vôo.

Além disso, com um Raspberry Pi e uma PiCamera, você pode transmitir um vídeo ao vivo em seu dispositivo e controlar seu drone na visualização em primeira pessoa! O Raspberry Pi também oferece a possibilidade de melhorar ainda mais o seu drone e agregar recursos como rastreamento de pessoas, prevenção de obstáculos e estação meteorológica. Este tutorial mostrará como fazer seu drone segui-lo.

A vantagem do Raspberry Pi é principalmente que ele pode processar alguns algoritmos de visão artificial para recursos que exigem que o drone seja "inteligente".

Neste instrutível, você aprenderá:

• Quais ferramentas / peças você precisa comprar
• Como consertar todas as peças do quadro
• Como fazer as conexões para o sistema de propulsão
• Como configurar seu microcontrolador
• Como conectar o receptor ao transmissor
• Como transmitir um vídeo feito pelo drone em seu telefone
• Como sintonizar seu PID para um melhor controle
• Como implementar o rastreamento de pessoas

Além disso, o drone tem um LED vermelho que acende quando o drone está procurando por alguém e um LED verde quando alguém é detectado e o drone o está seguindo. Um botão também é implementado para desligar o Pi antes de desconectar a bateria para que o cartão SD do Raspberry Pi não seja corrompido.

Este tutorial tem como objetivo definir os fundamentos de como construir um drone inteligente personalizável, então, se você é um iniciante, você veio ao lugar certo!

Etapa 1: Visão geral

Para construir um quadricóptero, precisamos de 4 motores e 4 ESCs (Controlador Eletrônico de Velocidade), cada um conectado a um motor. Uma placa de distribuição de energia é usada para distribuir a energia da bateria para os 4 ESCs.

O ESC recebe o comando do controlador de vôo (aqui uma placa MultiWii) e o transmite para o motor.

Este controlador de vôo tem um giroscópio, acelerômetro e barômetro. Você também pode adicionar um módulo bluetooth e um GPS a ele.

Para fazer a conexão entre o Raspberry Pi e o controlador de vôo, usamos um adaptador FTDI. Assim, podemos enviar comandos para o controlador de nosso Pi. Além disso, para fazer a calibração do PID e fazer o upload do firmware do Mulltiwii no controlador de vôo, o FTDI será muito útil.

Por fim, controlamos remotamente o drone com um controle remoto que envia comandos aos receptores e os envia ao controlador de vôo.

O Raspberry Pi também fornece um fluxo que pode ser visualizado em qualquer navegador de um dispositivo como um telefone, por exemplo. Dessa forma, podemos ver o que a câmera Pi vê quando está no ar.

Etapa 2: reunindo as peças

As seguintes partes são necessárias para concluir com êxito este tutorial:

1) O quadro: Quadro 450 F de 4 eixos

2) O transmissor e o receptor: Flysky FS-i6X

3) The Raspberry Pi: Placa-mãe Raspberry Pi 3 Modelo B

4) A câmera: PiCamera

5) O microcontrolador: Crius MultiWii SEV2.6

6) O FTDI: Conversor FTDI USB para TTL / FT232

7) Fios pequenos: Fio Dupont Multicolorido Elegoo 120pcs

8) Os motores (x4): Motor Liobaba 1100KV 2-4S Brushless

9) Os ESCs (x4): Firmware ESC brushless 30A Brushless c / 5V 3A UBEC

10) A bateria: Bateria HRB 11.1V 5000mAh 3S 50C-100C LiPo

11) Os conectores: conectores dourados de 3,5 mm (x4) e Artrinck XT-60 60A / 100A macho fêmea

12) As hélices (x3): Hélice FidgetGear 10x4.5 (Azul)

13) A almofada de montagem do controlador de vôo: Almofada de montagem do controlador de vôo

14) Algumas bainhas termorretráteis: Tubo retrátil - SODIAL

15) Fios: fio 16GA

16) O ferro de solda: Kit de ferro de solda Holife, ferramenta de soldagem com temperatura controlada ajustável 60W 110V

Opcional

• Uma campainha: Monitor de baixa tensão Venom para baterias LiPO 2S a 8S
• Um suporte / rack para o Pi e controlador de vôo: Caixa de armazenamento para Raspberry Pi
• Melhore a sua experiência de soldagem com: Elenco Helping Hands e 60-40 Tin Lead Rosin Core Solder

O custo TOTAL de todas essas peças deve ser 450,71 CAN $.

