Folgen Sie mir - Raspberry Pi Smart Drone Guide - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Haben Sie sich schon immer gefragt, wie man eine Drohne von A-Z baut?

Dieses Tutorial zeigt Ihnen Schritt für Schritt, wie Sie einen 450-mm-Quadcopter vom Kauf der Teile bis zum Test Ihres Flugroboters bei seinem ersten Flug herstellen.

Darüber hinaus können Sie mit einem Raspberry Pi und einer PiCamera ein Live-Video auf Ihr Gerät streamen und Ihre Drohne in der Ego-Perspektive steuern! Der Raspberry Pi bietet auch die Möglichkeit, Ihre Drohne noch weiter zu verbessern und Funktionen wie Personenverfolgung, Hindernisvermeidung und eine Wetterstation hinzuzufügen. Dieses Tutorial zeigt Ihnen, wie Sie Ihre Drohne dazu bringen, Ihnen zu folgen.

Der Vorteil des Raspberry Pi besteht hauptsächlich darin, dass er einige künstliche Sehalgorithmen für Funktionen verarbeiten kann, die erfordern, dass die Drohne „smart“ist.

In diesem anweisbaren erfahren Sie:

• Welche Werkzeuge/Teile müssen Sie kaufen
• So befestigen Sie alle Teile am Rahmen
• So stellen Sie die Anschlüsse für das Antriebssystem her
• So konfigurieren Sie Ihren Mikrocontroller
• So verbinden Sie den Empfänger mit dem Sender
• So streamen Sie ein von der Drohne aufgenommenes Video auf Ihr Telefon
• So optimieren Sie Ihren PID für eine bessere Kontrolle
• So implementieren Sie Personentracking

Außerdem hat die Drohne eine rote LED, die aufleuchtet, wenn die Drohne nach jemandem sucht, und eine grüne LED, wenn jemand erkannt wird und die Drohne ihm folgt. Es ist auch eine Taste implementiert, um den Pi auszuschalten, bevor das Abklemmen der Batterie an der SD-Karte des Raspberry Pi nicht beschädigt wird.

Dieses Tutorial zielt darauf ab, die Grundlagen für den Bau einer anpassbaren intelligenten Drohne festzulegen. Wenn Sie also ein absoluter Anfänger sind, sind Sie hier genau richtig!

Schritt 1: Übersicht

Um einen Quadcopter zu bauen, benötigen wir 4 Motoren und 4 ESCs (Electronic Speed Controller), die jeweils mit einem Motor verbunden sind. Eine Stromverteilungsplatine wird verwendet, um die Energie von der Batterie auf die 4 ESCs zu verteilen.

Der ESC erhält den Befehl vom Flugregler (hier ein MultiWii-Board) und leitet ihn an den Motor weiter.

Dieser Flugregler verfügt über ein Gyroskop, einen Beschleunigungsmesser und ein Barometer. Sie können auch ein Bluetooth-Modul und ein GPS hinzufügen.

Um die Verbindung zwischen dem Raspberry Pi und dem Flugcontroller herzustellen, verwenden wir einen FTDI-Adapter. Somit können wir von unserem Pi Befehle an den Controller senden. Auch zum Durchführen der PID-Kalibrierung und zum Hochladen der Firmware des Mulltiwii auf den Flugregler ist der FTDI sehr nützlich.

Schließlich steuern wir die Drohne mit einer Fernbedienung, die Befehle an die Empfänger sendet und diese an die Flugsteuerung sendet.

Der Raspberry Pi bietet auch einen Stream, der in jedem Browser von einem Gerät wie beispielsweise einem Telefon aus angezeigt werden kann. Auf diese Weise können wir sehen, was die Pi-Kamera sieht, wenn sie in der Luft ist.

