Statusupdate – LB-Copter 3.0 und 3D-Drucker

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Liebe Leserinnen und Leser,

wie Sie unschwer am Datum meines letzten Beitrags erkennen werden, hat sich auf LB-Projects lange Zeit nichts getan, was man aber von meinen Projekten nicht behaupten kann. Neben mir auf dem Schreibtisch steht eine brandneue, flugbereite Revision des LB-Copters, der eine nunmehr ebenfalls sechsmonatige Planungs- und Bauphase vorangegangen ist. Aus Zeitmangel bin ich jedoch abgesehen von einer stichpunktartigen Konfigurationsanleitung leider nicht dazu gekommen, einen ausführlichen Worklog mit Bildern und Videos zu verfassen. Weiter unten werde ich aber noch einige Details über das Projekt preisgeben.

Weiterhin habe ich mich im Rahmen eines Praktikums in den letzten Wochen eingehend mit der 3D-Druckertechnologie befasst und den Entschluss gefasst, einen eigenen Drucker auf Basis der beliebten RepRap Druckerfamilie zu konstruieren und zu bauen. Ein CAD-Modell für einen einfach zu fertigenden kartesischen 3-achsigen Drucker ist bereits fertiggestellt, interessanter und vorteilhafter erscheint mir jedoch die Umsetzung einer CoreXY-Kinematik, welche eine präzise Steuerung des Druckkopfes bei geringer Baugröße des gesamten Druckers sowie hohe Druckgeschwindigkeiten ermöglicht. Kombiniert werden soll dies mit einem über Trapezgewindespindeln verfahrbaren beheizten Druckbett als z-Achse.
Dies ist momentan jedoch nur eine Idee, deren Umsetzung hauptsächlich davon abhängt, wie viel Freizeit mir im kommenden Semester zur Verfügung stehen wird.

Nun jedoch wieder zurück zum Quadrocopter. Version 2, über die ich im März dieses Jahres ausführlich berichtete, basierte auf der kostengünstigen MultiWii-Steuerung, welche zwar gut geeignet war, um weitere Erfahrungen mit dem Betrieb eines VTOLs zu sammeln, jedoch für meine Ansprüche über zu wenige Funktionen verfügte. So war lediglich ein manueller durch Gyrosensoren, Beschleunigungssensoren, Magnetometer und Barometer unterstützter Flubetrieb möglich. Weitere Sensoren wie ein GNSS-Empfänger (Glonass, GPS, etc.) sowie Sonar und weitere Spezialsensoren wären zwar teilweise auch von der MultiWii-Steuerung unterstützt worden, allerdings habe ich mich entschieden, auf eine leistungsfähigere und ausgereiftere Plattform umzusteigen. Daher habe ich mir einen APM Pixhawk mitsamt geeignetem GPS-Modul, Sonar und optischem Flusssensor sowie mit der Turnigy 9XR Pro eine neue Fernsteueranlage zugelegt.

Des Weiteren waren die Flugleistungen der Version 2 des LB-Copters zwar akzeptabel jedoch weit entfernt vom Optimum, weshalb zudem die gesamte Akku-, Motortreiber-, Motor-, Luftschraube-Kombination neu ausgelegt werden musste. So nutze ich nun 9 Zoll x 4,5 Zoll Luftschrauben mit Suppo 2212/13 1000 kV Motoren und kleinere, leichte 20 Ampere-ESCs mit speziell für Multicopter ausgelegter SimonK-Firmware sowie einen 2200 Milliamperstunden großen dreizelligen Lithium-Polymer Akku.

Diese Antriebskombination erlaubt im Schwebeflug eine weitaus höhere Effizenz und damit Flugdauer als beim alten Quadrocopter und ist zudem aufgrund der hochwertigeren Motoren und Luftschrauben erheblich ruhiger und vibrationsärmer. Bei einem Gesamtgewicht des neuen Copters von rund 850 Gramm (Version 2 wog über 2000 Gramm) liefern die vier Luftschrauben einen Schub von rund 2000 Gramm, sodass ein Schwebeflug knapp unterhalb von 50 Prozent des maximalen Schubes erzielt werden kann, was optimal für einen Quadrocopter ist.

Eine weitere Neuerung ist der Rahmen, welcher nun eine äußerst geräumige H-Konfiguration darstellt. Diesen habe ich aus 10 Millimeter-Aluminiumprofilen und 1,5 Millimeter dicken GFK-Platten gefertigt. Die Verbindung der Rahmenstreben erfolgt durch eine kombinierte Niet-Kleb-Verbindung die zum einen sehr leicht ist und des Weiteren eine gute Charakteristik hinsichtlich der Aufnahme auftretender Beanspruchungen (Scherung, Zug) darstellen dürfte. Außerdem kommt es anders als bei einer Schraubverbidung nicht zu Setzerscheinungen, die beim Rahmen meines vorherigen Quadrocopters zu Problemen führten.
Schön ist der Rahmen zugegebenermaßen nicht, aber die Hauptaspekte sind die Funktionalität und ein geringes Gewicht, welche von meiner Konstruktion erfüllt werden. Mit Sicherheit hätte man durch Einsatz von CFK noch weitere Gewichtseinsparungen erzielen können, jedoch ist dann wiederum mit einer zusätzlichen Dämpfung bzw. Abschirmung der Funksignale durch das CFK zu rechnen.
Geplant war zudem die Abschirmung des Flugcontrollers durch ein magnetisch hochpermeables MU-blech, da ich aber leider nicht über das Budget der NASA verfüge, musste hierauf verzichtet werden und eine 0,5 Millimeter starke kupferbeschichtete FR4-Platte übernimmt nun zumindest die Funktion einer gedämpften Halterung für den Flugcontroller.

Nach der Fertigstellung der Hardware konnte ich mich mit der Konfiguration der ArduCopter 3.2 Firmware des Flugcontrollers befassen. Hierfür zum Einsatz kommt der Mission Planner der Firma APM, über den alle Parameter der Steuerung überwacht und eingestellt werden können. Wen Details hierzu interessieren, der sei auf das ausführliche ArduCopter-Wiki verwiesen.

Einige erste Schwebeflüge wurden bereits erfolgreich absolviert und zeigen im Stabilize-Modus (vergleichbar mit dem Flugmodus des alten Quadrocopters) ein außerordentlich ruhiges Flugverhalten bei agilem Ansprechverhalten auf Steuereingaben am Sender. Weitere Flugmodi (LOITER, LAND, AltHold und RTL) testete ich vorsichtshalber nur während ich den Copter festhielt, um einen Crash zu vermeiden. Es zeigte sich im LOITER ein starkes horizontales Driften, dessen Ursache mir momentan noch unklar ist, vermutlich aber mit der Präzision der Standortbestimmung durch das GPS zusammenhängt.
Bevor ich diese Flugmodi im Freiflug testen werde, werden noch jede Menge Tests am Boden erfolgen, da ich einen Totalverlust des Quadrocopters durch falsche Konfiguration und einen daraus resultierenden Wegflug verhindern möchte.

Nun jedoch genug der Worte, hier sind einige Bilder der Version 3.0 meines LB-Copters.

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