Dron de jardinería de inspección de plantas de bricolaje (tricóptero plegable con un presupuesto): 20 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

En nuestra casa de fin de semana tenemos un pequeño jardín con muchas frutas y verduras, pero a veces es difícil seguir el ritmo de cómo cambian las plantas. Necesitan supervisión constante y son muy vulnerables al clima, infecciones, insectos, etc.

Tenía muchas piezas de repuesto multicóptero de proyectos antiguos en mi caja de herramientas, así que decidí diseñar y construir un dron que puede hacer análisis de plantas usando una Rasperry Pi Zero W y su NoIR PiCamera. También quería hacer un video sobre este proyecto, pero eso es bastante difícil al lado de la universidad, así que simplemente subiré el metraje en bruto.

La teoría detrás de las imágenes infrarrojas cercanas

Recomiendo leer este artículo de Wikipedia. En pocas palabras, cuando las plantas funcionan normalmente, reflejan la luz infrarroja que proviene del sol. Muchos animales pueden ver la luz infrarroja, como serpientes y reptiles, pero tu cámara también puede verla (pruébalo con un control remoto de TV). Si quita el filtro de infrarrojos de su cámara, obtendrá una imagen purpúrea y descolorida. Si no quiere romper su cámara, entonces debería probarla con la NoIR PiCamera, que es básicamente la misma que la PiCamera estándar pero no tiene un filtro de infrarrojos integrado. Si coloca el filtro Infrablue debajo de la lente de su cámara, solo obtendrá luz IR en su canal rojo, la luz azul en el canal azul, el verde y el rojo se filtrarán. Usando la fórmula del índice de vegetación de diferencia normalizada para cada píxel, puede obtener un muy buen indicador de la salud y la actividad fotosintética de su planta. Con este proyecto pude escanear nuestro patio trasero e identificar una planta no saludable debajo de nuestro peral.

¿Por qué un tricóptero?

Me gustan un poco más los tricópteros que los quads, por ejemplo, por su eficacia. Tienen tiempos de vuelo más largos, son más baratos y puedes doblarlos, lo que probablemente sea la mejor característica cuando se trata de drones de bricolaje. También disfruto volar con este tricóptero, tienen un control algo parecido a un avión que experimentarás si construyes este dron conmigo. Cuando se trata de tris, el nombre de David Windestal es probablemente el primero en una búsqueda en Google, recomiendo visitar su sitio, también estoy usando su diseño de marco plegable.

Paso 1: metraje de vuelo

Este fue mi segundo vuelo de prueba en el que el helicóptero ya estaba afinado y listo para realizar un análisis de la planta. Tengo algunas grabaciones a bordo de mi cámara de acción, puedes ver nuestro hermoso entorno a vista de pájaro. Si desea ver las grabaciones de NDVI, vaya al último paso de este instructivo. Desafortunadamente, no tuve tiempo de hacer un video completo de cómo guiar en este tricóptero, pero he subido este breve video de prueba de vuelo.

Paso 2: Herramientas y piezas necesarias

Con la excepción de los brazos de madera y el aerosol de pintura, tenía todas las piezas en mi caja de herramientas, por lo que el costo total de este proyecto fue de alrededor de $ 5 para mí, pero intentaré encontrar enlaces de eBay o Banggood a cada pieza que utilicé. Recomiendo encarecidamente buscar las piezas, tal vez pueda obtener un precio mejor que el mío.

Instrumentos

• Soldador
• Herramienta Dremel
• Impresora 3D (no tengo una, mi amigo me ayudó)
• Herramientas de corte
• Cortador de cables
• Super pegamento
• Zip Ties (muchos de ellos, en 2 tamaños)
• Pintura en aerosol (con un color que te guste, yo usé negro)

Partes

1. Controlador de vuelo ArduCopter (utilicé un APM 2.8 antiguo, pero deberías optar por un PixHawk o PIX Mini)
2. Antena GPS con magnetómetro
3. Módulo de telelemetría MAVLink (para la comunicación de la estación terrestre)
4. Receptor + Transmisor 6CH
5. Transmisor de video
6. Servomotor (al menos 1,5 kg de par)
7. Hélices de 10 "(2 CCW, 1 CW + extra para reemplazo)
8. 3 ESCs SimonK 30A (controlador electrónico de velocidad) + 3 motores 920kv
9. Batería 3S 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (viene con filtro infrablue)
11. 2 correas de batería
12. Soportes de amortiguación de vibraciones
13. Plumas de madera cuadradas de 1,2 cm (compré una varilla de 1,2 metros)
14. Placa de lamina de madera de 2-3 mm de espesor
15. Cámara de acción (utilicé un clon de GoPro con capacidad 4k - SJCAM 5000x)

Estas son las partes que utilicé para mi dron, siéntete libre de modificarlo a tu gusto. Si no está seguro de qué usar, deje un comentario e intentaré ayudarlo. Nota: utilicé la placa APM descontinuada como controlador de vuelo, porque tenía una de repuesto. Vuela bien, pero esta placa ya no es compatible, por lo que probablemente debería obtener otro controlador de vuelo que sea compatible con ArduCopter para obtener excelentes funciones de GPS.

