Drone Berkebun Inspeksi Tanaman DIY (Tricopter Lipat dengan Anggaran): 20 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Di rumah akhir pekan kami, kami memiliki taman kecil yang bagus dengan banyak buah dan sayuran, tetapi terkadang sulit untuk mengikuti perubahan tanaman. Mereka membutuhkan pengawasan konstan dan mereka sangat rentan terhadap cuaca, infeksi, serangga, dll…

Saya memiliki banyak suku cadang multicopter dari proyek lama yang tergeletak di kotak peralatan saya, jadi saya memutuskan untuk merancang dan membangun drone yang dapat melakukan analisis pabrik menggunakan Rasperry Pi Zero W dan NoIR PiCamera-nya. Saya juga ingin membuat video tentang proyek ini tetapi itu cukup sulit di sebelah universitas jadi saya hanya akan mengunggah rekaman mentahnya.

Teori di balik Pencitraan Inframerah Dekat

Saya sarankan untuk membaca artikel Wikipedia ini. Singkat cerita, ketika tanaman berfungsi normal, mereka memantulkan cahaya inframerah yang berasal dari Matahari. Banyak hewan dapat melihat cahaya inframerah, seperti ular dan reptil tetapi kamera Anda juga dapat melihatnya (cobalah dengan remote control TV). Jika Anda menghapus filter IR dari kamera Anda, Anda akan mendapatkan gambar keunguan dan pudar. Jika Anda tidak ingin merusak kamera Anda maka Anda harus mencobanya dengan NoIR PiCamera, yang pada dasarnya sama dengan PiCamera standar tetapi tidak memiliki filter IR bawaan. Jika Anda menempatkan filter infrabiru di bawah lensa kamera Anda, Anda hanya akan mendapatkan cahaya IR pada saluran Merah Anda, cahaya biru pada saluran Biru, hijau dan merah disaring. Dengan menggunakan rumus indeks vegetasi perbedaan yang dinormalisasi untuk setiap piksel, Anda bisa mendapatkan indikator yang sangat baik tentang kesehatan dan aktivitas fotosintesis tanaman Anda. Dengan proyek ini saya dapat memindai halaman belakang kami dan mengidentifikasi tanaman yang tidak sehat di bawah pohon pir kami.

Mengapa Tricopter?

Saya suka tricopters sedikit lebih dari quad misalnya karena efisiensinya. Mereka memiliki waktu penerbangan yang lebih lama, lebih murah dan Anda dapat melipatnya yang mungkin merupakan satu-satunya fitur terbaik dalam hal drone DIY. Saya juga menikmati terbang dengan tricopter ini, mereka memiliki kontrol yang agak "airplane-ish" yang akan Anda alami jika Anda membangun drone ini bersama saya. Ketika datang ke tris nama David Windestal mungkin yang pertama dalam pencarian Google, saya sarankan untuk memeriksa situsnya, saya menggunakan desain bingkai lipatnya juga.

Langkah 1: Rekaman Penerbangan

Ini adalah penerbangan uji kedua saya di mana helikopter sudah disetel dan siap untuk melakukan analisis tanaman. Saya memiliki beberapa rekaman onboard dari kamera aksi saya, Anda dapat melihat lingkungan kita yang indah dari mata burung. Jika Anda ingin melihat rekaman NDVI, lanjutkan ke langkah terakhir dari instruksi ini. Sayangnya saya tidak sempat membuat video panduan lengkap tentang tricopter ini, tapi saya sudah mengupload video short flight test ini.

Langkah 2: Alat dan Suku Cadang yang Diperlukan

Dengan pengecualian boom kayu dan semprotan cat, saya memiliki setiap bagian yang diletakkan di kotak peralatan saya, jadi total biaya proyek ini adalah sekitar $ 5 untuk saya, tetapi saya akan mencoba menemukan tautan eBay atau Banggood ke setiap bagian yang saya gunakan. Saya sangat merekomendasikan untuk melihat-lihat bagian-bagiannya, mungkin Anda bisa mendapatkan harga yang lebih baik daripada saya.

