Drone autónomo: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

En este proyecto, aprenderá el proceso de construcción y configuración de un dron, antes de pasar a investigar el vuelo autónomo utilizando Mission Planner y MATLAB.

Tenga en cuenta que este instructivo es solo una guía. El uso de drones puede ser muy peligroso con las personas y puede causarle serios problemas con la ley si se usa de manera inapropiada o en el lugar equivocado. Asegúrese de cumplir con todas las leyes y regulaciones que rodean el uso de drones. Además, los códigos proporcionados en GitHub no se han probado completamente, así que asegúrese de tener otros dispositivos de seguridad en su lugar para evitar perder o dañar su dron.

Paso 1: Lista de piezas

Para este proyecto necesitará varias piezas. Antes de continuar con el resto de este proyecto, asegúrese de comprar los siguientes componentes y descargar los archivos para imprimir en 3D y cortar con láser las piezas personalizadas.

Partes compradas

Cuadro: DJI F450 Flame Wheel

www.buildyourowndrone.co.uk/dji-f450-flam…

PDB: Matek PDB-XT60

www.unmannedtechshop.co.uk/matek-pdb-xt60…

Motores x4: Emax 2205s 2300kv

www.unmannedtechshop.co.uk/rs2205-s-races…

Hélices x4: Gemfan Carbon / Nylon 5030

hobbyking.com/en_us/gemfan-propeller-5x3-…

ESCs x4: Abejita 20A 2-4S

hobbyking.com/en_us/favourite-little-bee-…

Controlador de vuelo: Navio 2 (con antena GPS / GNSS y módulo de potencia)

Frambuesa Pi 3B

thepihut.com/collections/raspberry-pi/pro…

Transmisor: FRSKY TARANIS X9D +

www.unmannedtechshop.co.uk/frsky-taranis-…

Receptor: FrSky XSR 2.4 Ghz ACCST

hobbyking.com/en_us/xsr-eu-lbt.html?_st…

Baterías: TATTU 1800mAh 14.8V 45C 4S1P Lipo Battery Pack

www.unmannedtechshop.co.uk/tattu-1800mah-…

Cargador de batería: Turnigy Accucell-6 50W 6A Balancer / Charger

hobbyking.com/en_us/turnigy-accucell-6-50…

Fuente de alimentación para cargador: Fuente de alimentación RS 12V DC

uk.rs-online.com/web/p/plug-in-power-supp…

Bolsas de batería: Paquete de carga de polímero de litio Hobby King

hobbyking.com/en_us/lithium-polymer-charg…

Conectores banana

www.amazon.co.uk/gp/product/B013ZPUXZS/re…

Enrutador WiFi: TP-LINK TL-WR802N

www.amazon.co.uk/TP-LINK-TL-WR802N-Wirele…

Tarjeta Micro SD: SanDisk 32GB

www.amazon.co.uk/SanDisk-microSDHC-Memory…

Separadores / espaciadores: hilo de nailon M2.5

thepihut.com/products/adafruit-black-nylon…

Ordenador portátil

Sujetacables

Correa de velcro

Encogimiento de calor

Piezas impresas en 3D

Estuche para Raspberry Pi / Navio 2 (superior e inferior)

Caja de batería (caja y tapa)

Piezas cortadas con láser

Capas de electrónica x2

Paso 2: hardware

Fase de hardware y construcción:

1. Ensamble el marco del quadrotor F450 y la carcasa de la batería impresa en el medio (asegúrese de agregar los espaciadores M2.5 * 5 mm)
2. Conecte los motores al marco.
3. Suelde los conectores banana a los ESC y los cables de los motores.
4. Suelde los ESC y el módulo de potencia a la PDB. Nota: asegúrese de no utilizar la salida de 5 V de la PDB (no proporcionará suficiente energía).
5. Agregue la primera capa cortada con láser a la parte superior del marco F450 usando espaciadores macho-hembra M2.5 * 10 mm; y conecte la PDB y el módulo de alimentación a esta capa. Nota: asegúrese de colocar los componentes de manera que los cables alcancen la longitud suficiente para todos los motores.
6. Conecte los ESC a los motores y use bridas para asegurar los cables al marco.
7. Conecte el Navio2 a la Raspberry Pi y colóquelo en la carcasa impresa.
8. Agregue la segunda capa cortada con láser encima de la primera capa y coloque la carcasa Raspberry-Navio con almohadillas adhesivas de doble cara.
9. El GPS se puede pegar en la parte superior de la carcasa, sin embargo, aquí se ha colocado en otra tercera capa que va encima de la carcasa de la Raspberry-Navio como se muestra en las imágenes, pero depende totalmente de la persona que lo está construyendo. Luego, simplemente conecte el GPS al Navio.
10. Fije el receptor en la parte superior de la segunda capa con almohadillas adhesivas de doble cara. Conecte los ESC y los cables del receptor a los pines Navio. El receptor ocupa la primera columna de pines y luego los motores ocupan las siguientes cuatro columnas. Nota: La parte delantera del dron está determinada por el motor que se conecta primero. Cualquiera que sea la dirección frontal que elija, asegúrese de que los motores estén conectados en la imagen al comienzo de este paso.
11. Agrega hélices. Se recomienda dejar las hélices hasta el final, es decir, después de terminar la sección de software y siempre asegúrese de tomar precauciones de seguridad cuando las hélices estén encendidas en caso de que algo salga mal.

