مجموعة الطائرات بدون طيار التوت بي

هل تستطيع مجموعة Raspberry Pi Drone Kit الطيران بشكل مستقل؟

نعم، يمكن لطائرات Raspberry Pi بدون طيار أن تطير بشكل مستقل، لكن Pi نفسها لا تتحكم في الطيران بشكل مباشر. بدلاً من ذلك، يعمل كجهاز كمبيوتر مصاحب يرسل الأوامر إلى وحدة تحكم طيران منفصلة مثل Pixhawk أو يقوم بتشغيل برنامج ArduPilot الثابت على لوحات متخصصة مثل Navio2. يتراوح مستوى الاستقلالية من التنقل البسيط في إحداثيات الطريق إلى مهام رؤية الكمبيوتر المتقدمة، اعتمادًا على التكوين والبرمجة لديك.

وأوضح بنية الكمبيوتر رفيق

معظم المبتدئين يسيئون فهم دور Raspberry Pi في الطائرات بدون طيار المستقلة. لا يحل Pi محل وحدة التحكم في الطيران-بل يعمل على زيادتها.

تتولى وحدة التحكم في الطيران المخصصة المهام-الحرجة في الوقت الفعلي مثل التثبيت والتحكم في المحركات ودمج أجهزة الاستشعار. يقوم Raspberry Pi بتشغيل برنامج ذو مستوى أعلى- يخبر وحدة التحكم في الطيران بالمكان الذي يجب أن تذهب إليه وماذا تفعل. فكر في الأمر على هذا النحو: وحدة التحكم في الطيران هي يدي الطيار وردود أفعاله، في حين أن Pi هو الملاح مع الخريطة.

يستخدم الأسلوب القياسي وحدات التحكم في الطيران المتوافقة مع ArduPilot-مثل Pixhawk أو APM، والتي تتصل بـ Raspberry Pi عبر الاتصال التسلسلي. يسمح هذا الإعداد لأي وحدة تحكم طيران ArduPilot بالعمل مع أي متغير Raspberry Pi من خلال التكوين المناسب.

تستخدم البنية البديلة لوحات مثل Navio2 أو Navigator التي يتم وضعها مباشرة على Raspberry Pi. تعمل هذه الأنظمة على تشغيل برنامج ArduPilot الثابت مباشرة على Linux بدلاً من تشغيله على وحدة تحكم منفصلة. ومع ذلك، أفاد الممارسون أن الطائرات بدون طيار المعتمدة على Navio2 يمكن أن تكون عربات التي تجرها الدواب، خاصة بالنسبة للمهام المستقلة، وتكلف ما يقرب من ضعف تكلفة بدائل Pixhawk.

ماذا يعني "الحكم الذاتي" في الواقع

يغطي مصطلح "مستقل" مجموعة واسعة من القدرات، وليس ميزة واحدة.

الاستقلالية الأساسية: المهام المبرمجة مسبقًا

على المستوى التأسيسي، تعني الرحلة المستقلة تنفيذ مهام إحداثية حيث تتبع الطائرة بدون طيار إحداثيات محددة مسبقًا، وتمسح المناطق، وتعود إلى المنزل. تتيح لك الأدوات البرمجية مثل Mission Planner وQGroundControl تخطيط هذه المهام بيانيًا، بينما يتيح DroneKit Python التحكم البرمجي من خلال البرامج النصية.

قد تبدو المهمة المستقلة البسيطة على النحو التالي: الإقلاع إلى ارتفاع 15 مترًا، والتحليق إلى الإحداثي GPS A، والتحويم لمدة 30 ثانية، والمتابعة إلى الإحداثي B، ثم الهبوط. يبدأ Raspberry Pi هذه الأوامر، ويقوم جهاز التحكم في الطيران بتنفيذها مع الحفاظ على الاستقرار.

الاستقلالية المتوسطة: القرارات المبنية على أجهزة الاستشعار

يتضمن المستوى التالي إضافة أجهزة استشعار مثل LiDAR لاكتشاف العوائق، حيث تتخذ الطائرة بدون طيار-قرارات في الوقت الفعلي بناءً على البيانات البيئية-مثل الهبوط عند اكتشاف عائق. يندرج الهبوط الدقيق باستخدام رؤية الكمبيوتر ضمن هذه الفئة، حيث تقوم نصوص OpenCV بتتبع العلامات المرئية وتوجيه الطائرة بدون طيار للهبوط على بعد سنتيمترات من الهدف.