Peralatan

• Solder Besi
• Alat Dremel
• Printer 3D (saya tidak punya, teman saya membantu saya)
• Alat Pemotong
• Alat pemotong kawat
• Lem super
• Zip Ties (banyak dari mereka, dalam 2 ukuran)
• Paint Spray (dengan warna yang Anda suka - saya menggunakan hitam)

Bagian

1. Pengontrol Penerbangan ArduCopter (Saya menggunakan APM 2.8 lama, tetapi Anda harus menggunakan PixHawk atau PIX Mini)
2. Antena GPS dengan Magnetometer
3. Modul Telemetri MAVLink (untuk komunikasi stasiun bumi)
4. Penerima + Pemancar 6CH
5. Pemancar Video
6. Motor Servo (torsi setidaknya 1,5kg)
7. Baling-baling 10" (2 CCW, 1 CW + ekstra untuk penggantian)
8. 3 30A SimonK ESC (Pengontrol Kecepatan Elektronik) + 3 Motor 920kv
9. Baterai 3S 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (dilengkapi dengan filter infrablue)
11. 2 Tali Baterai
12. Gunung Peredam Getaran
13. Boom Kayu Berbentuk Persegi 1,2cm (Saya membeli batang 1,2 meter)
14. Pelat Lamina Kayu Tebal 2-3mm
15. Kamera Aksi (Saya menggunakan klon GoPro berkemampuan 4k - SJCAM 5000x)

Ini adalah bagian-bagian yang saya gunakan untuk drone saya, jangan ragu untuk memodifikasinya sesuai keinginan Anda. Jika Anda tidak yakin tentang apa yang harus digunakan, tinggalkan komentar dan saya akan mencoba membantu Anda. Catatan: Saya menggunakan papan APM yang dihentikan sebagai pengontrol penerbangan, karena saya punya satu cadangan. Terbang dengan baik, tetapi papan ini tidak lagi didukung sehingga Anda mungkin harus mendapatkan pengontrol penerbangan lain yang kompatibel dengan ArduCopter untuk fitur GPS yang hebat.

Langkah 3: Memotong Bingkai

Unduh file bingkai, cetak, dan hentikan. Periksa apakah ukuran yang dicetak sudah benar kemudian gunakan pena untuk menandai bentuk dan lubang pada pelat kayu. Gunakan gergaji untuk memotong bingkai dan bor lubang dengan mata bor 3mm. Anda hanya perlu dua ini, saya hanya membuat 4 sebagai suku cadang.

Langkah 4: Pasang Bingkai

Saya menggunakan sekrup dan mur 3mm untuk merakit bingkai. Saya memotong setiap boom sepanjang 35cm dan meninggalkan yang panjangnya 3cm di depan bingkai. Jangan terlalu mengencangkan persendian, tetapi pastikan ada gesekan yang cukup agar lengan tidak terlipat. Ini adalah desain yang sangat cerdas, saya jatuh dua kali dan tidak ada apa-apa hanya lengan yang terlipat ke belakang.

Langkah 5: Pengeboran Lubang untuk Motor

Periksa ukuran sekrup motor Anda dan jarak antara mereka kemudian bor dua lubang di lengan kayu kiri dan kanan. Saya harus mengebor lubang sedalam 5mm dan lebar 8mm di lengan sehingga poros memiliki cukup ruang untuk berputar. Gunakan amplas untuk menghilangkan serpihan kecil itu dan meniup debunya. Anda tidak ingin ada debu di motor Anda karena dapat menyebabkan gesekan dan panas yang tidak perlu.

Langkah 6: Lipat Dudukan GPS

Saya harus mengebor lubang ekstra untuk antena GPS saya agar pas. Anda harus menempatkan kompas di tempat yang tinggi sehingga tidak mengganggu medan magnet motor dan kabel. Ini adalah antena lipat sederhana yang membantu saya menjaga pengaturan saya sekompak mungkin.

Langkah 7: Melukis Bingkai

Sekarang Anda harus membuka semuanya dan melakukan pekerjaan cat. Saya akhirnya memilih semprotan warna hitam pekat matte ini. Saya menghubungkan bagian-bagian itu pada seutas benang dan mengecatnya. Untuk hasil yang sangat bagus gunakan 2 lapis cat atau lebih. Lapisan pertama mungkin akan terlihat sedikit pudar karena kayu akan menyerap kelembapannya. Nah, itu terjadi dalam kasus saya.

Langkah 8: Memasang Platform Peredam Getaran

Saya memiliki platform pemegang gimbal ini yang dalam build saya juga berfungsi ganda sebagai tempat baterai. Anda harus memasang ini di bawah bingkai Anda dengan ikatan zip dan/atau sekrup. Bobot baterai membantu menyerap banyak getaran sehingga Anda akan mendapatkan rekaman kamera yang sangat bagus. Anda juga dapat memasang beberapa roda pendaratan di batang plastik, saya merasa itu tidak perlu. Warna hitam ini bekerja dengan baik, pada titik ini Anda harus memiliki bingkai yang tampak bagus dan saatnya untuk mengatur pengontrol penerbangan Anda.

