Drone de jardinage d'inspection d'usine de bricolage (tricopter pliant sur un budget): 20 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

Dans notre maison du week-end, nous avons un joli petit jardin avec beaucoup de fruits et de légumes, mais il est parfois difficile de suivre l'évolution des plantes. Ils ont besoin d'une surveillance constante et ils sont très vulnérables aux intempéries, aux infections, aux insectes, etc.

J'avais beaucoup de pièces de rechange multicoptères d'anciens projets qui traînaient dans ma boîte à outils, j'ai donc décidé de concevoir et de construire un drone capable d'analyser les plantes à l'aide d'un Rasperry Pi Zero W et de sa NoIR PiCamera. Je voulais aussi faire une vidéo sur ce projet mais c'est assez difficile à côté de l'université donc je vais juste télécharger les images brutes.

La théorie derrière l'imagerie proche infrarouge

Je recommande de lire cet article de Wikipédia. Pour faire court, lorsque les plantes fonctionnent normalement, elles réfléchissent la lumière infrarouge provenant du Soleil. De nombreux animaux peuvent voir la lumière infrarouge, comme les serpents et les reptiles, mais votre appareil photo peut également la voir (essayez-le avec une télécommande de télévision). Si vous retirez le filtre IR de votre appareil photo, vous obtiendrez une image violacée et délavée. Si vous ne voulez pas casser votre appareil photo, vous devriez l'essayer avec le NoIR PiCamera, qui est fondamentalement le même que le PiCamera standard mais n'a pas de filtre IR intégré. Si vous placez le filtre infrableu sous l'objectif de votre caméra, vous n'obtiendrez que la lumière IR sur votre canal rouge, la lumière bleue sur le canal bleu, la verte et la rouge sont filtrées. En utilisant la formule d'indice de végétation par différence normalisée pour chaque pixel, vous pouvez obtenir un très bon indicateur de la santé et de l'activité photosynthétique de votre plante. Avec ce projet, j'ai pu scanner notre arrière-cour et identifier une plante malsaine sous notre poirier.

Pourquoi un Tricoptère ?

J'aime un peu plus les tricoptères que les quads par exemple pour leur efficacité. Ils ont des temps de vol plus longs, ils sont moins chers et vous pouvez les plier, ce qui est probablement la meilleure caractéristique des drones DIY. J'aime aussi voler avec ce tricoptère, ils ont un contrôle un peu "avion" que vous expérimenterez si vous construisez ce drone avec moi. Quand il s'agit de tris, le nom de David Windestal est probablement le premier dans une recherche Google, je vous recommande de consulter son site, j'utilise aussi son design de cadre pliant.

Étape 1: séquences de vol

C'était mon deuxième vol d'essai où l'hélicoptère était déjà réglé et prêt à faire l'analyse des plantes. J'ai quelques enregistrements à bord de ma caméra d'action, vous pouvez vérifier notre magnifique environnement à vol d'oiseau. Si vous voulez voir les enregistrements NDVI, passez à la dernière étape de cette instructable. Malheureusement, je n'ai pas eu le temps de faire une vidéo complète de guidage sur ce tricoptère, mais j'ai téléchargé cette courte vidéo de test en vol.

Étape 2: Outils et pièces requis

À l'exception des rampes en bois et de la bombe de peinture, toutes les pièces traînaient dans ma boîte à outils. Le coût total de ce projet était donc d'environ 5 $ pour moi, mais je vais essayer de trouver des liens eBay ou Banggood vers chaque pièce que j'ai utilisée. Je recommande fortement de chercher les pièces, peut-être que vous pouvez obtenir un meilleur prix que moi.

Outils

• Fer à souder
• Outil Dremel
• Imprimante 3D (je n'en ai pas, mon ami m'a aidé)
• Outils de coupe
• Coupe-fil
• Super colle
• Attaches zippées (beaucoup, en 2 tailles)
• Spray de peinture (avec une couleur que vous aimez - j'ai utilisé du noir)