Etapa 3: Soldar e fixar peças na estrutura

Duas partes precisam de solda:

1. Os ESCs (eles não vêm com conectores nas extremidades)
2. O quadro de distribuição de energia (no nosso caso integrado na estrutura)

Use os conectores tx fêmea nos fios que você adicionou ao quadro de distribuição, os conectores tx macho nos fios laterais da placa de distribuição dos ESCs e os conectores dourados de 3,5 mm nos fios laterais do motor dos ESCs. Não se esqueça de adicionar a bainha termoencolhível para isolar (não queremos ver nenhum fio desencapado).

Conselhos para soldar:

• Use a ponta de ferro plana de tamanho médio (fornecida no seu kit de solda) e aqueça o ferro de solda a 400 degC.
• Limpe frequentemente a ponta do fio de solda com a esponja de água.
• Derreta um pouco de solda nas duas superfícies que deseja conectar primeiro, depois cole-as e adicione mais solda.

Para mais detalhes sobre como soldar tudo, não hesite em dar uma olhada em nosso site.

Fixe as peças na estrutura:

1. Use dois parafusos para fixar os motores em cada extremidade do braço.
2. Fixe o suporte dos componentes eletrônicos na estrutura com porcas e parafusos.
3. Fixe o Pi no suporte com porcas e parafusos.
4. Cole um suporte de montagem (para absorver as vibrações) na parte superior do suporte e fixe seu Multiwii nele, certificando-se de que esteja exatamente no meio da estrutura e com a seta apontando entre dois braços da mesma cor.
5. Cole o receptor no suporte com um pouco de velcro.
6. Coloque seus ESCs em cada braço com amarrilho.
7. Use alças para prender a bateria no nível inferior do quadro.
8. Perfure as hélices e coloque-as nos motores com a ajuda do parafuso especial que vem com o motor

Etapa 4: As conexões

Para o receptor:

• Conecte os pinos do acelerador no MultiWii ao canal 3 do receptor.
• Conecte os pinos do rolo ao canal 1 no receptor.
• Conecte os pinos de pitch ao canal 2.
• Conecte os pinos de guinada ao canal 4.
• Conecte o Auxiliar 1 ao canal 5.

Para os ESCs:

Com Multiwii voltado para frente e com fio preto do conector de comando do ESC no pino inferior do Multiwii;

• Conecte o ESC superior esquerdo a D3.
• Conecte o ESC superior direito ao D10.
• Conecte o ESC inferior direito ao D9.
• Conecte o ESC inferior esquerdo ao D11.

Para o Pi:

• Conecte a PiCamera.
• Conecte o FTDI a um adaptador mini-USB / USB e conecte-o ao Pi, conecte também os pinos FTDI aos pinos FTDI do MultiWii.
• Conecte um pino - e + do MultiWii a um pino GPIO de 5 V e aterramento do Pi.

Para os motores

Por padrão, os motores giram no sentido anti-horário (CCW). Portanto, para os motores superior esquerdo e inferior direito, você precisa inverter a conexão dos fios com o ESC (o preto com o vermelho e o vermelho com o preto), portanto, você terá uma direção horária (CW).

Etapa 5: configurar tudo

Remova suas hélices para as etapas a seguir.

Programando os ESCs:

O controlador eletrônico de velocidade controla o motor e, portanto, muitas opções estão disponíveis e cabe a você personalizar seu ESC para que se comporte como você deseja.

Remova todos os fios conectados ao receptor.

Para cada ESC:

1. Conecte apenas um ESC à alimentação (no quadro de distribuição, em nosso caso) e certifique-se de que a bateria esteja desconectada.
2. Coloque o pino ESC no canal do acelerador do receptor (no nosso caso, canal 3).
3. Ligue o seu transmissor.
4. Coloque o acelerador na posição máxima em seu transmissor.
5. Ligue o quadro de distribuição conectando a bateria a ele. Você também pode usar algumas pinças de crocodilo e conectar diretamente a bateria ao ESC.
6. Após alguns bipes, você deve ouvir um tom musical com 4 bipes. Depois dessa primeira música, coloque o acelerador na posição mínima do transmissor.
7. Aguarde a confirmação do UBEC, dada por um bip.
8. Feche o transmissor.
9. Remova a energia (desconecte a bateria Li-Po)

Para testar:

1. Ligue o transmissor com a posição mínima do acelerador.
2. Conecte a bateria.
3. Aumente gradualmente o acelerador até a potência máxima. O motor deve girar mais rápido quando você aumenta o acelerador.

Configurando o painel de controle de vôo:

Para esta etapa você pode retirar o cabo USB do FTDI do Pi e colocá-lo no computador, que será mais conveniente para programar a placa.