Paso 3: software

Fase de software: (Documentos de referencia de Navio2)

1. Obtenga la última imagen Emlid Raspbian de los documentos de Navio2.
2. Descargue, extraiga y ejecute Etcher con derechos de administrador.
3. Seleccione el archivo de almacenamiento con la imagen y la letra de la unidad de la tarjeta SD.
4. Haga clic en "¡Flash!". El proceso puede tardar unos minutos. (Video de ejemplo)
5. Ahora para configurar el acceso WiFi necesitamos editar el archivo wpa_supplicant.conf ubicado en la tarjeta SD. Edítelo para que se vea como la primera imagen en la parte superior de este paso. Nota: el ssid es el nombre de TP-Link tal como aparece en su computadora. La mejor manera de encontrar el ssid exacto para su TP-Link es conectar su computadora portátil al TP-Link y luego ejecutar el siguiente comando en una ventana de terminal:

Para windows: netsh wlan show profiles

Para mac: lea los valores predeterminados /Library/Preferences/SystemConfiguration/com.apple.airport.preferences | grep SSIDString

psk es la contraseña proporcionada en la tarjeta que viene con TP-Link.

1. Expulsa la tarjeta SD y colócala en la Raspberry Pi y enciéndela.
2. Para verificar si la Raspberry Pi está conectada al TP-Link, puede usar cualquiera de las aplicaciones disponibles que muestran todos los dispositivos conectados a su red.
3. Es necesario configurar direcciones IP fijas para los dispositivos conectados a su TP-Link para que no necesite cambiar las direcciones IP en los códigos que escribe cada vez. Simplemente puede hacerlo abriendo tplinkwifi.net (mientras está conectado al TP-Link, por supuesto). Ingrese el nombre de usuario: admin y la contraseña: admin. Vaya a "DHCP" en el menú a la izquierda de la pantalla y luego seleccione "Reserva de dirección" en el menú desplegable. Agregue las direcciones MAC de los dispositivos para los que desea asignar las direcciones IP. Aquí a la estación de tierra (Laptop) se le ha asignado una dirección IP de 192.168.0.110 y la Raspberry Pi 192.168.0.111.
4. Ahora necesitamos descargar MAVProxy desde el siguiente enlace.
5. Ahora cree un archivo.bat que se parezca a la segunda imagen en la parte superior de este paso, y asegúrese de usar la ruta del archivo donde está guardado su mavproxy.exe en su computadora portátil. Deberá ejecutar este archivo (haciendo doble clic en él) cada vez que desee conectarse a su dron.
6. Para que la Raspberry Pi se comunique con MAVProxy, se debe editar un archivo en la Pi.
7. Escribe sudo nano / etc / default / arducopter en la terminal Linux de la Raspberry Pi que aloja el piloto automático Navio2.
8. La línea superior del archivo que se abre debe leer TELEM1 =”- A udp: 127.0.0.1: 14550”. Esto debe cambiarse para que apunte a la dirección IP de su PC.
9. Instale Mission Planner y vaya a la sección Configuración inicial.

Paso 4: Configuración inicial

Para conectarse a su UAV, siga este procedimiento:

1. Ejecute su archivo.bat MAVProxy y Mission Planner.
2. Conecte la batería a su UAV y espere aproximadamente de 30 a 60 segundos. Esto le dará tiempo para conectarse a la red inalámbrica.
3. Haz clic en el botón de conexión en la parte superior derecha de Mission Planner. En el primer cuadro de diálogo que aparece, escriba 127.0.0.1 y haga clic en Aceptar. En el siguiente cuadro, escriba el número de puerto 14551 y haga clic en Aceptar. Después de unos segundos, Mission Planner debería conectarse a su MAV y comenzar a mostrar datos de telemetría en el panel izquierdo.