التحكم الذاتي المتقدم: التنقل المعتمد على الذكاء الاصطناعي-

تستخدم التطبيقات الأكثر تطورًا كاميرا Pi وكشف الكائنات القائم على TensorFlow- للتحكم في حركة الطائرة بدون طيار، مما يتيح تطبيقات مثل تتبع الأشخاص المكتشفين أو متابعة كائنات معينة. استخدمت المشاريع بنجاح الرؤية الحاسوبية للكشف عن البشر في مناطق المراقبة وإبلاغ إحداثيات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الخاصة بهم إلى المحطات الأساسية.

المكونات المطلوبة خارج المجموعة

إن فهم ما تحتاجه بالفعل يمنع حدوث مفاجآت باهظة الثمن.

مكدس الأجهزة الأساسية

يشتمل الإعداد المستقل الوظيفي عادةً على: الإطار والمحركات، ووحدة التحكم في الطيران (Pixhawk أو APM)، وأجهزة التحكم الإلكترونية في السرعة، وبطارية LiPo، ووحدة GPS مع بوصلة، وجهاز إرسال RC للتجاوز اليدوي، وRaspberry Pi مع الكاميرا. تقوم -المجموعات التي تم تكوينها مسبقًا بتجميع هذه المكونات التي يزيد عددها عن 40 مكونًا معًا، بأسعار تبلغ عادةً حوالي 1000 دولار أمريكي للحزم الكاملة بما في ذلك Raspberry Pi، بينما يوفر البناء من الأجزاء الفردية حوالي 50 دولارًا أمريكيًا.

الوزن يصبح حاسما. يجب عليك التحقق من خلال جداول دفع المحرك من أن مجموعة المحرك والمروحة لديك يمكنها رفع الوزن الإجمالي عند دواسة الوقود بنسبة 50%-وإلا فإن الطائرة بدون طيار لن تتمكن من تحقيق رحلة مستقرة.

النظام البيئي للبرمجيات

يتكون أساس البرنامج من كود التحكم في الطيران ArduPilot الذي يعمل على وحدة التحكم في الطيران، وبرنامج المحطة الأرضية مثل Mission Planner أو QGroundControl للتكوين، وDroneKit Python لكتابة نصوص المهام المستقلة على Raspberry Pi. لقد تطور ArduPilot من تعليمات برمجية بسيطة لـ Arduino إلى قاعدة تعليمات برمجية C++ متطورة تحتوي على أكثر من مليون سطر من التعليمات البرمجية، مما يدعم التكامل مع أجهزة الكمبيوتر المصاحبة للتنقل المتقدم.

تصبح Python أداتك الأساسية، حيث توفر مكتبات مثل DroneKit واجهات برمجة التطبيقات لوظائف مثل الإقلاع والهبوط والتحكم في الموقع وتنفيذ نقطة الطريق. يمتد منحنى التعلم إلى عدة مجالات: التجميع الأساسي للطائرة بدون طيار ومعايرتها، وتكوين وحدة التحكم في الطيران من خلال برنامج المحطة الأرضية، وبرمجة Python، وإدارة نظام Linux لـ Raspberry Pi.

اعتبارات البرامج الثابتة والبروتوكول

لا تدعم جميع وحدات التحكم في الطيران التحكم الذاتي الكامل بالتساوي.

تدعم Betaflight، المشهورة في طائرات السباق بدون طيار FPV، MAVLink فقط لنقل القياس عن بعد، مما يعني أنها يمكنها إرسال بيانات الحالة ولكن لا يمكنها تنفيذ أوامر الطيران الواردة-على عكس ArduPilot وINav اللذين يدعمان اتصال MAVLink ثنائي الاتجاه. قدمت إصدارات Betaflight الأخيرة وضع MSP Override كحل بديل، ولكن تنفيذ الطيران المستقل على Betaflight يظل أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ من استخدام الأنظمة المستندة إلى ArduPilot-.

يعمل بروتوكول MAVLink بمثابة العمود الفقري للاتصالات، مما يسمح لـ Raspberry Pi بإرسال أوامر الطيران واستقبال بيانات القياس عن بعد بما في ذلك السرعة والارتفاع وحالة البطارية ومعلومات الوضع. يشرح توحيد البروتوكول هذا سبب عمل خيارات برامج المحطات الأرضية المتعددة بالتبادل مع أنظمة ArduPilot.

