Quadrocopter Eigenentwicklung

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Vampire

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Erfahrener Benutzer
#1
#1
Hallo Community!

Ich bin neu hier im Forum und habe mich hier angemeldet, weil ich mit meinem neuen Projektvorhaben in meinem Stammforum etwas deplatziert bin. Dort geht es vorwiegen um RC Cars und Plastikmodellbau. Ich glaube ich bin hier mit einem Quadrocopterprojekt richtiger ;-).

Geplant ist ein Quadrocopter bei dem ich nicht nur die Mechanik selber bauen und die Komponenten zusammensetzen will, sondern für den ich auch die Elektronik und die Software weitestgehend selbst entwickeln möchte. Hier mal eine kleine Vorhabensliste:

* Mechnanischer Aufbau
* Steuerplatine
* Lageregelung
* GPS Datenempfang
* Mechanik und Software für einen sensorgelagerten Kamerahalter
* Fernsteuerung-Eigenentwicklung inkl. eigenem Funkprotokoll (Also keine Standardfunksysteme)
* ...

Bisher habe ich nur einen Hubsan X4 Quadrocopter (6cm Rotornarbenabstand ;-)) den ich aber einfach nur gekauft habe. Jetzt möchte ich mehr und irgendwann evtl. mal einen großen Octocopter für professionelle FPV Aufnahmen bauen. Aber anfangen möchte ich erstmal mit einem Quadrocopter morerater größe.

Da ich nicht viel Ahnung habe von Flugeigenschaften und Komponentenauswahl habe ich die Seite www.ecalc.ch bemüht. Hier ist meine vorläufige Planung bzgl. der generellen Komponenten:

* Regler: http://www.xxl-modellbau.de/30A-SimonK-Firmware-Multicopter-Motorregler-ESC-30A-Regler_1
* Motoren: http://www.xxl-modellbau.de/Motor-2212-1000-Arduino-Multiwii-KK-Multicopter-0-3kg-Startgewicht-4x
* Gyro und Beschleunigungssensor: http://www.xxl-modellbau.de/Gyro-Kreisel-ACC-MPU-6050-I2C-Board-Arduino-Multiwii-Multicopter
* Barometer und Magnetometer: http://www.xxl-modellbau.de/BARO-BMP085-MAG-HMC5883L-I2C-Board-Arduino-Multiwii-Multicopter
* GPS Maus: http://www.xxl-modellbau.de/Multiwii-GPS-Empfaenger-CN-06-Ublox-Neo-6M-115200Bd-5Hz-Dupont
* Propeller: http://www.xxl-modellbau.de/Q-Prop-10x45-Quadcopter-Propeller-1x-links-1x-rechts-CCW-CW-MK-ORANGE

Steuern werde ich den Copter über ein Applicationboard mit einem ATXMega128 Mikrocontroller von Atmel. Dieses Board habe ich bereits hier und kenne mich damit gut aus.

Im Anhnag findet Ihr die ecalc berechnung dazu. Mich würde die ein oder andere Professionelle Meinung zu meiner Auswahl sehr interessieren.

Ich habe hier im Forum schon viele Copter mit sehr ausgefeilter Mechanik gesehen, Dafür meinen Respekt! Ich habe leider nur eine bescheidene Werkstattausrüstung und werde mich erstmal mit Aluprofilen und Aluplatten begnügen müssen ;-).

Gruß, Markus
 

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Erfahrener Benutzer
#3
#3
Hi ReX!

Danke für Deine Antwort und ja, das ist die richtige Idee. Kaufen kann jeder, das ist langweilig. Zudem habe ich bereits im RC Car Bereich Elektronik und Software selbst gebaut bis hin zur Fernsteuerung und das Basteln steht bei mir auch im Vordergrund! Ich möchte mal eine Regelung usw. selbst entwickeln. Ausserdem kann ich dann alle möglichen Erweiterungen selbst einprogrammieren und bin wesentlich flexibler als bei einem Fertigmodell. Mir gings erstmal nur um die Antriebskomponenten und um ein Feedback dazu...

Gruß, Markus

PS: Danke an den Admin, der mein Themnnamen korrigiert hat :)
 
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The-BlackJack

Einer der Ersten
#4
#4
ich weiß nicht ob du dir das nicht ein bisschen einfach vorstellst! für die gegelung müssen so viele parameter gleichzeitig beachtet werden damit das ding in jeder lage stabil und kontrllierbar ist! das ist in kkeinster weise zu vergleichen mit der fernsteuerung wo es nur daum geht einfache signale weiterzuleiten!
und erweiterungen.. naja die bestehenden systeme haben und können eigentlich alles was das herz begehrt und sind zum teil open Source wenn du also selbst programmieren kannst steht dir das immer offen!
 