les pièces

1. Contrôleur de vol ArduCopter (j'ai utilisé un ancien APM 2.8, mais vous devriez opter pour un PixHawk ou PIX Mini)
2. Antenne GPS avec magnétomètre
3. Module de télémétrie MAVLink (pour la communication avec la station au sol)
4. Récepteur 6CH + Émetteur
5. Émetteur vidéo
6. Servomoteur (couple d'au moins 1,5 kg)
7. Hélices 10" (2 CCW, 1 CW + extra pour le remplacement)
8. 3 ESC 30A SimonK (Contrôleur de Vitesse Electronique) + 3 Moteurs 920kv
9. Batterie 3S 5.2Ah
10. Raspberry Pi Zero W + NoIR PiCamera (livré avec filtre infrableu)
11. 2 sangles de batterie
12. Supports d'amortissement des vibrations
13. Perches en bois carrées de 1,2 cm (j'ai acheté une tige de 1,2 mètre)
14. Assiette en bois stratifié de 2-3 mm d'épaisseur
15. Caméra d'action (j'ai utilisé un clone GoPro compatible 4k - SJCAM 5000x)

Ce sont les pièces que j'ai utilisées pour mon drone, n'hésitez pas à le modifier à votre guise. Si vous ne savez pas quoi utiliser, laissez un commentaire et j'essaierai de vous aider. Remarque: j'ai utilisé la carte APM abandonnée comme contrôleur de vol, car j'en avais une de rechange. Vole bien, mais cette carte n'est plus prise en charge, vous devriez donc probablement vous procurer un autre contrôleur de vol compatible ArduCopter pour d'excellentes fonctionnalités GPS.

Étape 3: Couper le cadre

Téléchargez le fichier du cadre, imprimez-le et découpez-le. Vérifiez si la taille imprimée est correcte puis utilisez un stylo pour marquer la forme et les trous sur la plaque en bois. Utilisez une scie pour couper le cadre et percez les trous avec une mèche de 3 mm. Vous n'en aurez besoin que de deux, je viens d'en faire 4 comme pièces de rechange.

Étape 4: Assemblez le cadre

J'ai utilisé des vis et des écrous de 3 mm pour assembler le cadre. J'ai coupé chaque perche de 35 cm de long et en ai laissé une de 3 cm de long à l'avant du cadre. Ne serrez pas trop les articulations, mais assurez-vous qu'il y a suffisamment de friction pour que les bras ne se plient pas. C'est un design vraiment intelligent, je me suis écrasé deux fois et rien que les bras repliés.

Étape 5: Perçage des trous pour les moteurs

Vérifiez la taille de vos vis de moteur et la distance entre elles, puis percez deux trous dans les bras en bois gauche et droit. J'ai dû percer un trou de 5 mm de profondeur et de 8 mm de large dans les bras pour que les arbres aient suffisamment de place pour tourner. Utilisez un papier de verre pour enlever ces petits éclats et soufflez la poussière. Vous ne voulez pas de poussière dans vos moteurs car cela peut provoquer des frictions et de la chaleur inutiles.

Étape 6: Support GPS pliable

J'ai dû percer des trous supplémentaires pour mon antenne GPS pour un bon ajustement. Vous devez placer votre boussole en hauteur afin qu'elle n'interfère pas avec le champ magnétique des moteurs et des fils. Il s'agit d'une simple antenne pliante qui m'aide à garder ma configuration aussi compacte que possible.

Étape 7: peindre le cadre

Maintenant, vous devez tout dévisser et faire le travail de peinture. J'ai fini par choisir ce spray de couleur noir profond mat. J'ai accroché les pièces sur un fil et je les ai simplement peintes. Pour un très bon résultat, utilisez 2 ou plusieurs couches de peinture. La première couche va probablement avoir l'air un peu délavée parce que le bois va absorber l'humidité. Eh bien, c'est arrivé dans mon cas.

Étape 8: Montage de la plate-forme d'amortissement des vibrations

J'avais cette plate-forme de support de cardan qui, dans ma construction, sert également de support de batterie. Vous devez le monter sous votre cadre avec des attaches et/ou des vis. Le poids de la batterie aide à absorber beaucoup de vibrations, ce qui vous permet d'obtenir de très belles images de la caméra. Vous pouvez également monter des trains d'atterrissage sur les tiges en plastique, j'ai eu l'impression que c'était inutile. Cette couleur noire a bien fonctionné, à ce stade, vous devriez avoir un joli cadre et il est temps de configurer votre contrôleur de vol.

