طائرة بدون طيار لتفتيش النباتات ذاتية الصنع (قابلة للطي بميزانية محدودة): 20 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

في منزل عطلة نهاية الأسبوع لدينا حديقة صغيرة لطيفة بها الكثير من الفواكه والخضروات ولكن في بعض الأحيان يكون من الصعب مواكبة كيفية تغير النباتات. يحتاجون إلى إشراف مستمر وهم معرضون جدًا للطقس والالتهابات والحشرات وما إلى ذلك …

كان لدي الكثير من قطع غيار الطائرات العمودية المتعددة من المشاريع القديمة الموجودة في صندوق الأدوات الخاص بي ، لذلك قررت تصميم وبناء طائرة بدون طيار يمكنها إجراء تحليل للمصنع باستخدام Rasperry Pi Zero W و NoIR PiCamera. أردت أيضًا إنشاء مقطع فيديو حول هذا المشروع ، لكن هذا صعب جدًا بجانب الجامعة ، لذا سأقوم بتحميل اللقطات الأولية.

النظرية وراء التصوير بالأشعة تحت الحمراء القريبة

أوصي بقراءة مقال ويكيبيديا هذا. قصة قصيرة طويلة ، عندما تعمل النباتات بشكل طبيعي فإنها تعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء القادم من الشمس. يمكن أن ترى الكثير من الحيوانات ضوء الأشعة تحت الحمراء ، مثل الثعابين والزواحف ، ولكن يمكن للكاميرا رؤيتها أيضًا (جربها باستخدام جهاز التحكم عن بعد في التلفزيون). إذا قمت بإزالة مرشح الأشعة تحت الحمراء من الكاميرا ، فستحصل على صورة أرجوانية باهتة. إذا كنت لا ترغب في كسر الكاميرا ، فعليك تجربتها مع NoIR PiCamera ، والتي هي في الأساس نفس PiCamera القياسية ولكن لا تحتوي على مرشح IR مدمج. إذا قمت بوضع مرشح infrablue أسفل عدسة الكاميرا الخاصة بك ، فستحصل فقط على ضوء الأشعة تحت الحمراء على قناتك الحمراء ، والضوء الأزرق على القناة الزرقاء ، والأخضر والأحمر يتم تصفيته. باستخدام صيغة فهرس الغطاء النباتي للفرق الطبيعي لكل بكسل ، يمكنك الحصول على مؤشر جيد جدًا على صحة النبات ونشاط التمثيل الضوئي. بفضل هذا المشروع ، تمكنت من مسح الفناء الخلفي لمنزلنا والتعرف على نبات غير صحي تحت شجرة الكمثرى.

لماذا تريكوبتر؟

أنا أحب المركبات ثلاثية المروحيات أكثر قليلاً من الكواد على سبيل المثال بسبب كفاءتها. لديهم أوقات طيران أطول ، وهي أرخص ويمكنك طيها والتي ربما تكون أفضل ميزة عندما يتعلق الأمر بالطائرات بدون طيار. أنا أيضًا أستمتع بالطيران مع هذه الطائرة ثلاثية المروحية ، فلديهم نوعًا ما التحكم في "الطائرة" التي ستختبرها إذا قمت ببناء هذه الطائرة بدون طيار معي. عندما يتعلق الأمر باسم tris David Windestal ، فمن المحتمل أن يكون اسم Tris هو الأول في بحث Google ، أوصي بمراجعة موقعه ، فأنا أستخدم تصميم الإطار القابل للطي أيضًا.

الخطوة 1: لقطات الرحلة

كانت هذه ثاني رحلتي التجريبية حيث تم ضبط المروحية بالفعل وجاهزة لتحليل المصنع. لدي بعض التسجيلات على متن الكاميرا من كاميرا الحركة الخاصة بي ، يمكنك التحقق من محيطنا الجميل من عين الطائر. إذا كنت تريد مشاهدة تسجيلات NDVI ، فانتقل إلى الخطوة الأخيرة من هذا الدليل. لسوء الحظ ، لم يكن لدي الوقت الكافي لعمل شرح كامل لكيفية توجيه الفيديو على هذا التريكوبتر ، لكنني قمت بتحميل هذا الفيديو القصير لاختبار الطيران.

