Дрон для высаживания семян

CopterHack-2021, команда MINIONS.

Вы когда-нибудь задумывались, как будет выглядеть мир без деревьев? Закройте глаза и попробуйте представить себе безлюдную Землю. Деревья являются решающим фактором нашего существования не только потому, что они производят бумагу, пиломатериалы и жевательную резинку, но и потому, что они играют важную роль в углеродном цикле.

Со времени промышленной революции 1760–1840 годов мир пребывает в нескончаемом углеродном хаосе. Деревья и планктон - наши единственные спасители с точки зрения решения этой проблемы, и мы можем контролировать только одно из них - деревья.

Нам нужно спасать деревья, защищая их от разрушительной деятельности человека, такой как вырубка лесов, вырубка лесов в целях урбанизации и т. д. Деревья - легкие для земли. Это важная часть природной экосистемы. Они уравновешивают состав почвы, а также служат барьером для ветра и шторма. Таким образом, они обеспечивают различное использование экосистемы. По этим причинам крайне важно спасать деревья.

Поскольку существует множество опасных и труднодоступных участков для посадки людей, наиболее жизнеспособной альтернативой является использование дронов для посадки в этих регионах.

Как следует из названия, дроны, стреляющие семенами, будут стрелять семенами в плодородную почву, чтобы позволить миллионам деревьев вырасти снова после вырубки для промышленного использования. Если скорость посадки превышает скорость вырубки, в конечном итоге мы восстановим деревья, которые когда-то срубили.

Наша цель

Мы сделаем дроны способными удерживать семена на борту и сбрасывать их в область, которую мы проехали в специальном приложении. Мы можем контролировать плотность семян и высоту капли. Мы также думали о защите семян от насекомых, животных и обезвоживания. Мы выбираем технику шара земли, изобретенную Масанобу Фукуока, также известную как Техника Фукуока. Этот земной шар содержит все необходимые элементы для выращивания, семена растений и землю для защиты. Когда мы бросаем его на землю, земной шар будет удерживать семена, пока он не получит необходимое количество воды, и семена не начнут прорастать.

Видео с YouTube:

Нам удалось выполнить небольшие посевные миссии, но мы столкнулись с некоторыми проблемами, связанными с автономным полетом с GPS.

Мы покрыли нашу батарею, чтобы защитить ее от холода, посевные работы нужно начинать зимой, так как семена яблони должны оставаться в холодном месте в течение некоторого времени, чтобы акклиматизироваться.

Капсулы с семенами.
Как собрать высевающий механизм на дрон Clover 4.2.
Как управлять механизмом раздачи.
Программирование.

Файлы

Ссылка на все файлы, используемые в этом проекте: https://github.com/Sahinysf/TreeSeedQuad.

Капсулы с семенами

Техника Фукуока

На юге Японии японский фермер и философ Масанобу Фукуока изобрел технику посадки семенных шариков. Этот метод считается естественной техникой земледелия, не требующей машин, химикатов и очень небольшого количества прополки. При использовании семенных шариков земля обрабатывается без какой-либо подготовки почвы.

Преимущества семенных шариков

Делать шарики с семенами проще и проще без использования машин.
Легче для лесовосстановления и посадки на труднопроходимой местности
Способствовать защите почвы, окружающей среды и средств к существованию
Это органический метод, без использования каких-либо химикатов.
Это недорогой метод по сравнению с традиционными методами облесения / лесовозобновления.
Требует низких эксплуатационных расходов.

Какие семена можно использовать?

Любое семя, которое растет в вашем районе (у нас это семя яблока).

Размер и вес семенной капсулы:

Размер и вес семенных коробочек очень важны для этого проекта. После некоторых экспериментов мы решили, что лучший размер - диаметр 16-18 мм, а максимальный вес - 10 грамм.

Необходимые материалы для изготовления семенных шариков:

1 ведро глины;
1 ведро органической темной почвы / компоста;
1 ведро воды (количество воды может варьироваться в зависимости от типа почвы);
¼ ведро семян.