Étape 9: Configuration d'ArduCopter

Pour configurer le contrôleur de vol, vous aurez besoin d'un logiciel gratuit supplémentaire. Téléchargez Mission Planner sur Windows ou APM Planner sur Mac OS. Lorsque vous branchez votre contrôleur de vol et ouvrez le logiciel, un assistant va installer le dernier firmware sur votre carte. Il vous aidera également à calibrer votre boussole, votre accéléromètre, votre radiocommande et vos modes de vol.

Modes de vol

Je recommande d'utiliser Stabiliser, Maintien de l'altitude, Loiter, Cercle, Retour à la maison et Atterrir comme six modes de vol. Circle est vraiment utile lorsqu'il s'agit d'inspection d'usine. Il va orbiter autour d'une coordonnée donnée, ce qui permet d'analyser vos plantes sous tous les angles de manière très précise. Je peux faire des orbites avec les bâtons, mais c'est difficile de maintenir un cercle parfait. Loiter, c'est comme garer votre drone dans le ciel, vous pouvez donc prendre des photos NDVI haute résolution et RTH est utile si vous perdez le signal ou perdez l'orientation de votre drone.

Faites attention à votre câblage. Utilisez le schéma pour brancher vos ESC dans les bonnes broches et vérifiez dans Mission Planner le câblage de vos canaux d'entrée. Ne les testez jamais avec des accessoires !

Étape 10: Installation du GPS, de la caméra et du contrôleur de vol

Une fois votre contrôleur de vol calibré, vous pouvez utiliser du ruban mousse et l'installer au milieu de votre cadre. Assurez-vous qu'il est orienté vers l'avant et qu'il y a suffisamment de place pour les câbles. Montez le GPS avec des vis de 3 mm et utilisez des attaches pour maintenir votre appareil photo en place. Ces clones GoPro sont livrés avec tous les utilitaires de montage, il était donc assez simple d'installer celui-ci.

Étape 11: ESC et câble d'alimentation

Mes batteries ont un connecteur XT60 donc j'ai soudé 3 fils positifs et 3 fils négatifs à chaque broche d'un connecteur femelle. Utilisez un tube thermorétractable pour protéger les connexions contre les court-circuits (vous pouvez également utiliser du ruban isolant). Lorsque vous soudez ces fils épais, frottez-les ensemble et fixez-les avec un fil de cuivre puis ajoutez beaucoup de soudure fondue. Vous ne voulez pas de joints de soudure à froid, en particulier lors de la mise sous tension des ESC.

Étape 12: Récepteur et antennes

Pour avoir une bonne réception du signal, vous devez monter vos antennes à 90 degrés. J'ai utilisé des attaches zippées et des tubes thermorétractables pour monter mes antennes réceptrices à l'avant de mon drone. La plupart des récepteurs sont livrés avec des câbles et les canaux sont étiquetés de sorte qu'il devrait être facile de les configurer.

Étape 13: Le mécanisme de queue

Le mécanisme de queue est l'âme d'un tricoptère. J'ai trouvé cette conception en ligne alors je l'ai essayé. J'avais l'impression que la conception d'origine était un peu faible, mais si vous inversez le mécanisme, cela fonctionne parfaitement. J'ai coupé la partie en excès avec un outil dremel. Sur la photo, il peut sembler que mon servomoteur souffre un peu mais il fonctionne parfaitement. Utilisez une petite goutte de superglue lors du serrage des vis afin qu'elles ne tombent pas à cause des vibrations; ou vous pouvez attacher les moteurs comme je l'ai fait.

Étape 14: Faire un test de vol stationnaire et un réglage PID

Vérifiez toutes vos connexions et assurez-vous de ne rien faire frire lorsque vous branchez votre batterie. Installez vos hélices et essayez de planer avec votre drone. Le mien était assez fluide dès la sortie de la boîte, j'ai juste dû faire un petit réglage en lacet parce qu'il corrigeait beaucoup trop. Je ne peux pas enseigner le réglage PID dans ce Instructable, j'ai presque tout appris du didacticiel vidéo de Joshua Bardwell. Il explique cela tellement mieux que moi.

Étape 15: Choisissez un Raspberry et installez Raspbian (Jessie)

Je voulais garder cela aussi léger que possible, alors j'ai opté pour le RPi Zero W. J'utilise Raspbian Jessie car les versions les plus récentes ont eu quelques problèmes avec OpenCV que nous utilisons pour calculer l'indice de végétation à partir des images brutes. Si vous voulez un taux de FPS plus élevé, vous devez choisir le Raspberry Pi v4. Vous pouvez télécharger le logiciel ici.