الخطوة 2: الأدوات والأجزاء المطلوبة

باستثناء الأذرع الخشبية ورذاذ الطلاء ، كان لدي كل جزء في صندوق الأدوات الخاص بي ، لذلك كانت التكلفة الإجمالية لهذا المشروع حوالي 5 دولارات بالنسبة لي ، لكنني سأحاول العثور على روابط eBay أو Banggood لكل جزء استخدمته. أوصي بشدة بالبحث عن الأجزاء ، ربما يمكنك الحصول على سعر أفضل مما فعلت.

أدوات

• لحام حديد
• أداة دريميل
• طابعة ثلاثية الأبعاد (ليس لدي واحدة ، ساعدني صديقي)
• أدوات القطع
• قاطع الاسلاك
• صمغ ممتاز
• روابط مضغوطة (الكثير منها ، بمقاسين)
• رذاذ الطلاء (بلون يعجبك - استخدمت اللون الأسود)

القطع

1. ArduCopter Flight Controller (لقد استخدمت APM 2.8 قديمًا ، ولكن يجب أن تختار PixHawk أو PIX Mini)
2. هوائي GPS مع مقياس المغناطيسية
3. وحدة القياس عن بعد MAVLink (لاتصالات المحطة الأرضية)
4. جهاز استقبال 6CH + جهاز إرسال
5. مرسل فيديو
6. محرك سيرفو (عزم دوران 1.5 كجم على الأقل)
7. مراوح 10 بوصة (2 CCW ، 1 CW + إضافية للاستبدال)
8. 3 30A SimonK ESCs (متحكم السرعة الإلكتروني) + 3920kv محركات
9. بطارية 3S 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (يأتي مع مرشح Infrablue)
11. عدد 2 أحزمة بطارية
12. يتصاعد التخميد الاهتزاز
13. أذرع خشبية مربعة الشكل مقاس 1.2 سم (اشتريت قضيبًا بطول 1.2 متر)
14. 2-3 مللي متر لوحة خشبية سميكة
15. كاميرا الحركة (استخدمت نسخة GoPro قادرة على 4K - SJCAM 5000x)

هذه هي الأجزاء التي استخدمتها لطائرة بدون طيار ، فلا تتردد في تعديلها حسب رغبتك. إذا لم تكن متأكدًا مما يجب استخدامه ، فاترك تعليقًا وسأحاول مساعدتك. ملاحظة: لقد استخدمت لوحة APM المتوقفة كوحدة تحكم طيران ، لأن لديّ قطعة احتياطية واحدة. يطير بشكل جيد ، ولكن هذه اللوحة لم تعد مدعومة ، لذا من المحتمل أن تحصل على وحدة تحكم طيران أخرى متوافقة مع ArduCopter لميزات GPS الرائعة.

الخطوة 3: قص الإطار

قم بتنزيل ملف الإطار وطباعته وقصه. تحقق مما إذا كان الحجم المطبوع صحيحًا ثم استخدم قلمًا لتحديد الشكل والثقوب الموجودة على اللوحة الخشبية. استخدم منشارًا لقطع الإطار وحفر الثقوب بقطعة 3 مم. ستحتاج فقط إلى اثنين من هؤلاء ، لقد صنعت للتو 4 قطع غيار.

الخطوة 4: تجميع الإطار

لقد استخدمت مسامير وصواميل 3 مم لتجميع الإطار. لقد قطعت كل ذراع بطول 35 سم وتركت ذراعًا بطول 3 سم في مقدمة الإطار. لا تفرط في تشديد المفاصل ، ولكن تأكد من وجود احتكاك كافٍ حتى لا تطوي الذراعين. هذا تصميم ذكي حقًا ، لقد تحطمت مرتين ولا شيء سوى ذراعي مطوية للخلف.

الخطوة 5: حفر ثقوب للمحركات

تحقق من حجم مسامير المحرك والمسافة بينها ثم قم بحفر فتحتين في الأذرع الخشبية اليمنى واليسرى. اضطررت إلى حفر حفرة بعمق 5 مم وعرض 8 مم في الذراعين بحيث يكون للأعمدة مساحة كافية للدوران. استخدم ورق الصنفرة لإزالة تلك الشظايا الصغيرة وتفجير الغبار. لا تريد أي غبار في محركاتك لأن ذلك قد يسبب احتكاكًا وحرارة غير ضروريين.

