Raspberry Pi Drone Kit có thể bay tự động không?
Có, bộ dụng cụ bay không người lái Raspberry Pi có thể bay tự động, nhưng bản thân Pi không trực tiếp điều khiển chuyến bay. Thay vào đó, nó hoạt động như một máy tính đồng hành gửi lệnh đến bộ điều khiển bay riêng biệt như Pixhawk hoặc chạy phần mềm ArduPilot trên các bo mạch chuyên dụng như Navio2. Mức độ tự chủ dao động từ điều hướng điểm tham chiếu đơn giản đến các nhiệm vụ thị giác máy tính nâng cao, tùy thuộc vào cấu hình và lập trình của bạn.
Giải thích về kiến trúc máy tính đồng hành
Hầu hết những người mới bắt đầu đều hiểu sai vai trò của Raspberry Pi trong máy bay không người lái tự động. Pi không thay thế bộ điều khiển chuyến bay của bạn-mà nó bổ sung thêm cho nó.
Bộ điều khiển chuyến bay chuyên dụng xử lý các tác vụ-quan trọng theo thời gian thực như ổn định, điều khiển động cơ và tổng hợp cảm biến. Raspberry Pi chạy phần mềm cấp cao hơn{2}}cho người điều khiển chuyến bay biết nơi cần đến và việc cần làm. Hãy nghĩ như thế này: bộ điều khiển chuyến bay là bàn tay và phản xạ của phi công, trong khi Pi là người dẫn đường với bản đồ.
Phương pháp tiêu chuẩn sử dụng các bộ điều khiển bay tương thích với-ArduPilot như Pixhawk hoặc APM, kết nối với Raspberry Pi thông qua giao tiếp nối tiếp. Thiết lập này cho phép mọi bộ điều khiển chuyến bay ArduPilot hoạt động với mọi biến thể Raspberry Pi thông qua cấu hình phù hợp.
Kiến trúc thay thế sử dụng các bảng như Navio2 hoặc Navigator xếp trực tiếp lên Raspberry Pi. Các hệ thống này chạy phần mềm ArduPilot trực tiếp trên Linux thay vì trên một bộ vi điều khiển riêng biệt. Tuy nhiên, các học viên báo cáo rằng máy bay không người lái dựa trên Navio2 có thể có lỗi, đặc biệt là đối với các nhiệm vụ tự hành và có giá cao gần gấp đôi so với các lựa chọn thay thế Pixhawk.
"Tự trị" thực sự có nghĩa là gì
Thuật ngữ "tự trị" bao gồm nhiều khả năng chứ không phải một tính năng nào.
Quyền tự chủ cơ bản: Nhiệm vụ được lập trình sẵn-
Ở cấp độ cơ bản, chuyến bay tự động có nghĩa là thực hiện các nhiệm vụ điểm tham chiếu trong đó máy bay không người lái tuân theo tọa độ xác định trước, quét các khu vực và trở về nhà. Các công cụ phần mềm như Mission Planner và QGroundControl cho phép bạn lập kế hoạch cho các nhiệm vụ này bằng đồ họa, trong khi DroneKit Python cho phép điều khiển theo chương trình thông qua các tập lệnh.
Một nhiệm vụ tự động đơn giản có thể trông như thế này: cất cánh tới độ cao 15 mét, bay tới tọa độ GPS A, bay lượn trong 30 giây, tiến tới tọa độ B, sau đó hạ cánh. Raspberry Pi khởi tạo các lệnh này và bộ điều khiển chuyến bay thực thi chúng trong khi duy trì sự ổn định.
Quyền tự chủ trung gian: Quyết định dựa trên cảm biến{0}}
Cấp độ tiếp theo liên quan đến việc bổ sung các cảm biến như LiDAR để phát hiện chướng ngại vật, trong đó máy bay không người lái đưa ra-quyết định theo thời gian thực dựa trên dữ liệu môi trường-chẳng hạn như hạ cánh khi phát hiện chướng ngại vật. Việc hạ cánh chính xác bằng cách sử dụng thị giác máy tính thuộc loại này, trong đó các tập lệnh OpenCV theo dõi các điểm đánh dấu trực quan và hướng dẫn máy bay không người lái hạ cánh cách mục tiêu trong phạm vi centimet.