Langkah 9: Menyiapkan ArduCopter

Untuk mengatur pengontrol penerbangan, Anda memerlukan perangkat lunak gratis tambahan. Unduh Mission Planner di Windows atau APM Planner di Mac OS. Saat Anda mencolokkan pengontrol penerbangan Anda dan membuka perangkat lunak, wizard helper akan menginstal firmware terbaru di papan Anda. Ini akan membantu Anda mengkalibrasi kompas, akselerometer, pengontrol radio, dan mode penerbangan Anda juga.

Mode Penerbangan

Saya sarankan untuk menggunakan Stabilize, Altitude Hold, Loiter, Circle, Return to Home and Land sebagai enam mode penerbangan Anda. Lingkaran sangat berguna dalam hal inspeksi pabrik. Ini akan mengorbit di sekitar koordinat tertentu sehingga membantu untuk menganalisis tanaman Anda dari setiap sudut dengan cara yang sangat tepat. Saya bisa melakukan orbit dengan tongkat, tetapi sulit untuk mempertahankan lingkaran yang sempurna. Loiter seperti memarkir drone Anda di langit, sehingga Anda dapat mengambil gambar NDVI resolusi tinggi dan RTH berguna jika Anda kehilangan sinyal atau kehilangan orientasi drone Anda.

Perhatikan kabel Anda. Gunakan skema untuk menyambungkan ESC Anda ke pin yang benar dan periksa di Mission Planner kabel saluran input Anda. Jangan pernah menguji ini dengan alat peraga!

Langkah 10: Memasang GPS, Kamera, dan Pengendali Penerbangan

Setelah pengontrol penerbangan Anda dikalibrasi, Anda dapat menggunakan beberapa pita busa dan memasangnya di tengah bingkai Anda. Pastikan itu menghadap ke depan dan memiliki cukup ruang untuk kabel. Pasang GPS dengan sekrup 3mm dan gunakan pengikat ritsleting untuk menjaga kamera Anda tetap di tempatnya. Klon GoPro ini dilengkapi dengan semua utilitas pemasangan sehingga cukup mudah untuk menginstal yang ini.

Langkah 11: ESC dan Kabel Daya

Baterai saya memiliki konektor XT60 jadi saya menyolder 3 kabel positif dan 3 kabel negatif ke setiap pin konektor perempuan. Gunakan beberapa tabung panas menyusut untuk melindungi sambungan agar tidak korslet (Anda juga dapat menggunakan pita listrik). Saat Anda menyolder kabel tebal ini, gosokkan dan perbaiki kabel tembaga lalu tambahkan banyak solder cair. Anda tidak ingin tidak ada sambungan solder dingin terutama saat menyalakan ESC.

Langkah 12: Penerima dan Antena

Untuk mendapatkan penerimaan sinyal yang baik, Anda harus memasang antena dalam 90 derajat. Saya menggunakan ikatan zip dan tabung panas menyusut untuk memasang antena penerima saya di bagian depan drone saya. Sebagian besar receiver dilengkapi dengan kabel sehingga saluran diberi label sehingga mudah dipasang.

Langkah 13: Mekanisme Ekor

Mekanisme ekor adalah jiwa dari sebuah tricopter. Saya telah menemukan desain ini secara online jadi saya mencobanya. Saya merasa desain aslinya sedikit lemah tetapi jika Anda membalikkan mekanismenya, itu bekerja dengan sempurna. Saya memotong bagian berlebih dengan alat dremel. Pada gambar mungkin tampak seperti motor servo saya sedikit menderita tetapi bekerja dengan sempurna. Gunakan sedikit lem super saat mengencangkan sekrup agar tidak jatuh karena getaran; atau Anda dapat mengikat ritsleting motor seperti yang saya lakukan.

Langkah 14: Melakukan Tes Melayang dan Penyetelan PID

Periksa kembali semua koneksi Anda dan pastikan Anda tidak menggoreng apa pun saat mencolokkan baterai. Pasang baling-baling Anda dan coba melayang dengan drone Anda. Milik saya cukup mulus di luar kotak, saya hanya perlu melakukan sedikit penyetelan yaw karena terlalu banyak mengoreksi. Saya tidak bisa mengajarkan penyetelan PID di Instructable ini, saya belajar hampir semuanya dari video tutorial Joshua Bardwell. Dia menjelaskan ini jauh lebih baik daripada yang saya bisa.

Langkah 15: Pilih Raspberry dan Instal Raspbian (Jessie)

Saya ingin menjaga bobot ini seringan mungkin, jadi saya menggunakan RPi Zero W. Saya menggunakan Raspbian Jessie karena versi yang lebih baru memiliki beberapa masalah dengan OpenCV yang kami gunakan untuk menghitung indeks vegetasi dari rekaman mentah. Jika Anda menginginkan tingkat FPS yang lebih tinggi, Anda harus memilih Raspberry Pi v4. Anda dapat mengunduh perangkat lunak di sini.