Paso 3: cortar el marco

Descargue el archivo del marco, imprímalo y recórtelo. Verifique si el tamaño impreso es correcto y luego use un bolígrafo para marcar la forma y los agujeros en la placa de madera. Use una sierra para cortar el marco y taladre los agujeros con una broca de 3 mm. Solo necesitará dos de estos, solo hice 4 como piezas de repuesto.

Paso 4: ensamble el marco

Usé tornillos y tuercas de 3 mm para ensamblar el marco. Corté cada brazo de 35 cm de largo y dejé uno de 3 cm de largo en la parte delantera del marco. No apriete demasiado las articulaciones, pero asegúrese de que haya suficiente fricción para que los brazos no se doblen. Este es un diseño realmente inteligente, me estrellé dos veces y nada, solo los brazos doblados hacia atrás.

Paso 5: Perforación de orificios para los motores

Verifique el tamaño de los tornillos de su motor y la distancia entre ellos, luego taladre dos agujeros en los brazos de madera izquierdo y derecho. Tuve que perforar un agujero de 5 mm de profundidad y 8 mm de ancho en los brazos para que los ejes tuvieran suficiente espacio para girar. Use un papel de lija para quitar esas pequeñas astillas y soplar el polvo. No desea polvo en sus motores porque eso puede causar fricción y calor innecesarios.

Paso 6: Soporte GPS plegable

Tuve que perforar agujeros adicionales para mi antena GPS para un buen ajuste. Debe colocar la brújula en alto para que no interfiera con el campo magnético de los motores y cables. Esta es una antena plegable simple que me ayuda a mantener mi configuración lo más compacta posible.

Paso 7: pintar el marco

Ahora tienes que desatornillar todo y hacer el trabajo de pintura. Terminé eligiendo este spray de color negro intenso mate. Enganché las partes en un hilo y simplemente las pinté. Para obtener un resultado realmente bueno, use 2 o más capas de pintura. La primera capa probablemente se verá un poco lavada porque la madera absorberá la humedad. Bueno, eso pasó en mi caso.

Paso 8: Montaje de la plataforma amortiguadora de vibraciones

Tenía esta plataforma de soporte de cardán que en mi construcción también funciona como soporte de batería. Tienes que montar esto debajo de tu marco con bridas y / o tornillos. El peso de la batería ayuda a absorber muchas vibraciones, por lo que obtendrás un metraje de cámara realmente agradable. También puede montar algunos trenes de aterrizaje en las varillas de plástico, sentí que era innecesario. Este color negro funcionó bien, en este punto debería tener un marco atractivo y es hora de configurar su controlador de vuelo.

Paso 9: Configuración de ArduCopter

Para configurar el controlador de vuelo, necesitará un software gratuito adicional. Descargue Mission Planner en Windows o APM Planner en Mac OS. Cuando conecte su controlador de vuelo y abra el software, un asistente del asistente instalará el último firmware en su placa. También lo ayudará a calibrar su brújula, acelerómetro, controlador de radio y modos de vuelo.

Modos de vuelo

Recomiendo usar Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home y Land como sus seis modos de vuelo. Circle es realmente útil cuando se trata de inspección de plantas. Va a orbitar alrededor de una coordenada determinada, por lo que ayuda a analizar sus plantas desde todos los ángulos de una manera muy precisa. Puedo orbitar con los palos, pero es difícil mantener un círculo perfecto. Loiter es como estacionar su dron en el cielo, por lo que puede tomar fotografías NDVI de alta resolución y el RTH es útil si pierde la señal o la orientación de su dron.

Preste atención a su cableado. Use el esquema para conectar sus ESC en los pines correctos y verifique en Mission Planner el cableado de sus canales de entrada. ¡Nunca pruebes estos con accesorios puestos!

Paso 10: instalación del GPS, la cámara y el controlador de vuelo

Una vez que su controlador de vuelo esté calibrado, puede usar un poco de cinta de espuma e instalarlo en el medio de su marco. Asegúrese de que esté mirando hacia adelante y tenga suficiente espacio para los cables. Monte el GPS con tornillos de 3 mm y use bridas para mantener su cámara en su lugar. Estos clones de GoPro vienen con todas las utilidades de montaje, por lo que fue bastante sencillo instalar este.

Paso 11: ESC y cable de alimentación

Mis baterías tienen un conector XT60, así que soldé 3 cables positivos y 3 negativos a cada pin de un conector hembra. Use un tubo termorretráctil para proteger las conexiones contra cortocircuitos (también puede usar cinta aislante). Cuando suelde estos cables gruesos, frótelos y fíjelos con un cable de cobre y luego agregue mucha soldadura fundida. No desea uniones de soldadura en frío, especialmente al encender los ESC.

Paso 12: receptor y antenas

Para tener una buena recepción de señal tienes que montar tus antenas en 90 grados. Usé bridas y tubos termorretráctiles para montar las antenas de mi receptor en la parte delantera de mi dron. La mayoría de los receptores vienen con cables y los canales están etiquetados, por lo que debería ser fácil de configurar.