-القدرات والقيود العالمية الحقيقية

تتفوق طائرات Raspberry Pi بدون طيار في مهام محددة بينما تواجه قيودًا متأصلة.

التطبيقات التي أثبتت جدواها

تشتمل عمليات التنفيذ الناجحة على التحكم بعيد المدى- عبر أجهزة مودم 4G التي تمتد إلى آلاف الأميال خارج حدود RC التقليدية، وأنظمة تسليم الطائرات بدون طيار مع الهبوط الدقيق على علامات محددة، والتطبيقات الزراعية التي تتطلب عمليات مسح نقاط الطريق الآلية. تعمل التطبيقات الاحترافية على الاستفادة من أجهزة الاستشعار مثل IR-Lock من أجل الهبوط الدقيق، وتحقيق دقة متسقة على بعد 15 سم من الأهداف.

القيود الفنية

تقدم بنية Raspberry Pi تحديات محددة. Linux ليس نظام تشغيل-في الوقت الفعلي، مما قد يؤدي إلى حدوث مشكلات توقيت للتحكم الدقيق في المحركات-على الرغم من أن هذا لم يفوق مزايا قوة المعالجة وبيئات التطوير القياسية. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب النظام انتظار تشغيل Linux بعد توصيل البطارية وإيقاف التشغيل بشكل صحيح قبل فصل الطاقة لتجنب تلف نظام الملفات.

يعاني تحديد المواقع المعتمد على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)- من الانجراف المتأصل، مما يتسبب في عدم استقرار كبير أثناء التحليق خاصة في الظروف العاصفة نظرًا لأن النظام يعتمد بشكل أساسي على بيانات مقياس التسارع للتحكم في الموقع. تتطلب رحلات الطيران الداخلية أنظمة بديلة لتحديد المواقع مثل أجهزة استشعار التدفق البصري أو التنقل المعتمد على الكاميرا-للتعويض عن عدم توفر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

السلامة والإطار القانوني

تقدم الرحلة المستقلة مسؤوليات تتجاوز القيادة اليدوية.

تؤكد المناقشات الفنية باستمرار على ضرورة الحفاظ على إمكانية التجاوز اليدوي-يجب ألا تعتمد أبدًا على Raspberry Pi فقط باعتباره طريقة التحكم الوحيدة. يجب أن يظل جهاز إرسال RC فعالاً لاستعادة السيطرة في حالة فشل الأنظمة المستقلة. ينصح خبراء المنتدى بالنظر في قوانين الطيران المعمول بها في ولايتك القضائية قبل نشر الأنظمة المستقلة.

بروتوكولات الإشارة مهمة للسلامة. لا يشكل تبديل دبابيس GPIO ببساطة إشارات تحكم مناسبة-تتوقع وحدات التحكم في الطيران بروتوكولات PWM محددة يجب أن ينشئها Raspberry Pi بشكل صحيح. يؤدي تنفيذ الإشارة غير الصحيحة إلى تحذيرات "عدم وجود إشارة" ويمنع تنشيط المحرك، وهو ما يواجهه المصنعون كثيرًا عند محاولة التحكم المباشر في GPIO.

مسار التنمية واستثمار الوقت

يتبع بناء القدرة الذاتية تقدمًا تساعد الجداول الزمنية الواقعية في التخطيط له.

المرحلة الأولى: الطيران اليدوي (2-4 أسابيع)

ابدأ بالتجميع الميكانيكي، ومعايرة وحدة التحكم في الطيران من خلال برنامج المحطة الأرضية، وتحقيق طيران يدوي مستقر عبر جهاز إرسال RC. كما لاحظ الخبراء في المنتدى، بدون تشغيل مقياس التسارع والتكامل الجيروسكوبي بشكل صحيح، لن تنقلب الطائرة بدون طيار وتتعطل إلا-يجب أن تعمل هذه الأساسيات قبل تجربة أي ميزات ذاتية التحكم.

