Neue Flugsteuerung für den Quadrocopter + Funktionsweise

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Herzstück des Quadrocopters ist die elektronische Fluglageregelung, die unter Zuhilfenahme verschiedender Sensorsysteme die aktuelle Position, den Winkel und die Höhe des Quadrocopters relativ zum Bezugssystem, also dem Boden, sowie die Drehbewegung des Quadrocopters um eine seiner drei Achsen misst und durch entsprechende Ansteuerung der Motorregler und damit der Motoren eventuellen Kipp-, Dreh- und Driftbewegungen entgegenwirkt.
Im Folgenden möchte ich ein wenig tiefer in die physikalischen Grundlagen, die hinter den auf einer Fluglagesteuerung verbauten Sensoren stecken, einsteigen. Wer sich nicht dafür interessiert, sondern nur den aktuellen Entwicklungssstand des Projekts verfolgen möchte, springt zum letzten Absatz.

Gyro-Sensor

Aktuell verwende ich auf meinem Quadrocopter das KK Controllerboard in der dritten Version, welches lediglich über drei diskrete SMD-Gyro-Sensoren verfügt. Diese stellen das absolute Minimum an Sensorausstattung dar, um einen Quadrocopter überhaupt fliegen zu können. Mit ihrer Hilfe wird die Winkelgeschwindigkeit bezüglich der drei Achsen, Roll, Nick und Gier, gemessen, sodass die Steuerung eine Drehung des Copters um diese drei Achsen feststellen und entsprechend gegensteuern kann. Alleine durch die Verwendung von Gyro-Sensoren kann somit eine elektronische Stabilisierung der Plattform erfolgen, was sich in der Praxis ja auch eindeutig gezeigt hat. Problematisch bei der Verwendung von Gyro-Sensoren ist allerdings, dass eben nur die Winkelgeschwindigkeit, nicht aber der aktuelle Neigungswinkel gemessen wird. In der Praxis bedeutet das, dass die Steuerung feststellt, mit welcher Geschwindigkeit sich der Copter um eine der drei Achsen dreht und versucht in gleichem Maße gegenzusteuern, sodass die Plattform anschließend wieder den gleichen Winkel mit dem Boden einschließt wie vor dem Kippvorgang. Was die Steuerung dabei aber nicht misst, ist der tatsächliche Winkel zum Inertialsystem, also dem Boden. Das führt zu Problemen, die ich beim Fliegen meines Quadrocopters in geringem Maße auch schon feststellen musste. Und zwar kommt es während des Fluges durch Temperaturschwankungen, Vibrationen, etc. dazu, dass die Gyro-Sensoren “driften”, d.h. jeder kleine Fehler während des Korrigierens von Rotationen um die drei Achsen summiert sich und sorgt dafür, dass der Copter nach längerer Zeit in der Luft nicht mehr senkrecht zum Boden fliegt, sondern seitlich abdriftet. Denn wie vorhin gesagt, misst die Steuerung nicht den Winkel, sondern die Winkelgeschwindigkeit.

