LB-Copter

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Vor einigen Wochen habe ich oben stehenden Teaser veröffentlicht. Aber was verbirgt sich nun dahinter?

Es ist ein Quadrocopter, den ich in den Osterferien angefangen habe zu bauen. Hintergrund ist dass es bei meinen bisherigen Projekten in Sachen Luftfahrt relativ mager aussieht. Ein naheliegendes Projekt war hier der Bau eines Quadrocopters. Die Vorteile gegenüber Flugzeugen und Helikoptern liegen auf der Hand, er ist mechanisch verhältnismäßig einfach aufzubauen und ermöglicht einen stabileren Flug bei gleichzeitigem Transport von “großen” Nutzlasten. Voraussetzung ist hierfür leidglich eine aktive Lageregelung, bei welcher ich aus Zeit- und Kostengründen auf eine fertige Lösung auf Basis dreier Gyro-Sensoren setze. Diese Sensoren registrieren ein Kippen des Copters in allen drei Achsen und regeln die vier Rotoren entsprechend nach, sodass der Quadrocopter stets stabil in der Luft liegt.
Ein Quadrocopter eignet sich somit sehr gut für den Transport einer Kamera für Luftaufnahmen, aber auch sogenanntes FPV-Fliegen, bei dem das Bild der Kamera live übertragen wird, sodass man zum Fliegen keinen Sichtkontakt benötigt. Das Equipment für Letzteres ist allerdings recht teuer, weshalb ich erst einmal eine einfache Kamera eingeplant habe, die das Bild auf eine SD-Karte aufzeichnet.

Doch bevor ich mit der Beschreibung meines Aufbaus fortfahre, möchte ich zunächst ein wenig weiter ausholen und kurz die Funktionsweise der auf dem Quadrocopter verbauten Komponenten erläutern.

1.) Controllerplatine
Die Controller-Paltin eist das Herzstück des Quadrocopters. Auf ihr befinden sich drei Gyrosensoren, mit deren Hilfe eine Lageregelung des Copters erst ermöglicht wird. Sie messen die Winkelbeschleunigung des Quadrocopters und geben ein entsprechendes Signal an den Mikrocontroller auf der Steuerung aus. Dieser regelt nun die Motoren über die Motorsteuerungen und wirkt durch Veränderung der Drehzahl einzelner Rotoren der Beschleunigung des Copters entgegen. Beispiel: Sobald man das Heck des Copters nach oben beschleunigt (der Copter also nach vorne kippt), wird die Drehzahl des Frontrotors erhöht und die des Heckrotors im gleichen Maße gesenkt. Folglich wird der Copter wieder in die horizontale Lage gebracht. Gleiches gilt für die Roll-Bewegung, also das seitliche Kippen um die Längsachse. Bei Gieren, dem Drehen um die vertikale Achse des Copters, werden die Motordrehzahlen paarweise diagonal verändert, sodass sich die Drehmomente zwischen den vier Motoren nicht mehr ausgleichen und der gesamte Copter einen Drehimpuls erhält, der ihn gieren lässt.

1.) Motorregler
Der Motorregler steuert die Motoren mittles sogenannter Pulsweitenmodulation. Er erhält ein Steuersignal von der Controller-Platine und regelt die Motorleistung von 0% – 100%. Beim Quadrocopter wird je Motor ein Regler benötigt, also insgesamt vier Stück.

2.) Motoren
Als Motoren verwende ich Brushless Outrunner. Im Gegensatz zum konventionellen Inrunner, dreht sich hierbei nicht die Spule im Innern, sondern das gesamte Gehäuse des Motores. Charakteristisch für Outrunner sind ein hohes Drehmoment und eine etwas geringere Drehzahl als bei ihren Inrunner-Pendats. Für den LB-Copter kommen Motoren mit jeweils 1100 Umdrehungen pro Minute und Volt, sowie einer maximalen mechanischen Leistung von 360 Watt zum Einsatz. In meiner Konfiguration werden es aber nur in etwa 250 Watt pro Motor sein, sodass eine Gesamtleistung von ca. 1 Kilowatt bereitsteht.