الخطوة 6: طي جبل GPS

اضطررت إلى الحفر إلى ثقوب إضافية لهوائي GPS الخاص بي من أجل ملاءمة جيدة. يجب أن تضع البوصلة عالياً بحيث لا تتداخل مع المجال المغناطيسي للمحركات والأسلاك. هذا هوائي بسيط قابل للطي يساعدني في الحفاظ على الإعداد مضغوطًا قدر الإمكان.

الخطوة 7: رسم الإطار

الآن عليك فك كل شيء والقيام بمهمة الطلاء. انتهى بي الأمر باختيار رذاذ اللون الأسود غير اللامع. لقد قمت بتوصيل الأجزاء بخيط ورسمها ببساطة. للحصول على نتيجة جيدة حقًا ، استخدم طبقتين أو أكثر من الطلاء. من المحتمل أن تبدو الطبقة الأولى مغسولة قليلاً لأن الخشب سوف يشرب الرطوبة. حسنًا ، حدث ذلك في حالتي.

الخطوة 8: تركيب منصة التخميد الاهتزازي

كان لديّ منصة حامل gimbal التي تتضاعف في بنيتي كحامل بطارية أيضًا. يجب عليك تركيب هذا تحت إطارك برباطات مضغوطة و / أو براغي. يساعد وزن البطارية على امتصاص الكثير من الاهتزازات ، لذا ستحصل على لقطات كاميرا رائعة حقًا. يمكنك أيضًا تركيب بعض تروس الهبوط على قضبان بلاستيكية ، شعرت أنها غير ضرورية. لقد نجح هذا اللون الأسود جيدًا ، في هذه المرحلة يجب أن يكون لديك إطار جميل المظهر وحان الوقت لإعداد وحدة التحكم في الرحلة.

الخطوة 9: إعداد ArduCopter

لإعداد جهاز التحكم في الطيران ، ستحتاج إلى برنامج مجاني إضافي. قم بتنزيل Mission Planner على نظام Windows أو APM Planner على نظام Mac OS. عندما تقوم بتوصيل وحدة التحكم في الرحلة الخاصة بك وفتح البرنامج ، سيقوم مساعد المعالج بتثبيت أحدث البرامج الثابتة على لوحك. سيساعدك على معايرة البوصلة ومقياس التسارع ووحدة التحكم في الراديو وأوضاع الطيران أيضًا.

أوضاع الرحلة

أوصي باستخدام Stabilize ، و Altitude Hold ، و Loiter ، و Circle ، و Return to Home و Land كوضع رحلة لستة. الدائرة مفيدة حقًا عندما يتعلق الأمر بفحص المصنع. سوف يدور حول إحداثيات معينة ، لذا فهو يساعد على تحليل نباتاتك من كل زاوية بطريقة دقيقة للغاية. يمكنني القيام بالدوران بالعصي ، لكن من الصعب الحفاظ على دائرة مثالية. يشبه Loiter إيقاف طائرتك بدون طيار في السماء ، لذا يمكنك التقاط صور NDVI عالية الدقة ويكون RTH مفيدًا إذا فقدت الإشارة أو فقدت اتجاه الطائرة بدون طيار.

انتبه إلى الأسلاك الخاصة بك. استخدم التخطيطي لتوصيل ESCs في المسامير الصحيحة وتحقق في Mission Planner من توصيلات قنوات الإدخال الخاصة بك. لا تختبر هذه أبدًا مع الدعائم!

الخطوة العاشرة: تثبيت GPS والكاميرا ووحدة التحكم في الطيران

بمجرد معايرة جهاز التحكم في الرحلة ، يمكنك استخدام شريط من الفوم وتثبيته في منتصف إطارك. تأكد من أنها متجهة للأمام وأن بها مساحة كافية للكابلات. قم بتركيب نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بمسامير 3 مم واستخدم روابط مضغوطة لإبقاء الكاميرا في مكانها. تأتي مستنسخات GoPro هذه مع جميع أدوات التثبيت المساعدة ، لذا كان من السهل جدًا تثبيت هذا.