Cuando configura su UAV por primera vez, es necesario configurar y calibrar ciertos componentes de hardware. Los documentos de ArduCopter tienen una guía completa sobre cómo configurar el tipo de marco, la calibración de la brújula, la calibración del control de radio, la calibración del acelerómetro, la configuración del modo de transmisor rc, la calibración del ESC y la configuración del rango del motor.

Dependiendo de cómo haya montado su Raspberry Pi en el dron, puede ser necesario cambiar la orientación de la placa en el planificador de misiones. Esto se puede hacer ajustando el parámetro de Orientación de la placa (AHRS_ORIENTATION) en la lista de parámetros avanzados en la pestaña Configuración / Ajuste en Mission Planner.

Paso 5: primer vuelo

Una vez que el hardware y el software están listos, es hora de prepararse para el primer vuelo. Se recomienda que antes de probar el vuelo autónomo, el UAV debe volar manualmente utilizando el transmisor para tener una idea del manejo de la aeronave y solucionar cualquier problema que pueda existir.

La documentación de ArduCopter tiene una sección muy detallada e informativa sobre su primer vuelo. Se analizan los distintos modos de vuelo que vienen con ArduCopter y lo que hace cada uno de estos modos. Para el primer vuelo, el modo de estabilización es el modo de vuelo más apropiado para usar.

ArduCopter tiene muchas características de seguridad integradas. Una de estas características son las comprobaciones de seguridad previas al armado, que evitan que la aeronave se arme si se detecta algún problema. La mayoría de estos controles son importantes para ayudar a reducir la posibilidad de un accidente o pérdida de la aeronave, pero pueden desactivarse si es necesario.

El armado de los motores es cuando el piloto automático aplica energía a los motores para permitirles girar. Antes de armar los motores, es esencial que la aeronave esté en un área despejada, lejos de personas u obstáculos o en una pista de vuelo segura. También es muy importante que no haya nada cerca de las hélices, especialmente partes del cuerpo y otras cosas que puedan resultar dañadas por ellas. Una vez que todo esté despejado y el piloto esté satisfecho de que es seguro arrancar, los motores pueden armarse. Esta página ofrece un conjunto detallado de instrucciones sobre cómo armar la aeronave. Las únicas diferencias entre esa guía y el Navio2 se encuentran en el paso 7 del armado y el paso 2 del desarmado. Para armar el Navio2, ambos palos deben mantenerse presionados y en el centro durante unos segundos (ver imagen). Para desarmar, ambos palos deben mantenerse hacia abajo y hacia los lados durante unos segundos (ver imagen).

Para realizar su primer vuelo, siga esta guía.

Después del primer vuelo, puede ser necesario realizar algunos cambios. Siempre que el hardware esté en pleno funcionamiento y se haya configurado correctamente, estos cambios se realizarán principalmente en forma de ajuste de PID. Esta guía tiene algunos consejos útiles para ajustar el cuadricóptero; sin embargo, en nuestro caso, simplemente reducir ligeramente la ganancia P fue suficiente para estabilizar la aeronave. Una vez que la aeronave se puede volar, es posible utilizar la función de autoajuste de ArduCopter. Esto sintoniza automáticamente los PID para proporcionar la respuesta más rápida sin dejar de ser estable. La documentación de ArduCopter proporciona una guía detallada de cómo realizar el autoajuste.

Si encuentra problemas en cualquiera de estos pasos, la guía de solución de problemas puede ayudarlo.

Paso 6: Vuelo autónomo

Planificador de misiones

Ahora que su helicóptero ha sido afinado y puede volar bien bajo control manual, se puede investigar el vuelo autónomo.

La forma más fácil de iniciar un vuelo autónomo es utilizar Mission Planner, ya que contiene una gran variedad de cosas que puede hacer con su avión. El vuelo autónomo en Mission Planner se divide en dos categorías principales; misiones planificadas previamente (modo automático) y misiones en vivo (modo guiado). La pantalla del planificador de vuelos en el planificador de misiones se puede utilizar para planificar un vuelo que consta de puntos de referencia para visitar y acciones a realizar, como tomar fotos. Los puntos de ruta se pueden elegir manualmente o la herramienta de puntos de ruta automática se puede utilizar para generar misiones para inspeccionar un área. Una vez que se ha planificado una misión y se ha enviado al dron, se puede utilizar el modo de vuelo automático para que la aeronave siga de forma autónoma la misión planificada previamente. Aquí hay una guía útil sobre la planificación de misiones.