Quyền tự chủ nâng cao: Điều hướng theo hướng AI{0}}
Các phương pháp triển khai phức tạp nhất sử dụng camera của Pi và tính năng phát hiện đối tượng dựa trên TensorFlow{0}}để kiểm soát chuyển động của máy bay không người lái, cho phép các ứng dụng như theo dõi những người được phát hiện hoặc theo dõi các đối tượng cụ thể. Các dự án đã sử dụng thành công thị giác máy tính để phát hiện con người trong khu vực giám sát và báo cáo tọa độ GPS của họ về trạm gốc.
Các thành phần bắt buộc ngoài bộ sản phẩm
Hiểu những gì bạn thực sự cần sẽ ngăn ngừa những bất ngờ tốn kém.
Ngăn xếp phần cứng cốt lõi
Thiết lập tự động chức năng thường bao gồm: khung và động cơ, bộ điều khiển chuyến bay (Pixhawk hoặc APM), bộ điều khiển tốc độ điện tử, pin LiPo, mô-đun GPS có la bàn, bộ phát RC để ghi đè thủ công và Raspberry Pi có camera. Các bộ công cụ được định cấu hình sẵn kết hợp hơn 40 thành phần này lại với nhau, với mức giá thường khoảng 1.000 USD cho các gói hoàn chỉnh bao gồm Raspberry Pi, trong khi việc xây dựng từ các bộ phận riêng lẻ sẽ tiết kiệm được khoảng 50 USD.
Trọng lượng trở nên quan trọng. Bạn phải xác minh thông qua bảng lực đẩy của động cơ rằng tổ hợp động cơ và cánh quạt của bạn có thể nâng tổng trọng lượng ở mức tăng ga 50%-nếu không, máy bay không người lái sẽ không thể bay ổn định.
Hệ sinh thái phần mềm
Nền tảng phần mềm bao gồm mã điều khiển chuyến bay ArduPilot chạy trên bộ điều khiển chuyến bay, phần mềm trạm mặt đất như Mission Planner hoặc QGroundControl để cấu hình và DroneKit Python để viết các tập lệnh nhiệm vụ tự động trên Raspberry Pi. ArduPilot đã phát triển từ mã Arduino đơn giản thành cơ sở mã C{1}} phức tạp với hơn 1 triệu dòng mã, hỗ trợ tích hợp với các máy tính đồng hành để điều hướng nâng cao.
Python trở thành công cụ chính của bạn, với các thư viện như DroneKit cung cấp API cho các chức năng như cất cánh, hạ cánh, kiểm soát vị trí và thực thi điểm tham chiếu. Lộ trình học tập bao gồm một số lĩnh vực: lắp ráp và hiệu chỉnh máy bay không người lái cơ bản, cấu hình bộ điều khiển chuyến bay thông qua phần mềm trạm mặt đất, lập trình Python và quản trị hệ thống Linux cho Raspberry Pi.
Cân nhắc về phần sụn và giao thức
Không phải tất cả các bộ điều khiển chuyến bay đều hỗ trợ điều khiển tự động hoàn toàn như nhau.
Betaflight, phổ biến trong máy bay không người lái đua FPV, chỉ hỗ trợ MAVLink để truyền dữ liệu từ xa, nghĩa là nó có thể gửi dữ liệu trạng thái nhưng không thể thực thi các lệnh bay đến-không giống như ArduPilot và INav hỗ trợ giao tiếp MAVLink hai chiều. Các phiên bản Betaflight gần đây đã giới thiệu chế độ Ghi đè MSP như một giải pháp thay thế, nhưng việc triển khai chuyến bay tự động trên Betaflight vẫn phức tạp hơn đáng kể so với việc sử dụng các hệ thống dựa trên{2}}ArduPilot.
Giao thức MAVLink đóng vai trò là xương sống liên lạc, cho phép Raspberry Pi gửi lệnh bay và nhận dữ liệu đo từ xa bao gồm tốc độ, độ cao, trạng thái pin và thông tin chế độ. Việc tiêu chuẩn hóa giao thức này giải thích lý do tại sao nhiều tùy chọn phần mềm trạm mặt đất có thể thay thế cho nhau với các hệ thống ArduPilot.