الخطوة 11: ESCs وكابل الطاقة

تحتوي البطاريات الخاصة بي على موصل XT60 ، لذلك قمت بلحام 3 أسلاك موجبة و 3 أسلاك سالبة لكل دبوس من الموصل الأنثوي. استخدم بعض أنابيب الانكماش الحراري لحماية التوصيلات من تقصيرها (يمكنك استخدام شريط كهربائي أيضًا). عندما تقوم بلحام هذه الأسلاك السميكة ، فركها معًا وتثبيتها بسلك نحاسي ثم أضف الكثير من اللحام المنصهر. أنت لا تريد عدم وجود مفاصل لحام بارد خاصة عند تشغيل وحدات ESC.

الخطوة 12: جهاز الاستقبال والهوائيات

للحصول على استقبال إشارة جيد ، عليك تركيب الهوائيات بزاوية 90 درجة. لقد استخدمت روابط مضغوطة وأنابيب تقلص حراريًا لتركيب هوائيات جهاز الاستقبال الخاص بي على مقدمة طائرتى بدون طيار. تأتي معظم أجهزة الاستقبال مع كبلات ، لذلك يتم تمييز القنوات بحيث يكون من السهل إعدادها.

الخطوة 13: آلية الذيل

آلية الذيل هي روح تريكوبتر. لقد وجدت هذا التصميم عبر الإنترنت لذا جربته. شعرت أن التصميم الأصلي كان ضعيفًا بعض الشيء ولكن إذا قمت بعكس الآلية ، فستعمل بشكل مثالي. لقد قطعت الجزء الزائد باستخدام أداة dremel. في الصورة ، قد يبدو أن محرك سيرفو الخاص بي يعاني قليلاً ولكنه يعمل بلا عيب. استخدم القليل من الغراء الفائق عند شد البراغي حتى لا تسقط بسبب الاهتزازات ؛ أو يمكنك ربط المحركات كما فعلت.

الخطوة 14: إجراء اختبار التحويم وضبط PID

تحقق جيدًا من جميع توصيلاتك وتأكد من أنك لن تقوم بقلي أي شيء عند توصيل البطارية. قم بتثبيت مراوحك وحاول أن تحوم بالطائرة بدون طيار. كان المنجم سلسًا جدًا خارج الصندوق ، كان علي فقط أن أقوم بضبط الانعراج قليلاً لأنه كان يصحح الطريقة كثيرًا. لا يمكنني تعليم ضبط PID في Instructable هذا ، لقد تعلمت كل شيء تقريبًا من الفيديو التعليمي لـ Joshua Bardwell. لقد شرح هذا أفضل بكثير مما أستطيع.

الخطوة 15: اختر Raspberry وقم بتثبيت Raspbian (Jessie)

كنت أرغب في الحفاظ على هذا خفيف الوزن قدر الإمكان لذلك ذهبت مع RPi Zero W. أنا أستخدم Raspbian Jessie لأن الإصدارات الأحدث واجهت بعض المشاكل مع OpenCV التي نستخدمها لحساب مؤشر الغطاء النباتي من اللقطات الأولية. إذا كنت تريد معدل FPS أعلى ، فيجب عليك اختيار Raspberry Pi v4. يمكنك تنزيل البرنامج هنا.

تثبيت التبعيات

سنستخدم PiCamera و OpenCV و Numpy في هذا المشروع. بصفتي مستشعر صورة ، اخترت الكاميرا الأصغر حجمًا بدقة 5 ميجابكسل والتي تتوافق فقط مع لوحات Zero.

1. فلاش صورتك باستخدام أداتك المفضلة (أحب Balena Etcher).
2. قم بتشغيل جهاز Raspberry الخاص بك باستخدام شاشة متصلة.
3. تفعيل واجهات الكاميرا و SSH.
4. تحقق من عنوان IP الخاص بك باستخدام ifconfig in terminal.
5. SSH في RPi الخاص بك باستخدام الأمر ssh pi @ YOUR_IP.
6. انسخ والصق التعليمات لتثبيت البرامج المطلوبة:

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 libgtk.0-dev sudo apt-get install libatlas-base-dev gfortran sudo pip install numpy python-opencv python (لاختباره) استيراد cv2 cv2._ version_

من المفترض أن ترى ردًا برقم إصدار مكتبة OpenCV الخاصة بك.