El modo guiado es una forma de ordenar interactivamente al UAV que haga ciertas cosas. Esto se hace usando la pestaña de acciones en Mission Planner o haciendo clic derecho en el mapa. Se puede ordenar al UAV que haga muchas cosas, como despegar, volver al lanzamiento y volar a una ubicación elegida haciendo clic con el botón derecho en el mapa en la ubicación deseada y seleccionando Volar aquí.

Los dispositivos de seguridad son un aspecto importante a tener en cuenta durante el vuelo autónomo para garantizar que, si las cosas van mal, la aeronave no se dañe y las personas no resulten heridas. Mission Planner tiene una función Geo-Fence incorporada que se puede usar para limitar dónde puede volar el UAV y evitar que se aleje demasiado o se eleve demasiado. Puede valer la pena considerar atar el UAV al suelo para sus primeros vuelos como otro respaldo. Finalmente, es importante que tenga su transmisor de radio encendido y conectado al dron para que, si es necesario, pueda cambiar del modo de vuelo autónomo a un modo de vuelo manual, como estabilizar o mantener alternativo para que el UAV pueda ser pilotado de manera segura. aterrizar.

MATLAB

El control autónomo con MATLAB es mucho menos simple y requiere algunos conocimientos de programación previos.

Los scripts de MATLAB real_search_polygon y real_search le permiten generar misiones planificadas previamente para buscar un polígono definido por el usuario. El script real_search_polygon planifica una ruta sobre el polígono definido por el usuario, mientras que el script real_search planifica una ruta sobre el rectángulo mínimo que abarca el polígono. Los pasos para hacer esto son los siguientes:

1. Abre Mission Planner y ve a la ventana Flight Plan.
2. Dibuja un polígono sobre el área de búsqueda deseada usando la herramienta de polígono.
3. Guarde el polígono como "search_area.poly" en la misma carpeta que el script MATLAB.
4. Vaya a MATLAB y ejecute real_search_polygon o real_search. Asegúrese de elegir el ancho de ruta deseado y cambie file_path en la línea 7 al directorio correcto donde está trabajando.
5. Una vez que se haya ejecutado el script y esté satisfecho con la ruta generada, vuelva a Mission Planner.
6. Haga clic en Cargar archivo WP en el lado derecho y elija el archivo de punto de ruta "search_waypoints.txt" que acaba de crear.
7. Haga clic en Escribir WP en el lado derecho para enviar los puntos de referencia al dron.
8. Arme el dron y despegue manualmente o haciendo clic derecho en el mapa y seleccionando despegue.
9. Una vez que esté a una altura razonable, cambie el modo a automático y el dron comenzará la misión.
10. Una vez finalizada la misión, haga clic en RTL en la pestaña de acciones para llevar el dron al sitio de lanzamiento.

El video al comienzo de este paso es una simulación en Mission Planner del UAV buscando un área.

Paso 7: Visión

La misión del dron es volar sobre montañas o áreas silvestres y detectar humanos u objetos irregulares y luego procesarlos para ver si esa persona necesita ayuda. Idealmente, esto se haría utilizando una costosa cámara de infrarrojos. Sin embargo, debido a los altos costos de las cámaras de infrarrojos, en cambio, la detección de infrarrojos se asemeja al detectar todos los objetos que no son verdes con una cámara Pi normal.

1. ssh en la Raspberry Pi
2. En primer lugar, debemos instalar OpenCV en la Raspberry Pi. La siguiente guía proporcionada por pyimagesearch es una de las mejores disponibles en Internet.
3. Descargue el código en la Raspberry Pi desde GitHub a través del siguiente enlace. Para descargar el código en la Raspberry Pi, puede descargar el archivo en su computadora y luego transferirlo a la Raspberry Pi.
4. Para ejecutar el código, vaya al directorio donde está el código en la Raspberry Pi y luego ejecute el comando:

python colour_target_detection.py --conf conf.json

USO CONTINUO Cada vez que reinicia la Raspberry Pi, debe ejecutar los siguientes comandos:

sudo ssh [email protected] -X

fuente ~ /.profile

trabajar en cv

Luego continúe con el paso 4 anterior.

Nota importante: NO todos los terminales pueden mostrar videos. En mac, use la terminal XQuartz.