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Erfahrener Benutzer
#5
#5
Oh, ich glaub ich muss da noch eine Kleinigkeit anmerken: Ich bin beruflich Softwareentwickler für eingebettete Systeme. Sensoren, Datenverarbeitung und Regelungen sind also mein Brot. Darum braucht Ihr Euch keine Gedanken zu machen ;-). Leider geht meine eigentliche Frage etwas unter, und zwar ob die Antriebskomponenten, die ich im ersten Beitrag gepostet habe, die Richtigen sind für den Copter den ich beschrieben habe.

Gruß, Markus
 
konus123

konus123

Erfahrener Benutzer
#6
#6
deine ecalc Berechnung sieht ja mit den 18 Minuten gut aus-- aber die stimmt so nicht ganz. Akku 400 g, Motoren 240g, esc 120g - sind schon 760 g und du hast als gewicht 850g angegeben. ich denke mit 90g für rahmen, fc mit gps, Empfänger, Gimbal und jede menge kabel und sonstiges gedöns wird schwer.

schau dir Beispiel configs im netz an und wähle danach Komponenten aus.

Alex
 
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Vampire

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Erfahrener Benutzer
#7
#7
Hi!

Danke für Deinen Einwand konus123. Das ist mir erst gar nicht aufgefallen. Ich habe versucht mal noch ein wenig zu optimieren, auch die Motordaten habe ich nun mal etwas genauer rausgesucht. Ich wäre jetzt laut ecalc bei 1300g Abfluggewicht, wobei die Anttriebskomponenten ca 850g wiegen. Damit hätte ich noch 450g Spiel für die Elektronik, Kabel, Rahmen usw.. Das sollte drin sein. Wenn ich das Abfluggewicht erhöhe meckert ecalc bis 1700g nicht, so könnte ich sogar optional noch ne kleine Kamera darn hängen. Was meint Ihr?

Gruß, Markus
 

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Erfahrener Benutzer
#9
#9
Hi konus123!

Danke für den Tipp. Der Rahmen mit integriertem Stromverteiler finde ich ja spitzenklasse :). Hab mir das Rahmenset und das Landegestell mal auf meine vorläufige Einkaufsliste geschrieben (Auch, wenn ich schon Alu-4-kantprofile 10x10mm gekauft hatte ;-)). Schwarz eloxiertes Aluminium finde ich ohnehin von der Optik her unantastbar. Ich glaub Motor und Regler würd ich lieber bei XXL-Modellbau kaufen, hab da nur sehr gutes gehört.

Gruß, Markus
 
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Erfahrener Benutzer
#11
#11
Steuersticks

Hallihallo!

Es ist ja noch ein weiter weg, bis ich an einem Punkt angomme, an dem ein Quadrocopter wirklich abhebt. Aber den Anfang möchte ich schonmal machen.

Steuersticks
Von einem Arbeitskollegen habe ich eine alte Graupner D8 Funke geschenkt bekommen. Das Teil ist asbach uralt und sicher wird sowas niemand mehr verwenden, der halbwegs vernünftig sein Flugmodell steuern will ABER mich haben nur die Steuersticks interessiert. Die sehen noch sehr gut aus und liefern auch einwandfreie Signale. Da sind die guten alten Sachen doch immernoch die robustesten :).

Prinziell funktionieren alle Steuersticks, damals wie heute, gleich. Durch die Hebelbewegung wird ein regelbarer Widerstand geändert, welcher über eine bestimmte elektronische Schaltung in Form einer analogen Spannung von einem Mikrocontroller (Analaog Diogital Converter [ACD]) gemessen werden kann. In dem meisten Steuersticks sind als regelbare Widerstände sogenannte Potentiometer (POTI´s) verbaut. Diese haben drei Anschlüsse, wobei die beiden äußeren den Gesamtwiderstand des POTIS´s umfassen und der Mittlere Abgriff bezogen auf die beiden aussenliegenden den Regelbaren Widerstand ausgeben. Das Schatsymbol dazu findet Ihr im zweiten Bild mal exemplarisch eingezeichnet.