المرحلة الثانية: الاستقلالية الأساسية (2-3 أسابيع)

قم بتوصيل Raspberry Pi بوحدة التحكم في الطيران عبر الاتصال التسلسلي، وقم بتثبيت مكتبات Python المطلوبة بما في ذلك DroneKit وMAVProxy وpymavlink، وابدأ في تنفيذ البرامج النصية البسيطة للإقلاع والتحويم والهبوط. يعد إعداد محاكيات البرامج أمرًا ضروريًا للتطوير الآمن، مما يسمح باختبار التعليمات البرمجية دون المخاطرة بتعطل الأجهزة.

المرحلة الثالثة: الميزات المتقدمة (مستمرة)

تتطلب إضافة رؤية الكمبيوتر أو منطق المهمة المعقدة أو أجهزة الاستشعار المخصصة خبرة أعمق. توقع استثمار الوقت في تعلم OpenCV لمعالجة الصور، وفهم بروتوكولات الاتصال لتكامل أجهزة الاستشعار الإضافية، وتطوير معالجة قوية للأخطاء للعمليات المستقلة.

النهج البديلة تستحق النظر

تؤدي المسارات المتعددة إلى طيران مستقل مع مقايضات- مختلفة.

توفر المجموعات التعليمية -المخصصة مثل DuckieDrone DD24 منصات مفتوحة من الجيل الثالث-مصممة خصيصًا لتعليم مفاهيم الطيران المستقل، مكتملة بمناهج المستوى الجامعي- ودعم المجتمع. تعمل متغيرات الطائرات بدون طيار الصغيرة التي تستخدم Raspberry Pi Zero على تقليل التكاليف إلى حوالي 600 دولار مع الحفاظ على توافق ArduPilot وأوقات طيران مدتها 20 دقيقة على الرغم من وزنها 450 جرامًا فقط.

بالنسبة لأولئك الذين يرغبون في التعامل مع التطوير المتقدم، تنفذ مشاريع مثل Raspilot التحكم في الطيران بالكامل على Raspberry Pi بدون وحدات تحكم دقيقة منفصلة، ​​وتوصيل منافذ GPIO مباشرة إلى ESCs وأجهزة الاستشعار-على الرغم من أن هذا يتطلب مهارات برمجة C قوية وفهمًا لنظرية التحكم.

تعمل أطر العمل مثل Clover على تقليل حواجز الدخول من خلال توفير-صور Raspberry Pi التي تم تكوينها مسبقًا مع تكامل ROS، مما يسمح لك بالتحكم عبر واجهات برمجة تطبيقات Python البسيطة بعد التجميع الأساسي-محاكيات تتيح لك اختبار التعليمات البرمجية في بيئات افتراضية قبل المخاطرة بأجهزة حقيقية.

تحليل التكلفة خارج الأجهزة

ضع ميزانية لأكثر من أسعار المكونات عند التخطيط لمشاريع الطائرات بدون طيار المستقلة.

التكاليف المباشرة

يتطلب البناء من المكونات الفردية عادةً 400-500 دولار أمريكي للمعدات الضرورية، في حين أن تكلفة المجموعات الشاملة مع أدلة الفيديو تبلغ حوالي 1000 دولار أمريكي. تبدأ المتغيرات الصغيرة بحوالي 600 دولار، بينما تصل مجموعات التطوير الاحترافية ذات الوثائق الشاملة إلى نقاط سعر مماثلة للإصدارات كاملة الحجم.

الاستثمارات المخفية

يشكل الوقت أكبر نفقاتك. أفاد الممارسون أن اختيارات الأجهزة التي بها مشكلات، خاصة مع اللوحات مثل Navio2، يمكن أن تضيع ساعات في تصحيح أخطاء الأجهزة على مستوى-المشاكل التي لا تحدث مع الأنظمة المستندة إلى Pixhawk-. تختلف منحنيات تعلم البرامج بشكل كبير-تتطلب مهام الإحداثية الأساسية مهارات لغة Python متوسطة، بينما تتطلب تطبيقات رؤية الكمبيوتر خبرة في OpenCV، والشبكات العصبية،-ومعالجة الصور في الوقت الفعلي.

توثق تجارب استكشاف الأخطاء وإصلاحها قضاء أيام في اكتشاف مشكلات مثل مشكلات توزيع الطاقة حيث لن يتم تشغيل Pixhawk ما لم يتم توصيل دبابيس توصيل معينة بشكل صحيح. على الرغم من أن تجارب التعلم هذه ذات قيمة، إلا أنها تستهلك وقتًا كبيرًا قد لا يعدك التوثيق له بشكل كامل.