Шаги по изготовлению семенных шариков:

Соберите одинаковое количество глины и органической почвы. Например, если вы используете одно ведро глины, вам следует смешать его с одним ведром органической почвы.
Убедитесь, что глина и органические частицы почвы мелкие.
Текстура глины и органической почвы должна быть влажной, но не липкой.
Возьмите немного смеси и скатайте ее в шарики. Проверьте мяч, бросив его на плоскую поверхность. Если мяч не ломается легко, значит, у него хорошее сцепление.
Шарики с семенами должны быть идеально круглой формы, иначе они застрянут при броске квадрокоптером.
Вставьте семена (от 1 до 2 семян на семенной шарик для постоянных деревьев, таких как красное дерево, сандал, апельсин, моринга…) (± 5 семян на семенной шарик для овощей, цветов, трав, клевера…)
Сушите семенные шарики в течение одного-двух дней в затененном месте, если высохнуть должным образом, семенные шарики будут защищены от внешних хищников, таких как птицы, грызуны…

Вторая техника - бумажные капсулы с семенами.

На этот метод повлияла корейская газета, в которой были семена, которые можно было посадить на улице после прочтения. Бумажные капсулы с семенами:

Необходимые материалы:

любая бумага;
вода;
блендер;
семена.

Шаги по изготовлению шариков из бумаги:

Измельчение всей вашей бумаги,
Положите бумагу в блендер и добавьте воды, через 2 минуты перемешайте.
Выдавить всю воду бумагой,
Добавьте семена и придайте круглую форму.
Дайте высохнуть на ночь.

Преимущества бумажных шаров:

легко найти материалы;
экологически чистый.

Как собрать высевной механизм для Clover 4.2

Установите нижние держатели бака на крепление верхней палубы и закрепите винтами M3x8.
Установите нейлоновую стойку (40 мм) с 4 сторон крепления для деки.
Установите поручень и закрепите винтами M3x8.
Установите верхние держатели бака на верхнее захватное крепление и закрепите винтами M3x8.
Осторожно подсоедините резервуары к держателям резервуаров.
Подсоедините серводвигатели SG90 к резервуару с помощью стяжки.

Окончательный вид сеялки дрона:

Модуль GPS

Мы установили модуль GPS наверх, используя 2 нейлоновые стойки (40 мм).

Мы покрыли аккумулятор, чтобы защитить его от холода.

Как управлять механизмом высева

Электронная часть механизма высева семян состоит из:

Raspberry Pi 4 B из COEX Clover 4.
2 микро-серводвигателя SG90.
PDB (блок распределения питания) COEX Clover 4.

Сигнальные контакты серводвигателя подключены к контактам 32 и 33 аппаратной ШИМ Raspberry Pi, а питание снимается с платы распределения питания (5 В).

Пояснение кода для управления серводвигателями

Сервомоторы управляются с помощью сигнала ШИМ (широтно-импульсной модуляции) от Raspberry Pi. ШИМ контролирует количество времени, когда сигнал ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ в течение определенного периода времени. Рабочий цикл - процент времени, когда сигнал ВЫСОКИЙ.

В таблице ниже представлен рабочий цикл серводвигателя SG90 для каждого угла серводвигателя. Чтобы использовать рабочий цикл в коде, нам нужно преобразовать время в проценты, разделив время рабочего цикла на общий период ШИМ.

Что мы получаем:

Угол поворота -90° или рабочий цикл 2 мс => 1/20 * 100% = рабочий цикл 5%.
Угол поворота 90° или рабочий цикл 2 мс => 2/20 * 100% = рабочий цикл 10%.
Угол поворота 0° или рабочий цикл 1,5 мс => 1,5 / 20 * 100% = 7,5% рабочий цикл.

Мы сделаем это с помощью библиотеки RPi.GPIO и написания кода Python на Raspberry Pi.