1. Baixe o sofware Arduino em seu computador através do site.
2. Baixe a última versão do firmware multiwii e extraia-a no seu computador.
3. Vá para a pasta MultiWii previamente extraída e abra o MultiWii.ino que irá lançar o Arduino.
4. Vá para o arquivo config.h no Arduino, remova // na frente de #define QUADX para definir o tipo de configuração de seu multicóptero e na frente de #define CRIUS_SE_v2_0 para escolher o tipo de placa.
5. Em seguida, vá em Ferramentas -> Placa -> e selecione Arduino Pro ou Pro Mini e certifique-se em Ferramentas -> Processador -> que ATMmega328P (5V, 16MHz) está selecionado.
6. A última configuração que precisamos fazer antes de enviar para a placa é ir em Ferramentas -> Porta -> selecione a porta do seu MultiWii (COM3 para nós).
7. Clique em verificar e depois em upload.
8. Enquanto o código está sendo carregado no Crius MultiWii SE v2.6, você deve ver as luzes piscando na placa do controlador e na placa FTDI.

Calibre os sensores na placa de controle de vôo:

1. Vá para a pasta MultiWiiConf presente na pasta MultiWii baixada anteriormente de seu site.
2. Em seguida, vá para -> pasta application.windows32 -> clique duas vezes no aplicativo MultiWiiConf. (Observe que mesmo se eu tivesse o Windows 64bits, apenas o aplicativo de 32bits parece funcionar).
3. Você precisa selecionar a porta à qual seu controlador de vôo está conectado (neste caso COM3).
4. Clique em Ler.
5. Clique em Iniciar.
6. Coloque sua prancha na mesa e clique em Calib_acc.
7. Clique em Calib_mag e então você precisa girar sua prancha em todas as direções durante 30 segundos o mais rápido possível. Você deve ver picos em todo o gráfico.

Para testar:

Gire sua placa no eixo de inclinação, rotação e guinada e veja se o que os sensores mostram no software faz sentido

Configurando o transmissor (controle remoto):

Primeiro, você pode verificar qual stick controla qual canal no Menu Display:

1. Antes de iniciar o controlador, certifique-se de que todos os interruptores estejam ativados e que o stick do acelerador (stick esquerdo) esteja abaixado.
2. Inicie o controlador.
3. Segure o botão OK.
4. Vá em Configuração e, em seguida, em Exibir.
5. Você pode mover seus manípulos para ver qual canal reage.

Antes de prosseguir, selecione um modelo e um nome:

1. Vá em Sistema-> Seleção de modelo -> selecione um modelo.
2. Vá em Sistema -> Nome do modelo. E dê um nome a ele. Aguarde cancelar para salvar suas alterações.
3. Vá em System-> Type, selecione e defina-o como um avião ou planador, mesmo que seja um quadrirotor.
4. Defina o corte no menu Subtrim. Quando os manípulos estão na posição neutra, você precisa que os canais (veja no menu Exibir) estejam a 0% para o yaw, pitch e roll.
5. Aguarde cancelar para salvar suas configurações.

A seguir, vamos definir as configurações à prova de falhas:

Isso garante que, quando o drone estiver muito longe do controlador e perder o sinal, todos os controles irão para a posição neutra. Então, para fazer isso, precisamos definir os canais 1, 2 e 4 como 0% e ativar a proteção contra falhas neles por meio do menu à prova de falhas. Também precisamos ativar a segurança contra falhas no acelerador e configurá-lo para 100%.

Você também pode usar os outros interruptores em seu controlador, ativando-os em Sistema-> Aux. comuta.

Você pode ter mais detalhes sobre esta seção em nosso site.

Etapa 6: transmissão ao vivo

O Raspberry Pi é um computador e o que você pode fazer com um computador voador limita apenas a sua imaginação.

Para transmitir ao vivo:

1. Habilite a PiCamera. Para fazer isso, inicie o Pi e conecte um mouse e um monitor a ele. Clique no logotipo do rasbian no canto superior esquerdo, vá em preferências, em seguida, Raspberry Pi Configuration e, em seguida, na guia interfaces, certifique-se de que a câmera esteja ativada. Em seguida, clique em ok.
2. Baixe o script (fonte do código: tutoriais nerd aleatórios) e coloque-o em sua pasta de início.
3. Execute o script digitando '' python3 rpi_camera_surveillance_system.py '' no terminal.

Assim que o script estiver em execução, você pode acessar o servidor da web de stream de vídeo em: https://: 8000. Substitua pelo seu próprio endereço IP do Raspberry Pi, no meu caso

Se você não sabe o seu endereço IP do Pi, pode sabê-lo digitando ifconfig no terminal que fornece o endereço.