Im dritten Bild seht Ihr die Schaltung, welche ich verwenden werde, um die Steuersticksignale von dem Mirkrocontroller in der Fernsteuerung zu erfassen. Dazu muss ich erstmal sagen, dass der Mikrocontroller ATXMega128 mit einer Versorgungsspannung von 3,3V (Vcc genannt) versorgt wird. Diese Spannung muss zwingend immer konstant gehalten werden durch z.B. einen Festspannungsregler (Dazu später mehr...). Nehmen wir erstmal an, wir haben eine konstante Spannungsquelle mit 3,3V. Ihr seht unten im Bild eine einzelne Achse eines Steuersticks (R1 und R2, das Ding mit dem diagonalen Pfeil durch ist das Schaltsymbol für einen regelbaren Widerstand). R0 ist ein ganz normaler Wiederstand mit festem Wert. Rechts der ATXMega128 Mikrocontroller angeschlossen an einen seiner ADC Pins. Ein ADC ist eine Hardwareschaltung (Integriert im Mikrocontroller), welche es erlaubt ein analoges Spannungssignal (in deisem Fall von 0V bis 2,065V) in einen äquivalenten digitalen Wert umzuwandeln. Der Mikrocontroller unterstützt auch noch andere Spannungsbereiche für seine ADC, jedoch ist die Verwenung der internen Referenzspanung von Vcc / 1,6 ohne weitere anzuschließende Leitungen am einfachsten. Vielleicht hat der ein oder andere ja schonmal sowas gehört wie "12bit ADC". Das bedeutet, dass ein analoger Wert mit einer Auflösung von 12 bit erfasst werden kann. 12 bit im binärformat entsprechen einem Wertebereich von 0 bis 4096 (2 hoch 12). Anders formuliert: Wenn der Steuerhebel mit Vollausschlag in die eine Richtung bewegt wird liegen nahezu 0V am ADC Eingang an, was einem digitalen Wert von 0 entspricht. Bei Vollausschlag in die andere Richtung liegen max. 2,0625V an, was einem digitalen Wert von 4096 enspricht, dazwischen werden alle anderen Wete linear angeordnet. Da Widerstände in Reihe geschaltet an den mittleren Abgriffen die angelegte Spannung linear Teilen, kann einfach nachgerechnet werden, dass die Schaltung im dritten Bild eine Spannung von 0 bis 1,98V liefert. Somit ist noch genug Spielraum für leichte Abweichnungen und der ADC Bereich wird nahezu voll ausgenutzt. Optimale Vorraussetzungen für eine präzise Steuerhebelerfassung.

Mein Projekt beeinhaltet sehr viel Elektrotechnik und Softwareentwicklung, daher werde ich sehr viele Beiträge mit theoretischem Inhalt posten. Ich weiß, dass ist etwas anderster und anspruchsvoller als die meisten Beiträge hier aber vielleicht interessiert es ja doch den ein oder Anderen. Ansonsten habe ich immerhin meine Doku hier ;-).

Viele Grüße,
Markus

NACHTRAG: STRÖME
Was ich wichtiges vergessen habe zu erwähnen ist die Stromberechnung. Je mehr Strom eine Schaltung verbraucht, desto kürzer hält ein AKKU. Also möchte ich den Strom hier nochmal kurs beleuchten. Der ADC Eingang des Mikrocontrollers ist immer hochohmig, was bedeutet, dass man sich darüber keine Gedanken machen muss, wie viel Strom dort fließt (Er ist verschwindend gering!). Worüber man jedoch nachdenken muss ist wie viel Strom über R0 und R1 fließen.Denn diese beiden Wiederstände sind die einzigen die Vcc und Ground trennen. Wer halbwegs in Elektrotechnik geschult ist kennt die Formel I = U/R. Demnach fließt dann der größe Strom, wenn der Wiederstand am geringsten ist. In unserem Fall dann, wenn der regelbare Wiederstand so eingestellt ist, dass R1 = 0 ist. Dann haben wir nur noch R0 mit 1kOhm. In diesem Fall fließt ein Strom von I = 3,3V / 1000 Ohm = 0,0033A = 3,3mA. Das ist zwar kein Spitzenwert aber durchaus akzeptabel. Leider geben die Steuersticks der alten D8 nicht mehr Wiederstand her, um den Strom zu verkleinern. Als Beispiel: Zwei Steuersticks, die max. 3,3mA pro Achse (Also 4* 3,3mA) verbrauchen würden einen AKKU mit 1800mAh in einer Zeit von 136 Stunden leeren. Das ist also volkommen in Ordnung ;-P.
 

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Erfahrener Benutzer
#12
#12
Fernsteuerung

Nun möchte ich mit der Fernsteuerung anfangen.