3.) Akkus
Es versteht sich von selbst, dass diese Energie auch bereitgestellt werden kann. Hierfür kommen in meinem Fall zwei parallel verschaltete Lithium-Polymer-Akkus mit je 11,1 Volt Nennspannung und einer Kapazität von 2200 Milliamperestunden zum Einsatz. Diese können mit einem maximalen Strom von 176 Ampere belastet werden, sodass genügend Reserven für einen sicheren Betrieb des Quadrocopters zu Verfügung stehen. Bei maximaler Belastung würde die Flugzeit bei knapp 3 Minuten liegen, jedoch wird im normalen Flugbetrieb kaum dauerhaft die maximale Leistung von 1000 Watt benötigt werden. Im Schwebeflug schätze ich die maximale Flugzeit auf etwa 10 Minuten, jedoch wird ein ein praktischer Test genauere Erkenntnis über die Flugzeiten bringen.

4.) Propeller
Die Propeller bilden zusammen mit den Motoren den Antrieb des Quadrocopters. Bei einem Propeller gilt es verschiedene Parameter zu beachten. Einerseits seinen Durchmesser, in meinem Fall 10 Zoll (25,4cm) und die Steigung der Luftschraube, die die maximal mögliche Vorwärtsbewegung des Propellers während einer einzigen Umdrehung in der Luft beschreibt. Für meine Propeller liegt dieser Wert bei 6 Zoll, also 14,24 Zentimetern.

5.) Fernsteueranlage
Die Fernsteueranlage setzt sich zusammen aus Sender und Empfänger. Der Sender besitzt 6 Kanäle, über die die Flugbewegungen des Copters (Roll, Nick, Gier) und die Leistung der Motoren (Throttle) eingestellt werden. Der Sender empfängt die Signale und gibt sie an die Motorsteuerungen weiter. In meinem Fall arbeiten Sender und Empfänger auf dem 2,4 GHz-Band, was eine störungsfreie Funkverbindung zwischen Sender und Quadrocopter sicherstellt.

6.) Rahmen
Zu guter Letzt kommt der Rahmen, dessen Aufbau denkbar einfach ist. Im wesentlichen handelt es sich hierbei um ein Kreuz aus Aluminiumprofilen mit einer Kantelänge von 15mm die von zwei “Baseplates” in Sandwichbauweise eingeschlossen werden (s. Bilder). Die Kunst beim Rahmenbau liegt vielmehr darin, bei größtmöglicher Stabilität und Verwindungssteifheit eine möglichst geringe Masse zu erreichen. Aus diesem Grund setze ich neben dem sehr leichten Aluminium bei den Baseplates auf glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK), der sich einerseits gut bearbeiten lässt und andererseits extrem stabil und bruchfest ist. Insgesamt kommt der Quadrocopter somit auf eine Gesamtmasse von gerade einmal 1,5 Kilogramm inklusive Akkus, Elektronik und Motoren.

Es folgen nun einige Bilder des beinahe fertiggestellten Quadrocopters. Vom ersten Testflug trennt mich im Wesentlichen eine stark unwuchtige Propellerhalterung, die noch ersetzt werden muss. Laut Pakettracking, dürfte das Ersatzteil aber nächste Woche aus China ankommen.

(Ja, die Bilder sind schlecht. Die nächsten werden bei besseren Lichtverhältnissen gemacht.)