Você pode acessar a transmissão ao vivo por meio de qualquer dispositivo conectado à mesma rede do Raspberry Pi. Você só precisa abrir o navegador.

Você também pode iniciar este programa a partir do seu smartphone. Você só precisa instalar o aplicativo Terminus (se você tiver um iPhone).

Para iniciar o stream diretamente quando o Pi está ligado (ou seja, quando o drone está ligado), digite no terminal:

sudo nano /home/pi/.bashrc

Em seguida, vá para a última linha e adicione, echo Executando na inicialização

sudo python3 / home / pi / rpi_camera_surveillance_system.py

sudo reboot

Salve o arquivo pressionando Ctrl + X, digite Y e clique em Enter.

Parabéns, sua transmissão ao vivo está configurada! Você pode usá-lo para espionar seus vizinhos ou fazer algumas corridas FPV!

Etapa 7: A arte do ajuste de PID

Você está pronto para seu primeiro vôo. A primeira coisa que você deve fazer é testar seu drone sem hélice para ver se tudo responde bem.

Então, você pode adicionar suas hélices e começar bem devagar para aumentar a aceleração e ver se consegue decolar.

Seu drone provavelmente oscila lentamente, vibra ou o motor apita. Isso significa que você precisa definir suas configurações de PID!

Esta parte demora um pouco se você quiser um drone muito estável que responda bem aos seus comandos. A configuração do PID é subjetiva, portanto, depende de você como deseja que seu drone voe. Aqui está o procedimento:

1. Comece com um I baixo no pitch e role (0,01) e aumente P até ver oscilações de alta frequência e reduza-o de volta ao último valor.
2. Em seguida, aumente I na afinação e role em incrementos de 0,01 até ver vibrações novamente ou sentir que o drone está rígido e sem resposta. Normalmente, a configuração I pode ajudá-lo se você experimentar quedas de altitude e deriva. Ele neutraliza as perturbações em seu sistema (o drone).
3. Abaixe seu P se você viu alguma oscilação de alta frequência.
4. Diminua seu D se seu drone parecer muito úmido (baixo para responder).

Para o eixo de guinada, normalmente você pode deixá-lo no padrão, mas se você sentir que seu drone se desloca no eixo de guinada, então você pode aumentar I.

Etapa 8: recurso Siga-me

Um drone autônomo é incrível, ele pode voar e se mover sem ter que se preocupar com isso.

O drone feito neste tutorial tem a capacidade de fazer isso processando os dados que seus sensores capturam.

Para implementar um recurso como rastreamento de pessoas, você precisa:

1. Use a câmera do drone para ajudá-lo a tomar nota de seu ambiente.
2. Use um algoritmo de visão artificial para analisar o ambiente.
3. Planeje a trajetória do drone.
4. Comande a direção para seguir o drone.

Mais especificamente, a câmera Pi pode fornecer uma transmissão ao vivo de imagens para o Raspberry Pi, que é um computador com potência suficiente para executar alguns algoritmos de visão artificial.

Esses algoritmos podem detectar uma pessoa em uma foto e analisar a posição dessa pessoa. O algoritmo de cascata de Haar ou redes neurais profundas podem ser algoritmos úteis para isso.

Portanto, sabendo a posição da pessoa a seguir, você pode planejar como os motores se movem e que direção tomar, dependendo da posição do objeto rastreado no quadro. Por exemplo, se a pessoa a ser rastreada estiver à direita do quadro obtido pela câmera Pi, o algoritmo comanda o drone para virar à direita.

Finalmente, uma vez escolhida a direção que o drone deve seguir, o Raspberry Pi deve enviar um comando ao Multiwii para permitir que o drone siga nessa direção. Para fazer isso, o MSP (Multiwii Serial Protocol) é útil para a comunicação entre seu computador (o Pi) e seu controlador de vôo.

Aqui você pode encontrar uma maneira de codificar isso.

Um método mais robusto usando tensorflow e redes neurais profundas para detecção de pessoas foi mostrado em nosso site.

Você também pode imaginar muitas outras maneiras de aprimorar seu drone autônomo, como fazê-lo tirar uma foto sempre que avistar uma árvore ou um animal. A evasão de objetos também é possível implementar, você acabou de definir o drone para parar sua corrida se ele estiver a menos de uma distância especificada de um objeto.

Além disso, você pode aprender no site como conectar um LED ao Pi e ligá-lo quando o drone detectar alguém que o segue!

Etapa 9: Feliz vôo

Ligue seu drone e aproveite sua mosca.

Se você quiser ir mais longe e implementar o rastreamento de pessoas em seu drone, pode consultar nosso site para um tutorial sobre isso.

Obrigado por preparar este tutorial!