DIY Pflanzeninspektion Gartendrohne (faltender Tricopter mit kleinem Budget) - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

In unserem Wochenendhaus haben wir einen schönen kleinen Garten mit viel Obst und Gemüse, aber manchmal ist es einfach schwer, mit den Veränderungen der Pflanzen Schritt zu halten. Sie brauchen ständige Aufsicht und sind sehr anfällig für Wetter, Infektionen, Insekten usw.

Ich hatte viele Multicopter-Ersatzteile aus alten Projekten in meinem Werkzeugkasten herumliegen, also beschloss ich, eine Drohne zu entwickeln und zu bauen, die mit einem Rasperry Pi Zero W und seiner NoIR PiCamera Pflanzenanalysen durchführen kann. Ich wollte auch ein Video zu diesem Projekt machen, aber das ist ziemlich schwierig neben der Universität, also lade ich einfach das Rohmaterial hoch.

Die Theorie hinter der Nahinfrarot-Bildgebung

Ich empfehle, diesen Wikipedia-Artikel zu lesen. Lange Rede kurzer Sinn, wenn Pflanzen normal funktionieren, reflektieren sie Infrarotlicht, das von der Sonne kommt. Viele Tiere können IR-Licht sehen, wie Schlangen und Reptilien, aber Ihre Kamera kann es auch sehen (versuchen Sie es mit einer TV-Fernbedienung). Wenn Sie den IR-Filter von Ihrer Kamera entfernen, erhalten Sie ein violettes, verwaschenes Bild. Wenn Sie Ihre Kamera nicht kaputt machen möchten, sollten Sie es mit der NoIR PiCamera versuchen, die im Grunde die gleiche wie die Standard-PiCamera ist, aber keinen eingebauten IR-Filter hat. Wenn Sie den Infrarotfilter unter dem Objektiv Ihrer Kamera platzieren, erhalten Sie nur IR-Licht auf Ihrem Rot-Kanal, blaues Licht auf Blau-Kanal, Grün und Rot werden herausgefiltert. Mit der normalisierten Differenz-Vegetationsindex-Formel für jedes Pixel können Sie einen sehr guten Indikator für die Gesundheit und Photosyntheseaktivität Ihrer Pflanze erhalten. Mit diesem Projekt konnte ich unseren Garten scannen und eine ungesunde Pflanze unter unserem Birnbaum identifizieren.

Warum ein Tricopter?

Ich mag Tricopter ein bisschen mehr als Quads zum Beispiel wegen ihrer Effizienz. Sie haben längere Flugzeiten, sie sind billiger und man kann sie zusammenklappen, was wahrscheinlich das beste Feature bei DIY-Drohnen ist. Ich fliege auch gerne mit diesem Tricopter, sie haben eine etwas "flugzeugartige" Steuerung, die Sie erleben werden, wenn Sie diese Drohne mit mir bauen. Wenn es um Tris geht, ist David Windestals Name wahrscheinlich der erste in einer Google-Suche, ich empfehle, seine Website zu besuchen, ich verwende auch sein Klapprahmen-Design.

Schritt 1: Flugaufnahmen

Dies war mein zweiter Testflug, bei dem der Copter bereits abgestimmt und bereit war, Pflanzenanalysen durchzuführen. Ich habe einige Onboard-Aufnahmen von meiner Action-Kamera, Sie können unsere wunderschöne Umgebung aus der Vogelperspektive betrachten. Wenn Sie die NDVI-Aufnahmen sehen möchten, gehen Sie zum letzten Schritt dieser Anleitung. Leider hatte ich keine Zeit, ein vollständiges Anleitungsvideo zu diesem Tricopter zu machen, aber ich habe dieses kurze Flugtestvideo hochgeladen.