[01.06.2012] Heute sind endlich die seit langem erwarteten Bauteile aus China angekommen, die ich vor zwei Monaten bestellt hatte. Die Bestellung bestand neben einigen Hochstrom-Steckverbindern, einer USB auf UART Brücke zur Programmierung der Fernsteuerung und einer Spannungsüberwachung für die Akkus außerdem aus einem Ersatz für die unwuchtige Propellerhalterung. Deshalb konnte ich heute erstmals einen Testlauf mit allen vier Rotoren durchführen. Um es sachlich auszudrücken, der Test war einfach nur beängstigend, denn die Rotoren erzeugten einen extrem hohen Schalldruck und ließen den Copter trotz einer Beschwerung mit 10,5 Kilogramm Gesamtmasse teilweise vom Boden abheben. Die Akkuspannung ist während des etwa einminütigen Testlaufs um 0,3 Volt gesunken.
Vor dem ersten richtigen Testflug stehen noch einige kleinere Arbeiten an, aber ich bin zuversichtlich, dass es dieses Wochendende noch zum Jungfernflug kommen wird.

[02.06.2012] Da ich den Quadrocopter heute morgen fertigstellen konnte, haben wir direkt mit den Tests begonnen. Der erste Testflug in ca. 20 Zentimetern Höhe mit Befestigung am Boden verlief einigermaßen problemlos bis sich einer der Spinner löste und inklusive Rotor zum Geschoss wurde (es wurde zum Glück niemand verletzt). Beim zweiten Testflug ohne Befestigung kam es wegen einer falschen Trimmung der Nick-Achse sofort zu einem Umkippen des Quadrocopters. Nachdem alles getrimmt und kalibriert war, konnte ein weiterer Versuch gestartet werden. Dieser verlief aber ebenfalls alles andere als erfolgreich, da der Quadrocopter sich um seine Gierachse drehte, was zu einem Absturtz führte. Da nichts beschädigt wurde, starteten wird den Copter ein drittes Mal. Seltsamerweise schien sich die Steuerung zurückgesetzt zu haben, weshalb sämtliche Trimmungseinstellungen fehlten. Aus diesem Grund kippte der Quadrocopter wieder um und einer der Ausleger samt Motorbefestigung wurden schwer beschädigt.

[04.06.2012] Nach weiteren Tests kann ich eindeutig sagen, dass die Steuerplatine defekt ist und entsprechend für die Abstürze und Fehlfunktionen am Samstag verantwortlich ist. Das Problem besteht darin, das zeitweise ein Motor sofort auf 100% Leistung beschleunigt, unabhängig von der der Einstellung am Sender. Des Weiteren lassen sich in diesem Moment auch die Roll- und Pitch-Achse nicht mehr steuern. Eine Aktualisierung der Firmware funktionierte einwandfrei, jedoch blieb das Problem weiterhin bestehen, weshalb ich auf einen Hardware-Defekt an der Steuerplatine tippe. Da das Problem nur die Pitch-Achse betrifft, könnte beispielsweise der für diese Achse zuständige Gyro-Sensor beschädigt sein oder große Fertigungstoleranzen aufweisen. Immerhin handelt es sich bei den Gyros nicht um sogenannte MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), sondern um normale SMD-Gyros, die unter Umständen sehr empfindlich auf Erschütterungen und Temperaturschwankungen reagieren.

[13.06.2012] Da die Verhandlungen mit dem Support zu keinem Ergbenis geführt haben bzw. der Rückversand wirtschaftlich nicht sinnvoll gewesen wäre (Warenwert: 16€, Versand: 18€), habe ich einfach eine neue Steuerung bestellt, die kommende Woche eintreffen sollte. Dann kann ich mich an einen weiteren Testflug wagen, der diesmal hoffentlich etwas erfolgreicher verlaufen wird, als das letzte Mal.

[07.07.2012] Hier gibt es einen neuen Artikel mit aktuellen Informationen.

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3 Kommentare zu "LB-Copter"

  • [...] Mittlerweile wurde das Tagebuch zu diesem Projekt veröffentlicht. Hier können Sie es lesen. 28. März 2012 | ModellbauTags: LB-Copter, Modellbau, [...]

  • [...] Projektlog meines aktuellen Projekts LB-Copter habe ich bereits von Problemen mit einer defekten Lageregelung, [...]

  • [...] einigen Wochen habe ich den Aufbau meines Quadrocopters erfolgreich abgeschlossen, musste jedoch beim ersten Testflug feststellen, dass die Flugsteuerung [...]