Beschleunigungssensor

Erst ein zweiter Sensortyp schafft Abhilfe für dieses Problem – der Beschleunigungssensor oder auch Accelerometer genannt. Er misst die (lineare) Beschleunigung des Quadrocopters in Relation zu seinem Bezugssystem. Da der Sensor zudem die Erdbeschleunigung misst, ist es möglich, den exakten Winkel zwischen Plattform und Achse der Erdbeschleunigung festzustellen.
Der Beschleunigungssensor hat jedoch einige Nachteile, wegen der er nicht dafür geeignet ist, die Stabilisierung der Plattform alleine zu übernehmen. Zum einen misst er wie eingangs erwähnt nur lineare Beschleunigungen, d.h. er eignet sich nicht dafür, festzustellen, ob der Copter um eine der drei Achsen bzw. seinen Schwerpunkt auf einer Kreisbahn kippt. Zudem misst er anders als der Gyro-Sensor nur die Beschleunigung, nicht aber die aktuelle (Winkel)Geschwindigkeit. Somit eignet er sich nicht, um festzustellen, ob der Copter mit konstanter Geschwindigkeit rotiert, denn in diesem Fall ist die Beschleunigung Null. Gleiches gilt für den freien Fall, in dem sich der Copter unter Umständen zeitweise befinden kann. In diesem Fall misst ein Beschleunigungssensor ebenfalls eine Beschleunigung von Null, da sich die Plattform in einem Kräftegleichgewicht zwischen der zum Erdmittelpunkt gerichteten Gravitation und der entgegengesetzt gerichteten Kraft, die aus dem Strömungswiderstand des Copters in der Luft resultiert, befindet. Da somit die Gesamtkraft F, die auf den Copter wirkt, Null ist, ist auch die Beschleunigung gemäß F = m * a Null. Das resultiert natürlich in praktischen Problemen, denn sobald sich der Quadrocopter im freien Fall befindet, misst der Beschleunigungssensor eine Beschleunigung von Null und eine Flugregelung, die nur auf Basis von Beschleunigungssesnoren arbeitet, würde nicht mehr korrekt funktionieren. Infolgedessen würde der Copter außer Kontrolle geraten und abstürzen.

Kombination von Gyro- und Beschleunigungssensor

Wie immer gilt, erst die Kombination macht’s. Eine gute Fluglagesteuerung vereint also die Vorteile von Gyro- und Beschleunigungssensoren. So kann man bei Verwendung beider Sensortypen sowohl die Winkelgeschwindigkeit als auch die Beschleunigung des Copters relativ zur Umgebung messen und gleicht die Nachteile der beiden Systeme wie den Drift der Gyro-Sensoren und die Probleme des Beschleunigungssensors im freien Fall, etc. aus. Dies ermöglicht ein entsrechendes Filter, welches die Messswerte der Sensoren verrechnet. Ein Beispiel für ein solches Filter ist das Kalman-Filter, das bei diesen Anwendung häufig Anwendung findet.

Neue Flugsteuerung für den LB-Copter

Warum ich das alles erzähle? Nun ich verwende wie ganz am Anfang gesagt momentan nur Gyro-Sensoren, habe aber jetzt mit der MultiWii 328P eine Steuerung gefunden, die mit 27 US-Dollar nur unwesentlich teurer ist, als diejenige, die ich momentan verwende und die neben einem 3-Achsen-Gyro auch noch einen Beschleunigungssensor für jede Achse bietet. Zudem befinden sich auf der Steuerung auch noch ein Magnetometer und ein Barometer. Das Magnetometer dient einerseits dazu, den Copter auf der Gier-Achse zu stabiliseren, das Barometer andereseits sorgt dafür, dass der Quadrocopter stets auf ein und derselben Höhe bleibt.
Alles in allem dürften die zusätzichen Sensoren also dafür sorgen, dass der Copter wesentlich ruhiger und stabiler in der Luft liegt, als es aktuell der Fall ist. So dürfte der Copter mit der neuen Steuerung bei absoluter Windstille einfach auf einer Stelle stehen bleiben und sich wesentlich einfacher fliegen lassen als mit der einfachen Gyro-Steuerung. Damit das auch bei starkem Wind der Fall ist, bedürfte es noch eines GPS-Moduls, dass die aktuellen GPS-Koordinaten des Quadrocopters erfasst und diesen immer auf der gleichen Position hält. Ohne dieses Modul wird es bei Wind zwangsläufig zu einem horizontalen Abdriften kommen.

Ich werde die neue Steuerung zeitnah bestellen, sodass ich sie erst einmal auf dem alten Rahmen testen kann. Somit habe ich einen direkten Vergleich zum aktuell verbauten KK Board. Anschließend werde ich dann die Umrüstung auf den neuen Rahmen durchführen, der zurzeit allerdings noch nicht ganz fertig ist.

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1 Kommentar zu "Neue Flugsteuerung für den Quadrocopter + Funktionsweise"

  • [...] unterschiedlichen Sensoren und deren Funktionsweise erfahren möchte, sollte einmal einen Blick, in diesen Artikel [...]