Menginstal Dependensi

Kami akan menggunakan PiCamera, OpenCV dan Numpy dalam proyek ini. Sebagai sensor gambar, saya memilih kamera 5MP yang lebih kecil yang hanya kompatibel dengan papan Zero.

1. Flash gambar Anda menggunakan alat favorit Anda (saya suka Balena Etcher).
2. Boot Raspberry Anda dengan monitor yang terhubung.
3. Aktifkan antarmuka Kamera dan SSH.
4. Periksa alamat IP Anda dengan ifconfig di terminal.
5. SSH ke RPi Anda dengan perintah ssh pi@YOUR_IP.
6. Salin dan tempel instruksi untuk menginstal perangkat lunak yang diperlukan:

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 (untuk mengujinya) import cv2 cv2._version_

Anda akan melihat respons dengan nomor versi perpustakaan OpenCV Anda.

Langkah 16: Menguji Kamera NoIR dan Pencitraan NDVI

Matikan papan RPi Anda, masukkan kamera dan kemudian kami dapat mencoba melakukan pencitraan NDVI dengannya. Anda dapat melihat pada bunga (yang berlatar belakang merah), bahwa bagian yang lebih hijau di dalamnya menunjukkan beberapa aktivitas fotosintesis. Ini adalah tes pertama saya, yang dibuat dengan Infragram. Saya mempelajari semua rumus dan pemetaan warna di situs mereka untuk menulis kode yang berfungsi penuh. Untuk membuat segalanya lebih otomatis, saya membuat skrip Python yang menangkap bingkai, menghitung gambar NDVI dan menyimpannya dalam 1080p di helikopter.

Gambar-gambar ini akan memiliki peta warna yang aneh dan akan terlihat seperti berasal dari planet lain. Lakukan beberapa tes, ubah beberapa variabel, sesuaikan sensor Anda sebelum misi pertama.

Langkah 17: Memasang RPi Zero W di Drone

Saya memasang Pi Zero di bagian depan tricopter. Anda dapat menghadapkan kamera ke depan seperti yang saya lakukan atau ke bawah juga. Alasan saya menghadap ke depan adalah untuk menunjukkan perbedaan antara tumbuhan dan objek non fotosintesis lainnya. Catatan: Mungkin saja beberapa permukaan memantulkan cahaya IR atau lebih hangat dari sekitarnya yang menyebabkan mereka memiliki warna kuning cerah.

Langkah 18: Menambahkan Pemancar Video (Opsional)

Saya memiliki VTx ini juga dipasang di lengan belakang helikopter saya. Ini memiliki jangkauan 2000 meter tetapi saya belum menggunakannya saat melakukan tes. Hanya melakukan penerbangan FPV untuk bersenang-senang dengannya. Ketika saya tidak menggunakannya, kabelnya dilepas, jika tidak, mereka disembunyikan di bawah bingkai agar bangunan saya tetap bagus dan bersih.

Langkah 19: Melakukan Analisis Tanaman

Saya melakukan dua penerbangan 25 menit untuk analisis yang tepat. Sebagian besar sayuran kami tampaknya baik-baik saja, kentang membutuhkan perawatan dan penyiraman ekstra. Akan memeriksanya yang membantu dalam beberapa hari. Mereka terlihat cukup hijau pada gambar dibandingkan dengan pohon oranye dan merah muda.

Saya suka melakukan penerbangan melingkar sehingga saya dapat memeriksa tanaman dari setiap sudut. Anda dapat melihat dengan jelas bahwa di bawah pohon buah-buahan beberapa sayuran tidak mendapatkan cukup sinar matahari yang membuatnya menjadi biru atau hitam dalam gambar NDVI. Tidak masalah jika salah satu bagian pohon tidak mendapatkan sinar matahari yang cukup di siang hari, tetapi buruk jika seluruh tanaman berubah menjadi hitam putih.

Langkah 20: Terbang Aman;)

Terima kasih telah membaca Instructable ini, saya harap beberapa dari Anda akan mencoba melakukan eksperimen dengan pencitraan NDVI atau dengan membangun drone. Saya sangat senang membuat proyek ini dari nol dari bagian-bagian kayu, jika Anda suka juga, Anda dapat mempertimbangkan untuk membantu saya dengan suara Anda yang baik. Oh, terbanglah dengan aman, jangan pernah di atas orang dan nikmati hobinya!

Hadiah Pertama dalam Tantangan Make It Fly