-Khả năng và hạn chế thực tế trên thế giới
Máy bay không người lái Raspberry Pi tự động thực hiện xuất sắc các nhiệm vụ cụ thể trong khi vẫn phải đối mặt với những hạn chế cố hữu.
Ứng dụng đã được chứng minh
Triển khai thành công bao gồm-điều khiển tầm xa thông qua modem 4G, mở rộng phạm vi đến hàng ngàn dặm vượt quá giới hạn RC truyền thống, hệ thống phân phối bằng máy bay không người lái có khả năng hạ cánh chính xác trên các điểm đánh dấu được chỉ định và các ứng dụng nông nghiệp yêu cầu khảo sát điểm tham chiếu tự động. Các ứng dụng chuyên nghiệp tận dụng các cảm biến như IR-Lock để hạ cánh chính xác, đạt được độ chính xác nhất quán trong phạm vi 15 cm tính từ mục tiêu.
Hạn chế kỹ thuật
Kiến trúc Raspberry Pi đặt ra những thách thức cụ thể. Linux không phải là một-hệ điều hành thời gian thực có thể tạo ra các vấn đề về thời gian để điều khiển động cơ chính xác-mặc dù điều này không vượt trội hơn những lợi thế về sức mạnh xử lý và môi trường phát triển tiêu chuẩn. Ngoài ra, hệ thống yêu cầu đợi Linux khởi động sau khi kết nối pin và tắt đúng cách trước khi ngắt nguồn để tránh hỏng hệ thống tệp.
Định vị dựa trên GPS{0}}bị ảnh hưởng bởi hiện tượng lệch cố hữu, gây ra sự mất ổn định đáng kể khi di chuột, đặc biệt là trong điều kiện có gió do hệ thống chủ yếu dựa vào dữ liệu gia tốc kế để kiểm soát vị trí. Các chuyến bay trong nhà yêu cầu hệ thống định vị thay thế như cảm biến lưu lượng quang học hoặc điều hướng dựa trên máy ảnh-để bù đắp cho việc không có GPS.
Khung pháp lý và an toàn
Chuyến bay tự động đưa ra các trách nhiệm ngoài việc điều khiển thủ công.
Các cuộc thảo luận kỹ thuật luôn nhấn mạnh sự cần thiết của việc duy trì khả năng ghi đè thủ công-bạn không bao giờ nên chỉ dựa vào Raspberry Pi làm phương pháp điều khiển duy nhất. Bộ phát RC phải duy trì chức năng để lấy lại quyền kiểm soát nếu hệ thống tự động bị lỗi. Các chuyên gia của diễn đàn khuyên nên xem xét luật hàng không hiện hành trong khu vực pháp lý của bạn trước khi triển khai các hệ thống tự động.
Giao thức tín hiệu quan trọng cho sự an toàn. Việc chuyển đổi đơn giản các chân GPIO không tạo thành tín hiệu điều khiển thích hợp-bộ điều khiển chuyến bay yêu cầu các giao thức PLC cụ thể mà Raspberry Pi phải tạo chính xác. Việc triển khai tín hiệu không đúng sẽ dẫn đến cảnh báo "Không có tín hiệu" và ngăn kích hoạt động cơ, điều mà các nhà xây dựng thường gặp phải khi cố gắng điều khiển GPIO trực tiếp.
Lộ trình phát triển và đầu tư thời gian
Việc xây dựng năng lực tự chủ tuân theo một tiến trình mà các mốc thời gian thực tế sẽ giúp lập kế hoạch.
Giai đoạn một: Bay thủ công (2-4 tuần)
Bắt đầu với việc lắp ráp cơ khí, hiệu chỉnh bộ điều khiển chuyến bay thông qua phần mềm trạm mặt đất và đạt được chuyến bay thủ công ổn định thông qua bộ phát RC. Như những người kỳ cựu trong diễn đàn lưu ý, nếu không tích hợp gia tốc kế và con quay hồi chuyển đúng cách, máy bay không người lái sẽ chỉ bị lật và gặp sự cố-những nguyên tắc cơ bản này phải hoạt động trước khi thử bất kỳ tính năng tự động nào.