Schritt 2: Erforderliche Werkzeuge und Teile

Mit Ausnahme der Holzausleger und des Farbsprays hatte ich jedes Teil in meiner Werkzeugkiste herumliegen, so dass die Gesamtkosten dieses Projekts für mich etwa 5 US-Dollar betrugen, aber ich werde versuchen, eBay- oder Banggood-Links zu jedem von mir verwendeten Teil zu finden. Ich empfehle dringend, sich nach den Teilen umzusehen, vielleicht können Sie einen besseren Preis erzielen als ich.

Werkzeuge

• Lötkolben
• Dremel-Werkzeug
• 3D-Drucker (ich habe keinen, mein Freund hat mir geholfen)
• Schneidewerkzeuge
• Kabelschneider
• Sekundenkleber
• Kabelbinder (viele davon in 2 Größen)
• Farbspray (mit einer Farbe nach Ihrem Geschmack - ich habe schwarz verwendet)

Teile

1. ArduCopter Flight Controller (Ich habe einen alten APM 2.8 verwendet, aber Sie sollten sich für einen PixHawk oder PIX Mini entscheiden)
2. GPS-Antenne mit Magnetometer
3. MAVLink Telemetriemodul (für die Kommunikation mit der Bodenstation)
4. 6CH Empfänger + Sender
5. Videosender
6. Servomotor (mindestens 1,5 kg Drehmoment)
7. 10" Propeller (2 CCW, 1 CW + extra zum Austausch)
8. 3 30A SimonK ESCs (elektronischer Geschwindigkeitsregler) + 3 920kv Motoren
9. 3S-Akku 5,2 Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (mit Infrarotfilter)
11. 2 Batteriegurte
12. Schwingungsdämpfende Halterungen
13. 1,2 cm quadratische Holzausleger (ich habe eine 1,2-Meter-Stange gekauft)
14. 2-3mm dicke Holzlamellenplatte
15. Action-Kamera (ich habe einen 4k-fähigen GoPro-Klon verwendet - SJCAM 5000x)

Dies sind die Teile, die ich für meine Drohne verwendet habe. Sie können sie gerne nach Ihren Wünschen ändern. Wenn Sie sich nicht sicher sind, was Sie verwenden sollen, hinterlassen Sie einen Kommentar und ich werde versuchen, Ihnen zu helfen. Hinweis: Ich habe das eingestellte APM-Board als Flugregler verwendet, da ich einen Ersatz hatte. Fliegt gut, aber dieses Board wird nicht mehr unterstützt, daher sollten Sie sich wahrscheinlich einen anderen Flugcontroller besorgen, der ArduCopter-kompatibel für großartige GPS-Funktionen ist.

Schritt 3: Schneiden des Rahmens

Laden Sie die Rahmendatei herunter, drucken Sie sie aus und schneiden Sie sie aus. Überprüfen Sie, ob die gedruckte Größe korrekt ist, und markieren Sie dann mit einem Stift die Form und die Löcher auf der Holzplatte. Schneiden Sie den Rahmen mit einer Säge zu und bohren Sie die Löcher mit einem 3-mm-Bohrer. Du brauchst nur zwei davon, ich habe gerade 4 als Ersatzteile gemacht.

Schritt 4: Montieren Sie den Rahmen

Ich habe 3mm Schrauben und Muttern verwendet, um den Rahmen zu montieren. Ich schneide jeden Baum 35cm lang und lasse einen 3cm langen an der Vorderseite des Rahmens. Ziehen Sie die Gelenke nicht zu fest an, aber stellen Sie sicher, dass genügend Reibung vorhanden ist, damit sich die Arme nicht falten. Das ist ein wirklich schickes Design, ich bin zweimal abgestürzt und nichts, nur die Arme nach hinten gefaltet.

Schritt 5: Bohren von Löchern für die Motoren

Überprüfen Sie die Größe Ihrer Motorschrauben und den Abstand zwischen ihnen und bohren Sie dann zwei Löcher in den linken und rechten Holzarm. Ich musste ein 5mm tiefes und 8mm breites Loch in die Arme bohren, damit die Schäfte genug Platz zum Drehen haben. Verwenden Sie ein Schleifpapier, um diese kleinen Splitter zu entfernen und den Staub auszublasen. Sie möchten keinen Staub in Ihren Motoren, da dies zu unnötiger Reibung und Hitze führen kann.