Paso 13: El mecanismo de cola

El mecanismo de cola es el alma de un tricóptero. Encontré este diseño en línea, así que lo probé. Sentí que el diseño original era un poco débil, pero si inviertes el mecanismo, funciona perfectamente. Corté la parte sobrante con una herramienta dremel. En la imagen puede parecer que mi servomotor está sufriendo un poco, pero funciona a la perfección. Use una pequeña gota de pegamento cuando apriete los tornillos para que no se caigan debido a las vibraciones; o puedes atar los motores con cremallera como hice yo.

Paso 14: Realización de una prueba de desplazamiento y ajuste de PID

Verifique todas sus conexiones y asegúrese de no freír nada al enchufar la batería. Instale sus hélices e intente flotar con su dron. La mía fue bastante suave desde el primer momento, solo tuve que hacer un pequeño ajuste de guiñada porque estaba corrigiendo demasiado. No puedo enseñar el ajuste de PID en este Instructable, aprendí casi todo del video tutorial de Joshua Bardwell. Explicó esto mucho mejor que yo.

Paso 15: Elija una frambuesa e instale Raspbian (Jessie)

Quería mantener esto lo más liviano posible, así que elegí el RPi Zero W. Estoy usando Raspbian Jessie porque las versiones más nuevas tenían algunos problemas con OpenCV que usamos para calcular el índice de vegetación a partir del metraje sin procesar. Si desea una tasa de FPS más alta, debe elegir la Raspberry Pi v4. Puede descargar el software aquí.

Instalación de dependencias

Usaremos PiCamera, OpenCV y Numpy en este proyecto. Como sensor de imagen, elegí la cámara más pequeña de 5MP que solo es compatible con las placas Zero.

1. Muestra tu imagen con tu herramienta favorita (me gusta Balena Etcher).
2. Inicie su Raspberry con un monitor conectado.
3. Habilite las interfaces de cámara y SSH.
4. Verifique su dirección IP con ifconfig en la terminal.
5. SSH en su RPi con el comando ssh pi @ YOUR_IP.
6. Copie y pegue las instrucciones para instalar los softwares necesarios:

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 (para probarlo) import cv2 cv2._ version_

Debería ver una respuesta con el número de versión de su biblioteca OpenCV.

Paso 16: Prueba de la cámara NoIR y las imágenes NDVI

Apague su placa RPi, inserte la cámara y luego podemos intentar hacer algunas imágenes NDVI con ella. Puedes ver en la flor (la que tiene un fondo rojo), que las partes más verdes del interior muestran algo de actividad fotosintética. Esta fue mi primera prueba, que se realizó con Infragram. Aprendí todas las fórmulas y el mapeo de colores en su sitio para escribir un código completamente funcional. Para hacer las cosas más automatizadas, hice un script de Python que captura cuadros, calcula las imágenes NDVI y las guarda en 1080p en el helicóptero.

Estas imágenes tendrán un mapa de colores extraño y se verán como si fueran de otro planeta. Haga algunas pruebas, cambie algunas variables, ajuste su sensor antes de la primera misión.

Paso 17: instalación del RPi Zero W en el dron

Instalé el Pi Zero en la parte delantera del tricóptero. Puedes mirar tu cámara hacia adelante como lo hice yo o también hacia abajo. La razón por la que la mía está mirando hacia adelante es para mostrar la diferencia entre las plantas y otros objetos no fotosintéticos. Nota: Puede suceder que algunas superficies reflejen luz IR o sean más cálidas que el entorno, lo que hace que tengan un color amarillo brillante.

Paso 18: Agregar un transmisor de video (opcional)

Tenía este VTx tirado también, así que instalado en el brazo trasero de mi helicóptero. Este tiene un alcance de 2000 metros pero no lo he usado mientras hacía pruebas. Solo hice un vuelo FPV por diversión. Cuando no lo uso, los cables se quitan, de lo contrario, están ocultos debajo del marco para mantener mi construcción agradable y limpia.

Paso 19: Análisis de la planta

Hice dos vuelos de 25 minutos para un análisis adecuado. La mayoría de nuestras verduras parecían estar bien, las papas necesitaban un poco de cuidado y riego adicionales. Ir a comprobarlo que ayudó en unos días. Se ven bastante verdes en la imagen en comparación con los árboles naranjos y rosados.

Me gusta hacer vuelos en círculo para poder examinar las plantas desde todos los ángulos. Puede ver claramente que debajo de los árboles frutales algunas verduras no reciben suficiente luz solar, lo que las hace volverse azules o negras en las imágenes del NDVI. No es un problema si una parte del árbol no recibe suficiente luz solar en un momento del día, pero es malo si toda la planta se vuelve blanco y negro.

Paso 20: Vuela seguro;)

Gracias por leer este Instructable, espero que algunos de ustedes intenten hacer experimentos con imágenes NDVI o con drones de construcción. Me divertí mucho haciendo este proyecto desde cero con piezas de madera, si también te gustó, puedes considerar ayudarme con tu amable voto. ¡Vuela seguro, nunca por encima de la gente y disfruta del pasatiempo!

Primer premio en el desafío Make It Fly