الخطوة 16: اختبار كاميرا NoIR وتصوير NDVI

قم بإيقاف تشغيل لوحة RPi الخاصة بك ، وأدخل الكاميرا ومن ثم يمكننا محاولة القيام ببعض تصوير NDVI معها. يمكنك أن ترى على الزهرة (تلك ذات الخلفية الحمراء) ، أن الأجزاء الخضراء بالداخل تظهر بعض نشاط التمثيل الضوئي. كان هذا أول اختبار لي ، والذي تم إجراؤه باستخدام Infragram. لقد تعلمت جميع الصيغ وتخطيط الألوان على موقعهم لكتابة رمز وظيفي بالكامل. لجعل الأمور أكثر تلقائية ، قمت بإنشاء برنامج نصي بلغة Python يلتقط الإطارات ، ويحسب صور NDVI ويحفظها بدقة 1080 بكسل على المروحية.

ستحتوي هذه الصور على خريطة ألوان غريبة وستبدو وكأنها من كوكب آخر. قم بإجراء بعض الاختبارات وتغيير بعض المتغيرات وضبط المستشعر قبل المهمة الأولى.

الخطوة 17: تثبيت RPi Zero W على الطائرة بدون طيار

لقد قمت بتثبيت Pi Zero على مقدمة الطائرة ثلاثية المروحيات. يمكنك توجيه الكاميرا إلى الأمام كما فعلت أنا أو لأسفل أيضًا. السبب في مواجهتي للأمام هو إظهار الفرق بين النباتات والأشياء الأخرى غير الضوئية. ملحوظة: قد يحدث أن تعكس بعض الأسطح ضوء الأشعة تحت الحمراء أو أنها أكثر دفئًا من المناطق المحيطة مما يؤدي إلى أن يكون لها لون أصفر ساطع.

الخطوة 18: إضافة جهاز إرسال فيديو (اختياري)

لقد تم تركيب جهاز VTx هذا أيضًا على الذراع الخلفي لمروحيتي. يبلغ مدى هذا 2000 متر لكنني لم أستخدمه أثناء إجراء الاختبارات. فعلت فقط رحلة FPV للمتعة معها. عندما لا أستخدمه ، تتم إزالة الكابلات ، وإلا فسيتم إخفاؤها تحت الإطار للحفاظ على بنيتي جميلة ونظيفة.

الخطوة 19: إجراء تحليل النبات

قمت برحلتين مدتهما 25 دقيقة لإجراء تحليل مناسب. يبدو أن معظم خضرواتنا على ما يرام ، وتحتاج البطاطس إلى مزيد من العناية والري. الذهاب للتحقق من ذلك ساعد في غضون أيام قليلة. تبدو خضراء جميلة في الصورة مقارنة بالأشجار البرتقالية والوردية.

أحب القيام برحلات دائرية حتى أتمكن من فحص النباتات من كل زاوية. يمكنك أن ترى بوضوح أن بعض الخضروات تحت أشجار الفاكهة لا تحصل على ما يكفي من ضوء الشمس مما يجعلها تتحول إلى اللون الأزرق أو الأسود في صور NDVI. إنها ليست مشكلة إذا كان جزء من الشجرة لا يحصل على ما يكفي من ضوء الشمس في وقت من اليوم ، ولكن من السيئ أن يتحول النبات بأكمله إلى أبيض وأسود.

الخطوة 20: الطيران الآمن ؛)

شكرًا لك على قراءة هذا Instructable ، آمل أن يحاول بعضكم إجراء تجارب مع تصوير NDVI أو مع بناء طائرات بدون طيار. لقد استمتعت كثيرًا بصنع هذا المشروع من الصفر من الأجزاء الخشبية ، إذا كنت تحب ذلك أيضًا ، فيمكنك التفكير في مساعدتي في التصويت اللطيف. أوه ، تطير بأمان ، لا تفوق الناس أبدًا واستمتع بالهواية!

الجائزة الأولى في تحدي اجعلها تطير