Schritt 6: Klappbare GPS-Halterung

Ich musste für meine GPS-Antenne zusätzliche Löcher bohren, um eine gute Passform zu erzielen. Sie sollten Ihren Kompass hoch aufstellen, damit er das Magnetfeld der Motoren und Kabel nicht stört. Dies ist eine einfache Klappantenne, die mir hilft, mein Setup so kompakt wie möglich zu halten.

Schritt 7: Malerei des Rahmens

Jetzt müssen Sie alles abschrauben und die Lackierung vornehmen. Am Ende habe ich mich für dieses matte tiefschwarze Farbspray entschieden. Ich habe die Teile an einem Faden befestigt und einfach lackiert. Für ein wirklich gutes Ergebnis verwenden Sie 2 oder mehr Farbschichten. Die erste Schicht wird wahrscheinlich etwas verwaschen aussehen, weil das Holz die Feuchtigkeit aufsaugen wird. Nun, das ist in meinem Fall passiert.

Schritt 8: Montage der Schwingungsdämpfungsplattform

Ich hatte diese Gimbal-Halterplattform, die in meinem Aufbau auch als Batteriehalter dient. Diese müssen Sie mit Kabelbindern und/oder Schrauben unter Ihrem Rahmen montieren. Das Gewicht des Akkus trägt dazu bei, viele Vibrationen zu absorbieren, sodass Sie wirklich schöne Kameraaufnahmen erhalten. Sie können auch einige Fahrwerke an den Kunststoffstangen montieren, ich fand es unnötig. Diese schwarze Farbe hat gut funktioniert, an dieser Stelle sollten Sie einen gut aussehenden Rahmen haben und es ist Zeit, Ihren Flugregler einzurichten.

Schritt 9: ArduCopter einrichten

Um den Flugregler einzurichten, benötigen Sie eine zusätzliche kostenlose Software. Laden Sie Mission Planner für Windows oder APM Planner für Mac OS herunter. Wenn Sie Ihren Flugcontroller anschließen und die Software öffnen, installiert ein Wizard-Helfer die neueste Firmware auf Ihrem Board. Es wird Ihnen helfen, Ihren Kompass, Beschleunigungsmesser, Funkcontroller und Flugmodi zu kalibrieren.

Flugmodi

Ich empfehle, Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home und Land als Ihren sechs Flugmodus zu verwenden. Circle ist sehr nützlich, wenn es um die Pflanzeninspektion geht. Es kreist um eine gegebene Koordinate, so dass Sie Ihre Pflanzen aus jedem Winkel sehr genau analysieren können. Ich kann mit den Stöcken umkreisen, aber es ist schwer, einen perfekten Kreis aufrechtzuerhalten. Loiter ist wie das Parken Ihrer Drohne am Himmel, sodass Sie hochauflösende NDVI-Bilder aufnehmen können, und RTH ist nützlich, wenn Sie das Signal verlieren oder die Ausrichtung Ihrer Drohne verlieren.

Achten Sie auf Ihre Verkabelung. Verwenden Sie den Schaltplan, um Ihre ESCs in die richtigen Pins zu stecken und im Mission Planner die Verdrahtung Ihrer Eingangskanäle zu überprüfen. Testen Sie diese niemals mit Requisiten!

Schritt 10: Installieren des GPS, der Kamera und des Flugcontrollers

Sobald Ihr Flugregler kalibriert ist, können Sie etwas Schaumstoffband verwenden und es in der Mitte Ihres Rahmens anbringen. Achten Sie darauf, dass es nach vorne zeigt und genügend Platz für die Kabel hat. Montieren Sie das GPS mit 3 mm Schrauben und verwenden Sie Kabelbinder, um Ihre Kamera an Ort und Stelle zu halten. Diese GoPro-Klone werden mit allen Montagedienstprogrammen geliefert, so dass es ziemlich einfach war, diesen zu installieren.