Schritt 2: Sammeln der Teile

Die folgenden Teile sind erforderlich, um dieses Tutorial erfolgreich abzuschließen:

1) Der Rahmen: 4-Achsen-450 F-Rahmen

2) Der Sender und Empfänger: Flysky FS-i6X

3) Der Raspberry Pi: Raspberry Pi 3 Model B Motherboard

4) Die Kamera: PiCamera

5) Der Mikrocontroller: Crius MultiWii SEV2.6

6) Der FTDI: FTDI USB zu TTL / FT232 Konverter

7) Kleine Drähte: Elegoo 120pcs Multicolored Dupont Wire

8) Die Motoren (x4): Liobaba 1100KV 2-4S Brushless Motor

9) Die ESCs (x4): Brushless ESC 30A Brushless ESC Firmware mit 5V 3A UBEC

10) Der Akku: HRB 11.1V 5000mAh 3S 50C-100C LiPo-Akku

11) Die Anschlüsse: Vergoldete Anschlüsse 3,5 mm (x4) und Artrinck XT-60 60A/100A Male Female

12) Die Propeller (x3): FidgetGear 10x4.5 Propeller (Blau)

13) Das Flugregler-Montagepad: Flugregler-Montagepad

14) Einige wärmeschrumpfbare Hüllen: Schrumpfschlauch - SODIAL

15) Drähte: 16GA-Draht

16) Der Lötkolben:Holife Lötkolben-Kit, 60W 110V einstellbares temperaturgesteuertes Schweißwerkzeug

Optional

• Ein Summer: Venom Low Voltage Monitor für 2S bis 8S LiPO Akkus
• Eine Halterung/Rack für den Pi und den Flugcontroller: Box Storage Case für Raspberry Pi
• Verbessern Sie Ihre Löterfahrung mit: Elenco Helping Hands und 60-40 Zinn-Blei-Kolophonium-Kernlot

Die GESAMTkosten all dieser Teile sollten 450,71 CAN$ betragen.

Schritt 3: Löten und Befestigen von Teilen am Rahmen

Zwei Teile müssen gelötet werden:

1. Die ESCs (sie haben keine Anschlüsse an den Extremitäten)
2. Der Stromverteiler (in unserem Fall im Rahmen integriert)

Verwenden Sie die weiblichen Tx-Anschlüsse an den Drähten, die Sie der Verteilungsplatine hinzugefügt haben, die männlichen Tx-Anschlüsse an den seitlichen Drähten der ESCs und die goldenen 3,5-mm-Anschlüsse an den motorseitigen Drähten der ESCs. Vergessen Sie nicht, die Schrumpfhülle zum Isolieren hinzuzufügen (wir möchten keinen blanken Draht sehen).

Hinweis zum Löten:

• Verwenden Sie die flache Eisenspitze mittlerer Größe (in Ihrem Lötset enthalten) und erhitzen Sie den Lötkolben auf 400 °C.
• Reinigen Sie häufig die Spitze des Lötdrahtes mit dem Wasserschwamm.
• Schmelzen Sie zuerst etwas Lötmaterial auf den beiden Oberflächen, die Sie verbinden möchten, kleben Sie sie dann zusammen und fügen Sie mehr Lötmittel hinzu.

Weitere Informationen zum Löten finden Sie auf unserer Website.

Befestigen Sie die Teile am Rahmen:

1. Verwenden Sie zwei Schrauben, um die Motoren an den Enden jedes Arms zu befestigen.
2. Befestigen Sie die Halterung der Elektronik mit Muttern und Schrauben am Rahmen.
3. Fixieren Sie den Pi mit Muttern und Schrauben auf der Halterung.
4. Kleben Sie ein Montagepad (um Vibrationen zu absorbieren) auf die Oberseite der Halterung und kleben Sie Ihr Multiwii darauf. Achten Sie darauf, dass es genau in der Mitte des Rahmens ist und der Pfeil zwischen zwei gleichfarbigen Armen zeigt.
5. Befestigen Sie den Empfänger mit etwas Klettband an der Halterung.
6. Bringen Sie ESCs mit Kabelbinder an jedem Arm an.
7. Verwenden Sie Riemen, um den Akku an der unteren Ebene des Rahmens zu befestigen.
8. Bohren Sie die Propeller und setzen Sie sie mit Hilfe der mitgelieferten Spezialschraube auf die Motoren

Schritt 4: Die Verbindungen

Für den Empfänger:

• Verbinden Sie die Throttle-Pins der MultiWii mit Kanal 3 des Empfängers.
• Schließen Sie die Rollstifte an Kanal 1 des Empfängers an.
• Verbinden Sie die Pitch-Pins mit Kanal 2.
• Verbinden Sie die Yaw-Pins mit Kanal 4.
• Verbinden Sie Auxiliary 1 mit Kanal 5.