Giai đoạn hai: Quyền tự chủ cơ bản (2-3 tuần)
Kết nối Raspberry Pi với bộ điều khiển chuyến bay thông qua giao tiếp nối tiếp, cài đặt các thư viện Python cần thiết bao gồm DroneKit, MAVProxy và pymavlink, đồng thời bắt đầu thực thi các tập lệnh đơn giản để cất cánh, di chuột và hạ cánh. Việc thiết lập trình mô phỏng phần mềm là điều cần thiết để phát triển an toàn, cho phép kiểm tra mã mà không gặp rủi ro về sự cố phần cứng.
Giai đoạn ba: Tính năng nâng cao (đang diễn ra)
Việc bổ sung thị giác máy tính, logic nhiệm vụ phức tạp hoặc cảm biến tùy chỉnh đòi hỏi kiến thức chuyên môn sâu hơn. Mong muốn đầu tư thời gian tìm hiểu OpenCV để xử lý hình ảnh, hiểu các giao thức truyền thông để tích hợp cảm biến bổ sung và phát triển khả năng xử lý lỗi mạnh mẽ cho các hoạt động tự động.
Các phương pháp tiếp cận thay thế đáng xem xét
Một số con đường dẫn đến chuyến bay tự động với những sự cân bằng-khác nhau.
Các bộ công cụ giáo dục được xây dựng có mục đích như DuckieDrone DD24 cung cấp nền tảng mở thế hệ thứ ba-được thiết kế đặc biệt để dạy các khái niệm bay tự động, hoàn chỉnh với chương trình giảng dạy ở cấp độ đại học-và hỗ trợ cộng đồng. Các biến thể máy bay không người lái siêu nhỏ sử dụng Raspberry Pi Zero giúp giảm chi phí xuống khoảng 600 USD trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích ArduPilot và thời gian bay 20 phút mặc dù chỉ nặng 450 gram.
Đối với những người sẵn sàng giải quyết vấn đề phát triển nâng cao, các dự án như Raspilot triển khai điều khiển chuyến bay hoàn toàn trên Raspberry Pi mà không cần bộ vi điều khiển riêng biệt, kết nối trực tiếp các chân GPIO với ESC và cảm biến-mặc dù điều này đòi hỏi kỹ năng lập trình C vững vàng và hiểu biết về lý thuyết điều khiển.
Các khung như Clover giảm rào cản gia nhập bằng cách cung cấp-hình ảnh Raspberry Pi được định cấu hình sẵn có tích hợp ROS, cho phép kiểm soát thông qua API Python đơn giản sau khi trình mô phỏng lắp ráp cơ bản-cho phép bạn kiểm tra mã trong môi trường ảo trước khi gặp rủi ro với phần cứng thực.
Phân tích chi phí ngoài phần cứng
Dự trù ngân sách nhiều hơn giá thành phần khi lập kế hoạch cho các dự án máy bay không người lái tự hành.
Chi phí trực tiếp
Việc xây dựng từ các thành phần riêng lẻ thường yêu cầu $400-500 cho thiết bị cần thiết, trong khi bộ dụng cụ toàn diện có hướng dẫn bằng video có giá khoảng $1.000. Các biến thể vi mô có giá khởi điểm khoảng 600 USD, trong khi các bộ công cụ phát triển chuyên nghiệp với tài liệu mở rộng có mức giá tương tự như các phiên bản kích thước đầy đủ.
Khoản đầu tư ẩn
Thời gian là chi phí lớn nhất của bạn. Những người thực hành báo cáo rằng các lựa chọn phần cứng có vấn đề, đặc biệt là với các bo mạch như Navio2, có thể lãng phí hàng giờ để gỡ lỗi các sự cố ở cấp độ phần cứng-không xảy ra với các hệ thống dựa trên Pixhawk-. Đường cong học tập phần mềm thay đổi đáng kể-các nhiệm vụ điểm tham chiếu cơ bản yêu cầu kỹ năng Python vừa phải, trong khi các ứng dụng thị giác máy tính đòi hỏi kiến thức chuyên môn về OpenCV, mạng thần kinh và-xử lý hình ảnh theo thời gian thực.
Trải nghiệm khắc phục sự cố ghi lại những ngày mất nhiều thời gian để khám phá các vấn đề như sự cố phân phối điện trong đó Pixhawk không khởi động trừ khi các chân nối cụ thể kết nối đúng cách. Những trải nghiệm học tập này, mặc dù có giá trị, nhưng lại tiêu tốn thời gian đáng kể mà tài liệu có thể không giúp bạn chuẩn bị đầy đủ.