Da ich zunächst erstmal alles in THT Technik aufbauen möchte wird zunächst etwas mehr Platz für alles benötigt, jedoch ist die Erweiterbarkeit auch einfacher. Bei der Fernsteuerung ist das nicht schlimm, die darf für mich gern auch recht groß werden. Am besten so, dass man seine Handballen rechts und links neben die Steuersticks auflegen kann für eine maximale Kontrolle. Ich habe mir also im Baumarkt 2mm ALU-Belche besorgt und erstmal ganz grob auf die Maße 30x50cm gesägt.
Ich habe hier noch ein monochromes Display "eDIP 240" von Electronic Assembly rumliegen, für welches ich schon lange eine Anwenung suche. Es wird also in der Funke eingebaut und soll zur Anzeige und Kallibration von allerhand Zeugs wie GPS Koordinaten, Höhe, Abstand zur Funke, AKKU-Spannung(en) usw. dienen. Es hat eine optionale Hintergtundbeleuchtung und ein Touchpanel. Damit spare ich mir also ne Menge Hardwareschalter und Knöpfe, denn ich kann die Eingaben über das Touchdisplay relalisieren. Dieses Display habe ich früher schon bei meinem RC Car verwendet und kenne es schon. Ich werde es hier in einem späteren Beitrag nochmal genauer beschreiben. Vorerst reicht es zu wissen, dass ich es verbauen möchte.
Ich habe also angefangen Löcher für die Steuersticks zu bohren und zu fräsen. Leider habe ich nur eine kleine PROXXON Bohrmaschine mit einem runden Fräskopf (ein Zylinderförmiger ist bestellt), sodass ich lange an dem einen Loch rumgefräst habe bis der Stick endlich reingepasst hat :-D. Man sieht auch im ersten Bild die Dimensionen der Funke und des angedeuteten Displays. Das dritte Bild zeigt einen bereits eingeschraubten Stick. Liegt bisher gut in der Hand. Das vierte Bild zeigt das erwähnte Display. Dafür habe ich bereits eine Einbaublende bestellt. Das Loch für das Display mache ich erst rein, wenn die Blende da ist.

Gruß, Markus
 

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Erfahrener Benutzer
#13
#13
Steuerplatine für den Copter

Soooo, kommen wir zum "Herzstück" des Copters. Da es erstmal alles nur THT Technik wird, wird die Hauptplatine die Abmessungen von 10x10cm haben. Später, wenn alles läuft und getestet ist, habe ich vor eine SMD PLatine zu layouten und bei einem Platinenhersteller ätzen zu lassen. Ich baue erstmal auf Standardlochrasterplatine auf. Im ersten Bild seht Ihr die Platine mit bereits aufgestecktem ApplicationBorad mit ATXMega128 Mikrocontroller und zwei Festspannungsreglern für 3,3 und 5V inkl. der nötigen 10nF Kondensatoren (Bisher 49 Gramm, am Ende wird die Platine sicher 100g überschreiten). Das zweite Bild habe ich aus dem Datenblatt der Festspannungsregler, welche bis zu 5A belastet werden können. Das ist für die Steuerelektronik WEIT MEHR ALS AUSREICHEND! Da könnte man soagr noch 4 High Power LED mit jeweils 1A unterbringen. Aber meine Devise ist: Luft nach obene ist immer gut!

Stichwort Festapnnungsregler: Diese Bauteile machen Folgendes: Sie bekommen als Eingangsspannung die AKKU-Spannung. Sagen wir mal bei 2S LiPo AKKU´s sind das 8,2V bis minimal 6,0V. Die interne Schaltung ist eig. uninteressant. Was wichtig ist, ist zu wissen, dass immer eine konstante Spannung am Ausgang ausgegeben wird. In meinem Fall sind das jeweils einmal 3,3V und einmal 5V und zwar unabhängig von der Eingasspannung. Ich nutze hier die Festspannungsregler LM1084 5V und LM1084 3,3V. Beide sind bis zu 5A belastbar, was schon SEHR ordentlich ist. Man muss dazu jedoch sagen, dass diese Bautiel nicht die effizientesten sind, denn sie setzen die überschüssige Spannung des AKKU´s in Wärme um (Verloreren Energie). Wen es interessiert bessere Spannungsversorgungen zu verwenden, dem sei angeraten mal nach "getaktenten Spannuntgsversorgungen" zu suchen. Ich werde jedenfalls die einfache Version mit Festspannungsreglern umsetzen. Diese Regler benötitgen als Eingansspannung immer 1,5V mehr Spannung als wie die Ausgangsspannung ist. Also bei 5V Ausgangsspannung muss der AKKU immer mindestens 6,5V liefern! In Bild 2 habe ich eine ApplicationNote aus dem Datenblatt des Reglers herangezogen, um zu zeiten, wie ein üblicher Aufbau der Schaltung realisiert wird. Zwischen Vin (AKKU-Spannung) und GND und zwischen Vout (3,3V bzw. 5V) und GND wird jweils ein 10nF Kondensator geschaltet und die Maschine tut was sie soll ;-P. Wer dazu noch fragen hat, kann mir gern ne PM schreiben.