Installation des dépendances

Nous allons utiliser PiCamera, OpenCV et Numpy dans ce projet. En tant que capteur d'image, j'ai choisi la plus petite caméra 5MP qui n'est compatible qu'avec les cartes Zero.

1. Flashez votre image en utilisant votre outil préféré (j'aime Balena Etcher).
2. Démarrez votre Raspberry avec un moniteur connecté.
3. Activez les interfaces Caméra et SSH.
4. Vérifiez votre adresse IP avec ifconfig dans le terminal.
5. SSH dans votre RPi avec la commande ssh pi@YOUR_IP.
6. Copiez et collez les instructions pour installer les logiciels requis:

sudo apt-get mise à jour

sudo apt-get mise à niveau 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 (pour le tester) import cv2 cv2._version_

Vous devriez voir une réponse avec le numéro de version de votre bibliothèque OpenCV.

Étape 16: Test de la caméra NoIR et de l'imagerie NDVI

Éteignez votre carte RPi, insérez la caméra et nous pouvons ensuite essayer de faire de l'imagerie NDVI avec. Vous pouvez voir sur la fleur (celle avec un fond rouge), que les parties les plus vertes à l'intérieur montrent une activité photosynthétique. C'était mon premier test, qui a été fait avec Infragram. J'ai appris toutes les formules et le mappage des couleurs sur leur site pour écrire un code entièrement fonctionnel. Pour rendre les choses plus automatisées, j'ai créé un script Python qui capture les images, calcule les images NDVI et les enregistre en 1080p sur l'hélicoptère.

Ces images vont avoir une palette de couleurs étrange et elles auront l'air d'être d'une autre planète. Faites quelques tests, modifiez certaines variables, affinez votre capteur avant la première mission.

Étape 17: Installation du RPi Zero W sur le drone

J'ai installé le Pi Zero à l'avant du tricoptère. Vous pouvez orienter votre caméra vers l'avant comme je l'ai fait ou vers le bas également. La raison pour laquelle la mienne est tournée vers l'avant est de montrer la différence entre les plantes et les autres objets non photosynthétiques. Remarque: Il peut arriver que certaines surfaces reflètent la lumière infrarouge ou qu'elles soient plus chaudes que l'environnement, ce qui leur donne une couleur jaune vif.

Étape 18: Ajout d'un émetteur vidéo (facultatif)

J'avais aussi ce VTx qui traînait, donc installé sur le bras arrière de mon hélicoptère. Il a une portée de 2000 mètres mais je ne l'ai pas utilisé pour faire des tests. J'ai seulement fait un vol FPV pour s'amuser avec. Lorsque je ne l'utilise pas, les câbles sont retirés, sinon ils sont cachés sous le cadre pour que ma construction reste propre et nette.

Étape 19: Faire une analyse des plantes

J'ai fait deux vols de 25 minutes pour une bonne analyse. La plupart de nos légumes semblaient aller bien, les pommes de terre avaient besoin de plus de soins et d'arrosage. Je vais vérifier cela a aidé dans quelques jours. Ils ont l'air assez verts sur la photo par rapport aux arbres orange et roses.

J'aime faire des vols circulaires pour pouvoir examiner les plantes sous tous les angles. Vous pouvez clairement voir que sous les arbres fruitiers certains légumes ne reçoivent pas assez de soleil, ce qui les rend bleus ou noirs sur les images NDVI. Ce n'est pas un problème si une partie de l'arbre ne reçoit pas assez de soleil à un moment de la journée, mais c'est mauvais si toute la plante devient noire et blanche.

Étape 20: Volez en toute sécurité;)

Merci d'avoir lu ce Instructable, j'espère que certains d'entre vous essaieront de faire des expériences avec l'imagerie NDVI ou avec la construction de drones. Je me suis beaucoup amusé à réaliser ce projet à partir de zéro avec des pièces en bois, si vous avez également aimé, vous pouvez envisager de m'aider avec votre aimable vote. Oh, volez prudemment, jamais au-dessus des gens et profitez du passe-temps !

Premier prix du Make It Fly Challenge