Für die ESCs:

Mit Multiwii nach vorne gerichtet und mit schwarzem Kabel der Befehlsanschlüsse des ESC am unteren Pin des Multiwii;

• Verbinden Sie den linken oberen Regler mit D3.
• Verbinden Sie den rechten oberen Regler mit D10.
• Schließen Sie den Regler unten rechts an D9 an.
• Verbinden Sie den linken unteren Regler mit D11.

Für den Pi:

• Schließen Sie die PiCamera an.
• Verbinden Sie das FTDI mit einem Mini-USB/USB-Adapter und verbinden Sie es mit dem Pi, verbinden Sie auch die FTDI-Pins mit den FTDI-Pins der MultiWii.
• Verbinden Sie einen - und + Pin der MultiWii mit 5V und erden Sie die GPIO-Pins des Pi.

Für die Motoren

Standardmäßig drehen sich die Motoren im Gegenuhrzeigersinn (CCW). Für den oberen linken und den unteren rechten Motor müssen Sie also die Kabelverbindung mit dem Regler umkehren (das Schwarze mit dem Rot und das Rot mit dem Schwarz), damit Sie eine Richtung im Uhrzeigersinn (CW) haben.

Schritt 5: Alles konfigurieren

Entfernen Sie Ihre Propeller für die folgenden Schritte.

Programmierung der ESCs:

Der elektronische Geschwindigkeitsregler steuert den Motor und daher stehen viele Optionen zur Verfügung und es liegt an Ihnen, Ihren ESC so anzupassen, dass er sich so verhält, wie Sie es wünschen.

Entfernen Sie alle Kabel, die mit dem Empfänger verbunden sind.

Für jeden ESC:

1. Schließen Sie nur einen Regler an die Stromversorgung an (in unserem Fall an den Verteiler) und stellen Sie sicher, dass die Batterie abgeklemmt ist.
2. Stecken Sie die ESC-Pins in den Gaskanal des Empfängers (in unserem Fall Kanal 3).
3. Schalten Sie Ihren Sender ein.
4. Stellen Sie den Gashebel an Ihrem Sender auf die maximale Position.
5. Schalten Sie den Verteiler ein, indem Sie die Batterie daran anschließen. Sie können auch einige Krokodilklemmen verwenden und die Batterie direkt an den Regler anschließen.
6. Nach einigen Signaltönen sollten Sie einen Musikton mit 4 Signaltönen hören. Stellen Sie nach dieser ersten Musik den Gashebel auf die minimale Position Ihres Senders.
7. Warten Sie die Bestätigung der UBEC durch einen Piepton ab.
8. Schließen Sie den Sender.
9. Trennen Sie die Stromversorgung (trennen Sie den Li-Po-Akku)

Um es zu testen:

1. Schalten Sie den Sender mit minimaler Gasstellung ein.
2. Schließen Sie die Batterie an.
3. Erhöhen Sie den Gashebel allmählich auf maximale Leistung. Der Motor sollte schneller drehen, wenn Sie das Gas erhöhen.

Einrichten der Flugsteuerungsplatine:

Für diesen Schritt können Sie das USB-Kabel des FTDI vom Pi entfernen und in Ihren Computer stecken, um das Board bequemer zu programmieren.