اتخاذ القرار

توفر مجموعات الطائرات بدون طيار Raspberry Pi قدرات مستقلة حقيقية، ولكن النجاح يتطلب مطابقة التوقعات مع الواقع. أنت لا تشتري-نظامًا مستقلاً جاهزًا-، بل تحصل على نظام أساسي للتطوير يمكن أن يصبح مستقلاً من خلال التكوين والبرمجة المناسبين.

تعمل البنية: وحدة التحكم في الطيران تتولى عملية التثبيت، ويتولى Raspberry Pi التعامل مع الذكاء، وتوفر أطر البرامج أسسًا تم اختبارها. لقد أثبتت المشاريع بنجاح كل شيء بدءًا من التنقل البسيط في إحداثيات الطريق وحتى تطبيقات الرؤية الحاسوبية المتطورة.

تعتمد ملاءمتك على ثلاثة عوامل: الراحة التقنية مع Linux وPython وتصحيح الأخطاء؛ توفر الوقت لمنحنى تعليمي متعدد-أسابيع؛ وتوقعات واقعية حول مستويات الاستقلالية التي يمكن تحقيقها من خلال ميزانيات الهواة. لقد أثبتت شركات التوصيل التجارية باستخدام الطائرات بدون طيار أن التكنولوجيا تعمل على نطاق واسع باستخدام نفس أسس ArduPilot، ولكنها توظف فرقًا من المهندسين-سيكون مشروعك الفردي أكثر تواضعًا من حيث النطاق.

السؤال ليس ما إذا كانت طائرات Raspberry Pi بدون طيار يمكنها الطيران بشكل مستقل. من الواضح أنهم قادرون على ذلك. السؤال الحقيقي هو ما إذا كنت مستعدًا لبناء وبرمجة هذا الاستقلال الذاتي بنفسك.

الأسئلة المتداولة

هل يمكنني تخطي وحدة التحكم المنفصلة في الطيران واستخدام Raspberry Pi فقط؟

هذا ممكن من الناحية الفنية ولكنه غير مستحسن بالنسبة لمعظم مشاريع الإنشاء-مثل Raspilot التي توضح التحكم الكامل في الطيران باستخدام Raspberry Pi، ولكنها تتطلب مهارات قوية في برمجة لغة C، وفهمًا عميقًا لنظرية التحكم، واهتمامًا دقيقًا بالقيود الزمنية-الحقيقية لنظام التشغيل Linux. أثبت النهج المصاحب القياسي لـ Pixhawk أنه أكثر موثوقية ويمكن الوصول إليه.

ما مقدار برمجة بايثون التي أحتاج إلى معرفتها؟

تتضمن الكفاءة الأساسية لـ Python فهم الوظائف والمتغيرات واستيراد المكتبات-توفر واجهة برمجة تطبيقات DroneKit أوامر عالية المستوى- مثل Vehicle.simple_takeoff(altitude) التي تلخص التفاصيل المعقدة. تتطلب المهام المتقدمة رؤية حاسوبية أو خوارزميات مخصصة ومهارات متوسطة-إلى-بايثون متقدمة.

هل سيعمل هذا في الداخل بدون GPS؟

تفشل الرحلة الذاتية المعتمدة على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)-في الداخل بسبب فقدان إشارة القمر الصناعي-ستحتاج إلى أنظمة بديلة لتحديد المواقع مثل أجهزة استشعار التدفق البصري، أو كاميرات العمق، أو قياس المسافة المرئية. تدعم بعض أطر العمل، مثل Clover، بشكل خاص الطيران الداخلي المعتمد على الكاميرا-من خلال التكامل مع أجهزة استشعار تحديد المواقع.

ما هو وقت الرحلة الذي يمكنني توقعه مع وجود Raspberry Pi على متن الطائرة؟

يعتمد وقت الرحلة بشكل كبير على الوزن الإجمالي وسعة البطارية-توفر بطاريات 3S LiPo النموذجية التي تبلغ سعتها 3000-6000 مللي أمبير مدة متفاوتة، ولكن سعة البطارية لا تتزايد بشكل خطي مع وقت الرحلة بسبب الوزن الإضافي. تحقق التصميمات الدقيقة المُحسّنة جيدًا ما يقرب من 20 دقيقة بشحنة واحدة.