Schritt 11: Regler und Stromkabel

Meine Batterien haben einen XT60-Anschluss, also habe ich 3 positive und 3 negative Drähte an jeden Stift einer Buchse gelötet. Verwenden Sie einen Schrumpfschlauch, um die Anschlüsse vor Kurzschlüssen zu schützen (Sie können auch Isolierband verwenden). Wenn Sie diese dicken Drähte löten, reiben Sie sie aneinander und befestigen Sie sie mit einem Kupferdraht, dann fügen Sie viel geschmolzenes Lot hinzu. Sie wollen keine kalten Lötstellen, insbesondere beim Einschalten der ESCs.

Schritt 12: Empfänger und Antennen

Um einen guten Signalempfang zu haben, müssen Sie Ihre Antennen in 90 Grad montieren. Ich habe Kabelbinder und Schrumpfschläuche verwendet, um meine Empfängerantennen an der Vorderseite meiner Drohne zu montieren. Die meisten Receiver werden mit Kabeln geliefert und die Kanäle sind beschriftet, so dass es einfach sein sollte, sie einzurichten.

Schritt 13: Der Heckmechanismus

Der Heckmechanismus ist die Seele eines Tricopters. Ich habe dieses Design online gefunden, also habe ich es ausprobiert. Ich hatte das Gefühl, dass das ursprüngliche Design etwas schwach war, aber wenn Sie den Mechanismus umkehren, funktioniert es perfekt. Ich schneide das überschüssige Teil mit einem Dremel-Werkzeug. Auf dem Bild sieht es so aus, als ob mein Servomotor ein wenig leidet, aber er funktioniert einwandfrei. Verwenden Sie beim Anziehen der Schrauben einen kleinen Tropfen Sekundenkleber, damit sie nicht aufgrund der Vibrationen abfallen; oder Sie können die Motoren wie ich mit einem Reißverschluss binden.

Schritt 14: Durchführen eines Schwebetests und PID-Tuning

Überprüfen Sie alle Ihre Verbindungen und stellen Sie sicher, dass Sie beim Anschließen des Akkus nichts braten. Installieren Sie Ihre Propeller und versuchen Sie, mit Ihrer Drohne zu schweben. Meins war ziemlich glatt aus der Box, ich musste nur ein wenig Gier-Tuning machen, weil es viel zu viel korrigierte. Ich kann in diesem Instructable kein PID-Tuning beibringen, ich habe fast alles aus Joshua Bardwells Video-Tutorial gelernt. Er erklärt das so viel besser, als ich es könnte.

Schritt 15: Wählen Sie eine Himbeere und installieren Sie Raspbian (Jessie)

Ich wollte dies so leicht wie möglich halten und habe mich für das RPi Zero W entschieden. Ich verwende Raspbian Jessie, da die neueren Versionen einige Probleme mit OpenCV hatten, mit dem wir den Vegetationsindex aus dem Rohmaterial berechnen. Wenn Sie eine höhere FPS-Rate wünschen, sollten Sie den Raspberry Pi v4 wählen. Sie können die Software hier herunterladen.

Abhängigkeiten installieren

Wir werden in diesem Projekt PiCamera, OpenCV und Numpy verwenden. Als Bildsensor habe ich die kleinere 5MP-Kamera gewählt, die nur mit den Zero-Boards kompatibel ist.

1. Flashen Sie Ihr Bild mit Ihrem Lieblingstool (ich mag Balena Etcher).
2. Starten Sie Ihren Raspberry mit angeschlossenem Monitor.
3. Aktivieren Sie Kamera- und SSH-Schnittstellen.
4. Überprüfen Sie Ihre IP-Adresse mit ifconfig im Terminal.
5. SSH in Ihr RPi mit dem Befehl ssh pi@YOUR_IP.
6. Kopieren Sie die Anweisungen, um die erforderliche Software zu installieren, und fügen Sie sie ein:

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 (zum Testen) import cv2 cv2._version_

Sie sollten eine Antwort mit der Versionsnummer Ihrer OpenCV-Bibliothek sehen.