1. Laden Sie die Arduino-Software über die Website auf Ihren Computer herunter.
2. Laden Sie die neueste Version der Multiwii-Firmware herunter und extrahieren Sie sie auf Ihrem Computer.
3. Gehen Sie in den Ordner MultiWii, der zuvor extrahiert wurde, und öffnen Sie dann MultiWii.ino, das Arduino startet.
4. Gehen Sie in Arduino zur Datei config.h, entfernen Sie // vor #define QUADX, um die Art der Konfiguration Ihres Multicopters einzurichten, und vor #define CRIUS_SE_v2_0, um den Typ des Boards auszuwählen.
5. Gehen Sie dann in Tools -> Board -> und wählen Sie Arduino Pro oder Pro Mini aus und stellen Sie sicher, dass in Tools -> Processor -> ATMmega328P (5V, 16MHz) ausgewählt ist.
6. Die letzte Konfiguration, die wir vor dem Hochladen auf das Board vornehmen müssen, ist in Tools -> Port -> Wählen Sie den Port Ihrer MultiWii (COM3 für uns).
7. Klicken Sie auf Verifizieren und dann auf Hochladen.
8. Während der Code auf die Crius MultiWii SE v2.6 hochgeladen wird, sollten die Lichter sowohl auf der Controllerplatine als auch auf der FTDI-Platine blinken.

Kalibrieren Sie die Sensoren auf der Flugsteuerungsplatine:

1. Gehen Sie zum MultiWiiConf-Ordner, der sich im MultiWii-Ordner befindet, der zuvor von ihrer Website heruntergeladen wurde.
2. Gehen Sie dann zu -> Ordner application.windows32 -> doppelklicken Sie auf die MultiWiiConf-Anwendung. (Beachten Sie, dass selbst wenn ich Windows 64bits habe, nur die 32bits-App zu funktionieren scheint).
3. Sie müssen den Port auswählen, an dem Ihr Flugregler angeschlossen ist (in diesem Fall COM3).
4. Klicken Sie auf Lesen.
5. Klicken Sie auf Starten.
6. Legen Sie Ihr Board flach auf den Schreibtisch und klicken Sie dann auf Calib_acc.
7. Klicken Sie auf Calib_mag und dann müssen Sie Ihr Board 30 Sekunden lang so schnell wie möglich in alle Richtungen drehen. Sie sollten überall im Diagramm Spitzen sehen.

Um es zu testen:

Drehen Sie Ihr Board um die Nick-, Roll- und Gierachse und sehen Sie, ob das, was die Sensoren in der Software anzeigen, Sinn macht

Sender einrichten (Fernbedienung):

Zunächst können Sie im Display-Menü überprüfen, welcher Stick welchen Kanal steuert:

1. Stellen Sie vor dem Starten des Controllers sicher, dass alle Schalter oben sind und der Gashebel (linker Stick) unten ist.
2. Starten Sie die Steuerung.
3. Halten Sie die Ok-Taste gedrückt.
4. Gehen Sie in Setup, dann Anzeige.
5. Sie können Ihre Sticks bewegen, um zu sehen, welcher Kanal reagiert.

Bevor Sie fortfahren, wählen Sie ein Modell und einen Namen aus:

1. Gehen Sie zu System -> Modellauswahl -> wählen Sie ein Modell aus.
2. Gehen Sie in System -> Modellname. Und gib ihm einen Namen. Halten Sie Abbrechen gedrückt, um Ihre Änderungen zu speichern.
3. Gehen Sie in System-> Typauswahl und stellen Sie es als Flugzeug oder Segelflugzeug ein, auch wenn es ein Quadrirotor ist.
4. Stellen Sie die Trimmung im Subtrimm-Menü ein. Wenn sich die Knüppel in ihrer neutralen Position befinden, müssen die Kanäle (siehe im Display-Menü) für Gieren, Nicken und Rollen auf 0% stehen.
5. Halten Sie Abbrechen gedrückt, um Ihre Einstellungen zu speichern.

Als nächstes legen wir die Failsafe-Einstellungen fest:

Dies stellt sicher, dass alle Bedienelemente in die neutrale Position gehen, wenn sich die Drohne zu weit vom Controller entfernt und das Signal verloren geht. Dazu müssen wir Kanal 1, 2 und 4 auf 0% setzen und über das Failsafe-Menü Failsafe aktivieren. Wir müssen auch Failsafe am Gashebel aktivieren und auf 100% setzen.