Сначала импортируйте библиотеку RPi.GPIO и функцию сна:

import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep

Затем установите режим GPIO как BOARD:

servo = 33
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(servo, GPIO.OUT)

Далее создайте переменную для сервопривода ШИМ. Затем отправьте сигнал ШИМ 50 Гц на этот вывод GPIO с помощью функции GPIO.PWM(). Начните сигнал с 0.

pwm=GPIO.PWM(servo, 50)
pwm.start(0)

Используйте функцию ChangeDutyCycle(), чтобы записать проценты рабочего цикла в серводвигатель.

pwm.ChangeDutyCycle(5) # left -90 deg position
sleep(1)
pwm.ChangeDutyCycle(7.5) # neutral position
sleep(1)
pwm.ChangeDutyCycle(10) # right +90 deg position
sleep(1)

Программирование

Чтобы миссия была достигнута наилучшим образом и в пределах нашей досягаемости, от нас требовалось использовать многопоточность в Python.

Простой код миссии.

import threading
import time
import rospy
from clover import srv
from std_srvs.srv import Trigger
import RPi.GPIO as GPIO

rospy.init_node('flight')

get_telemetry = rospy.ServiceProxy('get_telemetry', srv.GetTelemetry)
navigate = rospy.ServiceProxy('navigate', srv.Navigate)
navigate_global = rospy.ServiceProxy('navigate_global', srv.NavigateGlobal)
set_position = rospy.ServiceProxy('set_position', srv.SetPosition)
set_velocity = rospy.ServiceProxy('set_velocity', srv.SetVelocity)
set_attitude = rospy.ServiceProxy('set_attitude', srv.SetAttitude)
set_rates = rospy.ServiceProxy('set_rates', srv.SetRates)
land = rospy.ServiceProxy('land', Trigger)

servo1 = 33        # PWM pins
servo2 = 32

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)    #set pin numbering system

GPIO.setup(servo1,GPIO.OUT)
GPIO.setup(servo2,GPIO.OUT)

pwm1 = GPIO.PWM(servo1,50)    #create PWM instance with frequency
pwm2 = GPIO.PWM(servo2,50)

pwm1.start(0)        #start PWM of required Duty Cycle
pwm2.start(0)  


def servo_drop(seconds):   #function to drop seed capsules from 2 tanks
    print("Dropping")

    i = 1                           #variable to choose which tank
    for num in range(seconds/2):
        if(i == 1):                 #first tank
            pwm1.ChangeDutyCycle(10) # release one seed capsule
            time.sleep(0.5)
            pwm1.ChangeDutyCycle(5) # push then drop the capsule
            time.sleep(0.5)
            i = 2                   #changing the variable for to use the second tank in next dropping

        elif(i == 2):               #first tank
            pwm2.ChangeDutyCycle(10) # release one seed capsule
            time.sleep(0.5)
            pwm2.ChangeDutyCycle(5) # push then drop the capsule
            time.sleep(0.5)
            i = 1                   #changing the variable for to use the first tank in next dropping

        print(num)
        time.sleep(2)


if name == "main":
    # Take off and drone 10m above the ground
    navigate(x=0, y=0, z=10, frame_id='body', auto_arm=True)

    # rospy waits for 10 seconds to take off
    rospy.sleep(10)

    # Dropping starts simultaneuously with flying forwards 5 meters
    d = threading.Thread(target=servo_drop, args=(18,))  # 18 is the sum of all the time that the drone hovers after take off
    d.start()

    navigate(x=5, y=0, z=0, frame_id='body')

    #rospy waits for 8 seconds to fly foward
    rospy.sleep(8)

    # Fly right 1 m
    navigate(x=0, y=1, z=0, frame_id='body')

    #rospy waits for 2 seconds to fly right
    rospy.sleep(2)

    # Fly backward 5 m
    navigate(x=-5, y=0, z=0, frame_id='body')

    #rospy waits for 8 seconds to fly backward
    rospy.sleep(8)

    # Perform landing
    land()

pwm1.stop()
pwm2.stop()
GPIO.cleanup()

Литература

Разработано командой MINIONS

Особая благодарность Международному университету Ала-Тоо за финансирование наборов Clover 4.

Дрон для высаживания семян

Дрон для высаживания семян

Наша цель

Файлы

Капсулы с семенами

Техника Фукуока

Преимущества семенных шариков

Какие семена можно использовать?

Как собрать высевной механизм для Clover 4.2

Модуль GPS

Как управлять механизмом высева

Пояснение кода для управления серводвигателями

Программирование

Литература

Разработано командой MINIONS

results matching ""

No results matching ""