Schritt 16: Testen der NoIR-Kamera und der NDVI-Bildgebung

Schalten Sie Ihr RPi-Board aus, setzen Sie die Kamera ein und dann können wir versuchen, NDVI-Bilder damit zu machen. Sie können auf der Blume (die mit rotem Hintergrund) sehen, dass die grüneren Teile im Inneren eine gewisse Photosyntheseaktivität aufweisen. Dies war mein erster Test, der mit Infragram gemacht wurde. Ich habe alle Formeln und Farbzuordnungen auf ihrer Website gelernt, um einen voll funktionsfähigen Code zu schreiben. Um die Dinge weiter zu automatisieren, habe ich ein Python-Skript erstellt, das Frames aufnimmt, die NDVI-Bilder berechnet und sie in 1080p auf dem Copter speichert.

Diese Bilder werden eine seltsame Farbkarte haben und aussehen, als ob sie von einem anderen Planeten stammen würden. Machen Sie ein paar Tests, ändern Sie einige Variablen, optimieren Sie Ihren Sensor vor der ersten Mission.

Schritt 17: Installieren des RPi Zero W auf der Drohne

Ich habe den Pi Zero auf der Vorderseite des Tricopters installiert. Sie können Ihre Kamera wie ich nach vorne oder auch nach unten richten. Der Grund, warum meine nach vorne zeigt, ist, den Unterschied zwischen Pflanzen und anderen nicht photosynthetischen Objekten zu zeigen. Hinweis: Es kann vorkommen, dass einige Oberflächen IR-Licht reflektieren oder wärmer als die Umgebung sind, wodurch sie eine leuchtend gelbe Farbe haben.

Schritt 18: Hinzufügen eines Videosenders (optional)

Ich hatte diesen VTx auch herumliegen und so auf dem hinteren Arm meines Copters installiert. Dies hat eine Reichweite von 2000 Metern, aber ich habe es bei Tests nicht verwendet. Habe nur zum Spaß einen FPV-Flug damit gemacht. Wenn ich es nicht benutze, werden die Kabel entfernt, ansonsten sind sie unter dem Rahmen versteckt, um meinen Aufbau schön und sauber zu halten.

Schritt 19: Pflanzenanalyse durchführen

Ich habe zwei 25-Minuten-Flüge für eine richtige Analyse gemacht. Das meiste unseres Gemüses schien in Ordnung zu sein, Kartoffeln brauchten zusätzliche Pflege und Wasser. Werde es mal checken das hat in ein paar Tagen geholfen. Sie sehen auf dem Bild im Vergleich zu den orangefarbenen und rosa Bäumen ziemlich grün aus.

Ich mache gerne Kreisflüge, damit ich die Pflanzen aus jedem Blickwinkel betrachten kann. Sie können deutlich sehen, dass einige Gemüse unter den Obstbäumen nicht genug Sonnenlicht bekommen, wodurch sie in den NDVI-Bildern blau oder schwarz werden. Es ist kein Problem, wenn ein Teil des Baumes zu einer Tageszeit nicht genug Sonnenlicht bekommt, aber schlimm ist es, wenn die ganze Pflanze schwarz-weiß wird.

Schritt 20: Fliegen Sie sicher;)

Vielen Dank für das Lesen dieses Instructable, ich hoffe, einige von Ihnen werden versuchen, Experimente mit NDVI-Bildgebung oder mit dem Bau von Drohnen durchzuführen. Es hat mir viel Spaß gemacht, dieses Projekt von Null aus aus Holzteilen zu machen, wenn Sie es auch mögen, können Sie mir mit Ihrer freundlichen Stimme helfen. Ach, flieg sicher, nie über den Leuten und genieße das Hobby!

Erster Preis bei der Make It Fly Challenge