Sie können auch die anderen Schalter Ihres Controllers verwenden, indem Sie sie in System-> Aux aktivieren. Schalter.

Weitere Informationen zu diesem Abschnitt finden Sie auf unserer Website.

Schritt 6: Live-Stream

Der Raspberry Pi ist ein Computer und was Sie mit einem fliegenden Computer machen können, hat nur Ihre Vorstellungskraft begrenzt.

Zum Livestream:

1. Aktivieren Sie die PiCamera. Starten Sie dazu den Pi und schließen Sie eine Maus und einen Monitor an. Klicken Sie oben links auf das rasbian-Logo, gehen Sie in die Einstellungen, dann in die Raspberry Pi-Konfiguration und dann im Schnittstellen-Tab, stellen Sie sicher, dass die Kamera als aktiviert markiert ist. Klicken Sie dann auf OK.
2. Laden Sie das Skript herunter (Quelle des Codes: zufällige Nerd-Tutorials) und legen Sie es in Ihrem Home-Ordner ab.
3. Führen Sie das Skript aus, indem Sie ''python3 rpi_camera_surveillance_system.py'' auf dem Terminal eingeben.

Sobald das Skript ausgeführt wird, können Sie unter https://:8000 auf Ihren Videostream-Webserver zugreifen. Ersetzen Sie durch Ihre eigene Raspberry Pi IP-Adresse, in meinem Fall

Wenn Sie Ihre Pi-IP-Adresse nicht kennen, können Sie sie ermitteln, indem Sie ifconfig in das Terminal eingeben, das Ihnen die Adresse gibt.

Sie können über jedes Gerät, das mit demselben Netzwerk wie der Raspberry Pi verbunden ist, auf das Live-Streaming zugreifen. Sie müssen nur den Browser öffnen.

Sie können dieses Programm auch von Ihrem Smartphone aus starten. Sie müssen nur die Terminus-App installieren (wenn Sie ein IPhone haben).

Um den Stream direkt zu starten, wenn der Pi eingeschaltet ist (also wenn Ihre Drohne eingeschaltet ist), geben Sie auf dem Terminal ein:

sudo nano /home/pi/.bashrc

Gehen Sie dann zur letzten Zeile und fügen Sie hinzu, echo Läuft beim Booten

sudo python3 /home/pi/ rpi_camera_surveillance_system.py

sudo neu starten

Speichern Sie Ihre Datei, indem Sie Strg+X drücken, geben Sie dann Y ein und klicken Sie auf Enter.

Herzlichen Glückwunsch, Ihr Livestream ist jetzt eingestellt! Sie können damit Ihre Nachbarn ausspionieren oder FPV-Rennen machen!

Schritt 7: Die Kunst des PID-Tunings

Sie sind bereit für Ihren ersten Flug. Als erstes sollten Sie Ihre Drohne ohne Propeller ausprobieren, um zu sehen, ob alles gut reagiert.

Dann können Sie Ihre Propeller hinzufügen und sehr langsam beginnen, um das Gas zu erhöhen, um zu sehen, ob Sie abheben können.

Ihre Drohne schwingt wahrscheinlich langsam, vibriert oder die Motoren pfeifen. Dies bedeutet, dass Sie Ihre PID-Einstellungen einrichten müssen!

Dieser Teil dauert eine Weile, wenn Sie eine sehr stabile Drohne wünschen, die gut auf Ihre Befehle reagiert. Die PID-Einstellung ist subjektiv, daher liegt es wirklich an Ihnen, wie Ihre Drohne fliegen soll. Hier ist die Vorgehensweise:

1. Beginnen Sie mit einem niedrigen I beim Nicken und Rollen (0.01) und erhöhen Sie P, bis Sie hochfrequente Schwingungen sehen, und reduzieren Sie es wieder auf den letzten Wert.
2. Erhöhen Sie dann I beim Nicken und Rollen in Schritten von 0,01, bis Sie wieder Vibrationen sehen oder das Gefühl haben, dass Ihre Drohne steif und nicht mehr reagiert. Normalerweise kann Ihnen die Einstellung I helfen, wenn Sie Höhenabfälle und Driften feststellen. Es wirkt den Störungen auf Ihrem System (der Drohne) entgegen.
3. Senken Sie Ihr P zurück, wenn Sie hochfrequente Schwingungen gesehen haben.
4. Verringern Sie Ihr D, wenn Ihre Drohne zu gedämpft erscheint (niedrige Reaktion).