Đưa ra quyết định
Bộ dụng cụ bay không người lái Raspberry Pi mang lại khả năng tự chủ thực sự, nhưng thành công đòi hỏi những kỳ vọng phải phù hợp với thực tế. Bạn không mua một hệ thống tự động-có sẵn{2}}mà bạn đang mua một nền tảng phát triển có thể trở nên tự chủ thông qua cấu hình và lập trình phù hợp.
Kiến trúc hoạt động: bộ điều khiển chuyến bay xử lý sự ổn định, Raspberry Pi xử lý trí thông minh và các khung phần mềm cung cấp nền tảng đã được thử nghiệm. Các dự án đã thể hiện thành công mọi thứ từ điều hướng điểm tham chiếu đơn giản đến các ứng dụng thị giác máy tính phức tạp.
Sự phù hợp của bạn phụ thuộc vào ba yếu tố: sự thoải mái về mặt kỹ thuật với Linux, Python và việc gỡ lỗi; thời gian sẵn có cho lộ trình học tập nhiều{0}}tuần; và những kỳ vọng thực tế về mức độ tự chủ có thể đạt được với ngân sách theo sở thích. Các công ty giao hàng bằng máy bay không người lái thương mại đã chứng minh rằng công nghệ này hoạt động trên quy mô lớn bằng cách sử dụng cùng nền tảng ArduPilot này, nhưng họ tuyển dụng đội ngũ kỹ sư-dự án riêng của bạn sẽ có phạm vi khiêm tốn hơn.
Câu hỏi đặt ra không phải là liệu máy bay không người lái Raspberry Pi có thể bay tự động hay không. Họ rõ ràng có thể. Câu hỏi thực sự là liệu bạn có sẵn sàng tự mình xây dựng và lập trình quyền tự chủ đó hay không.
Câu hỏi thường gặp
Tôi có thể bỏ qua bộ điều khiển chuyến bay riêng và chỉ sử dụng Raspberry Pi không?
Về mặt kỹ thuật thì có thể nhưng không nên thực hiện đối với hầu hết các dự án-của nhà xây dựng như Raspilot thể hiện khả năng điều khiển chuyến bay thuần túy của Raspberry Pi, nhưng chúng yêu cầu kỹ năng lập trình C mạnh mẽ, hiểu biết sâu sắc về lý thuyết điều khiển và chú ý cẩn thận đến các giới hạn-thời gian thực của Linux. Cách tiếp cận đồng hành Pixhawk tiêu chuẩn tỏ ra đáng tin cậy và dễ tiếp cận hơn nhiều.
Tôi cần biết bao nhiêu kiến thức về lập trình Python?
Khả năng Python cơ bản bao gồm hiểu các hàm, biến và nhập thư viện-API của DroneKit cung cấp các lệnh cấp cao-như Vehicle.simple_takeoff(altitude) trừu tượng hóa các chi tiết phức tạp. Các nhiệm vụ nâng cao yêu cầu thị giác máy tính hoặc thuật toán tùy chỉnh đòi hỏi kỹ năng Python từ trung cấp-đến-cao cấp.
Điều này có hoạt động trong nhà mà không có GPS không?
Chuyến bay tự động dựa trên GPS-không thành công trong nhà do mất tín hiệu vệ tinh-bạn sẽ cần các hệ thống định vị thay thế như cảm biến lưu lượng quang học, camera độ sâu hoặc đo hình ảnh trực quan. Một số khung như Clover đặc biệt hỗ trợ chuyến bay trong nhà dựa trên máy ảnh-thông qua tích hợp với cảm biến định vị.
Tôi có thể mong đợi thời gian bay như thế nào khi có Raspberry Pi trên máy bay?
Thời gian bay phụ thuộc nhiều vào tổng trọng lượng và dung lượng pin-pin LiPo 3S thông thường là 3000-6000mAh cung cấp thời lượng khác nhau nhưng dung lượng pin không tăng tuyến tính theo thời gian bay do trọng lượng tăng thêm. Các bản dựng vi mô được tối ưu hóa tốt sẽ đạt được khoảng 20 phút cho một lần sạc.