Auf dem dritten Bild sieht man nochmal die Lötpunkte für die ApplicationBoard Aufnahme. Alles muss gut verlötet werden :).
 

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Erfahrener Benutzer
#14
#14
Funkmodule

Die Funkmodule für die Steuerung sind ein SEHR heikles Thema. Die meisten von Euch kaufen sich teure Fernsteuerungen und Empfänger mit XX Steuerkanälen von professionellen Firmen. Ich will das selber machen! Aber das leigt auch nahe, denn ich habe meine UNI - Abschlussarbeit im März diesen Jahres über Funkkomunikation abgeschlossen. Früher habe ich viel mit ZigBee rumgemacht im RC Car Bereich, doch das Problem war, dass immer nur ein einzelner Funkkanel genutzt wurde, sodass Störungen auf diesem Kanel schnell zu Frust geführt haben. Jetzt habe ich ein anderes Funkmodul gefunden. Es handelt sich um das "DNT24p" der Firma "FRM". Es bassiert auf der FHSS Technik, hat eine Reichweite bei Sicht von 5 Milen (> 8 km) und kostet ca. 30€. Die FHSS Technik war mir sehr wichtig für den Flug-Modellbau, da Funkausfälle hier katastrophale Folgen haben können. Durch die FHSS Technik werden, wie bei Bluetooth, viele Frequenzen genutzt, um ein Signal zu übertragen, damit werden Funkausfälle sehr unwahrscheinlich (Es sei denn einer stellt sich mit dem RF Jammer hin und blockiert alle Frequenzen..... solche Leute gehören eingesperrt!). Ich denke mal die meisten von Euch fahren mit ner FHSS Funke also sollte der Begriff bekannt sein. Auf dem ersten Bild inst solch ein Funkmodul abgebildet, es wiegt 7 Gramm.

Was ich anders machen werde ist, dass ich die Bandbreite nicht auf "Kanäle" aufteilen werde, sondern mir ein eigenes Funkverfahren entwickeln werde, bei welchem alle Steuerdaten mit 50Hz übertragen werden und Telemetriedaten wie AKKU-Spannung(en), Höhe, Abstand zum Sender usw. von der Funke erfasst werden können. Ich brauche dann auch keinen seperaten Empfänger. Wie genau das alles von Statten geht, werde ich in einem späteren Beitrag beschreiben. Worauf ich allerdings besonderes Augenmerk legen werde ist die Sicherheit. Denn mit dem Flugmodellbau sollte ein gesundes Sicherheitsempfinden einher gehen!!!
Da ich diese Funkmoduele bisher noch nie verwendet habe, habe ich mir ein Eval Kit bestellt (Bild 2), mit welchem ich die Zuverlässigkeit der Module erstmal gründlich testen werde! Das Testverfahren und die Ergebnisse werde ich in einem separaten Beitrag beschreiben.

Sooo, das wars erstmal von mir. Ich hoffe ich habe Euch nicht erschalgen mit theoretischen Wissen. Wenn es den ein oder anderen gefällt, würde ich mich sehr freuen kann aber auch verstehen, wenn viele gar nich so tief in die E-Technik und die Sofware einsteigen wollen.

Viele Grüße,
Markus
 

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M

Magneto

Benutzer
#15
#15
wow genial! ich finde das extrem interessant und spannend.
klasse dass du das alles so detailliert beschreibst.

ein ehrgeiziges Projekt.
aber hier ist ja offensichtlich der Weg schon Teil des Ziels.. von daher: bitte weitermachen!
 
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Erfahrener Benutzer
#16
#16
Hi Magneto!

Viele Dank! Ja, das Basteln steht im Vordergrund und natürlich soll am Ende auch alles funktionieren. Freut mich jedenfalls, dass es Dich interessiert. So bleibt man am Ball und hat einen Grund mehr weiterzumachen :).

Viele Grüße,
Markus
 
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Erfahrener Benutzer
#19
#19
Hi!

@ The-BlackJack: Das ich das vergessen hab zu schreiben.... also die DNT24P Module funken auf 2,4GHz (das gleibe Frequenzband wie W-LAN, Bluetooth, ZigBee, ...).

Gruß, Markus
 
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FPV1

Banggood

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