Für die Gierachse können Sie normalerweise die Standardeinstellung belassen, aber wenn Sie das Gefühl haben, dass Ihre Drohne in der Gierachse driftet, können Sie I erhöhen.

Schritt 8: Follow-Me-Funktion

Eine autonome Drohne ist großartig, sie kann fliegen und sich bewegen, ohne sich darum kümmern zu müssen.

Die Drohne in diesem Tutorial kann dies tun, indem sie die Daten verarbeitet, die ihre Sensoren erfassen.

Um eine Funktion wie die Personenverfolgung zu implementieren, müssen Sie:

1. Verwenden Sie die Kamera der Drohne, um ihm dabei zu helfen, seine Umgebung wahrzunehmen.
2. Verwenden Sie einen Algorithmus für künstliches Sehen, um die Umgebung zu analysieren.
3. Planen Sie die Flugbahn der Drohne.
4. Befehlen Sie der Drohne, der Drohne zu folgen.

Genauer gesagt kann die Pi-Kamera einen Live-Stream von Bildern an den Raspberry Pi liefern, der ein Computer mit genügend Leistung ist, um einige Algorithmen für künstliches Sehen auszuführen.

Diese Algorithmen können eine Person auf einem Bild erkennen und die Position dieser Person analysieren. Der Haarkaskadenalgorithmus oder tiefe neuronale Netze können dafür nützliche Algorithmen sein.

Wenn Sie also die Position der zu verfolgenden Person kennen, können Sie planen, wie sich die Motoren bewegen und welche Richtung je nach Position des verfolgten Objekts im Rahmen eingeschlagen werden soll. Wenn sich die zu verfolgende Person beispielsweise rechts von dem von der Pi-Kamera aufgenommenen Bild befindet, gibt der Algorithmus der Drohne den Befehl, nach rechts abzubiegen.

Nachdem die Richtung, in die die Drohne folgen soll, ausgewählt wurde, muss der Raspberry Pi schließlich einen Befehl an die Multiwii senden, um der Drohne zu erlauben, in diese Richtung zu gehen. Um dies zu tun, ist das MSP (Multiwii Serial Protocol) nützlich, um zwischen Ihrem Computer (dem Pi) und Ihrem Flugcontroller zu kommunizieren.

Hier finden Sie im Anhang eine Möglichkeit, das zu codieren.

Eine robustere Methode, die Tensorflow und tiefe neuronale Netze zur Personenerkennung verwendet, wurde auf unserer Website gezeigt.

Sie können sich auch viele andere Möglichkeiten vorstellen, Ihre autonome Drohne zu verbessern, z. B. jedes Mal, wenn er einen Baum oder ein Tier sieht, ein Foto zu machen. Objektvermeidung ist auch möglich, um zu implementieren Sie müssen nur die Drohne so einstellen, dass sie ihr Rennen stoppt, wenn sie näher als eine festgelegte Entfernung von einem Objekt ist.

Außerdem erfahren Sie auf der Website, wie Sie eine LED mit dem Pi verbinden und sie einschalten, wenn die Drohne jemanden erkennt, dem Sie folgen möchten!

Schritt 9: Viel Spaß beim Fliegen

Starten Sie Ihre Drohne und genießen Sie Ihren Flug.

Wenn Sie noch weiter gehen und die Personenverfolgung auf Ihrer Drohne implementieren möchten, finden Sie auf unserer Website ein Tutorial dazu.

Vielen Dank für dieses Tutorial!