Die Flugkontrolleinheit von Demon

Juni 30, 2012 in Allgemein

Schon seit zwei Wochen Funkstille? Keine Nachricht von Demon? Nur bedingt, denn wir haben uns sowohl am vorletzten Freitag, als auch am letzten Freitag getroffen und am Projekt weitergearbeitet, wobei leider nicht genügend Material aufkam. Dies hat zum Einen damit zutun, dass wir beim vorletzten Demon-Treffen unseren Quadrocopter, unsere Pläne, Ergebnisse und Ziele unserem Sponsor und weiteren Personen präsentiert haben, sodass leider nicht genügend Zeit blieb, um selber am Quadrocopter weiterzuarbeiten.

Die Drotek 10DOF-IMU im Vergleich zu einer 5-Cent-Münze

Doch gestern ging es dann, wie gewohnt, weiter. Zunächst können wir mit Freude mitteilen, dass unsere IMU (Inertial Measurement Unit) von Drotek, die Drotek 10DOF, angekommen ist. Dieses Sensorboard ist ausgestattet mit einem Gyroskop, welcher auch als Lagesensor bezeichnet werden kann und teilt entsprechend seinem Namen die aktuelle Lagen in allen drei Achsen dem Mikrocontroller mit (Verbaut als Gyroskop ist der ITG3200). Ebenfalls besitzt das 10DOF-Board noch einen Beschleunigungssensor (BMA180), einen Magnetfeldsensor (HMC5883L) und einen Luftdrucksensor (BMP085), mit dem die Höhe reguliert werden kann. Da unser Mikrocontrollerboard mit 5V arbeitet, die Sensoren jedoch mit 3.3V, ist auf der IMU noch ein LLC (Logic Level Converter) angebracht, welcher die digitalen Signale auf die entsprechenden Spannung anpasst, sodass der Mikrocontroller ohne Probleme mit dem Sensorboard arbeiten kann.

Diese IMU werden wir zusammen mit einem Arduino Mini Pro einsetzen, welcher ebenfalls, wie bisher von uns eingesetzt, einen Atmega328P enthält und bereits einen 16Mhz Quarz zusammen mit Pin-Ausführungen am Rand des Boards auf kleiner Größe besitzt, sodass wir nicht nur Platz, sondern auch Gewicht einsparen.

Das Arduino Uno-Board wird durch ein Arduino Mini Pro ersetzt werden.

Zusammen ergeben unser 433Mhz Funk-Empfänger, das Arduino Mini Pro-Board und die Drotek 10DOF IMU die Flugkontrolleinheit, welche für einen stabilen Flug und die gesamte Steuerung der Motoren verantwortlich sind. Um das Rad nicht neu erfinden zu müssen und die verschiedenen Filter nicht neu implementieren zu müssen, werden wir als Softwarebasis auf MultiWii zurückgreifen, wobei wie diese Software zum Teil stark modifizieren müssen, um unseren Gegebenheiten gerecht zu werden. Ebenfalls können wir uns durch MultiWii verstärkt auf die Programmierung des autonomen Fluges konzentrieren, welches unser Hauptziel darstellt.

Doch genug von der Theorie, denn wir haben gestern noch, neben der Anpassung von MultiWii, unserem Quadrocopter Füße verpasst, welche aus Kunststoffrohrscheiben mit einem Durchmesser von 7cm bestehen und für den Stand stabil sind, jedoch auch sehr gut federn, falls der Quadrocopter aus geringen Höhen herunterfällt.

Füße ans Gestell: Abgehakt!

Am kommenden Sonntag werden wir uns noch weiter um die Anpassung von MultiWii kümmern und hoffen, dass unser Quadrocopter dann vielleicht schon stabiler in der Flug fliegen kann.

Alle Bilder findet ihr hier: Gestellbau #3

Bis dahin,
das Demon-Team!

~ Christian

Ein Kreuz für die Ewigkeit

Mai 4, 2012 in Allgemein

Lennart ist fleißig am Ausmessen

Nach einer zweiwöchigen Pause, in der wir über das Gestell diskutiert haben, gab es heute wieder etwas Praktisches zutun. Nach unserem traditionellen Mittagessen von einer Fastfood-Kette (Marke kann sich jeder denken), haben wir heute das Gestell zusammengebaut, mit dem wir vorerst arbeiten werden.

Unsere Materialien: Ein Vierkant-Aluprofil, Schrauben und CDs. Da unser Gestell eine Maße von circa 30cm x 30cm haben soll, haben wir das ein Meter lange Aluprofil mit einer Kantenlänge von 1,9cm in vier 15cm Stücke zersägt, wobei Lennart sich als wahrer Meistersäger herausgestellt hat. Um nun die vier Aluprofilstücke auch zu einem Kreuz verbinden zu können, musste eine Verbindung für die Mitte her, die auch gleichzeitig als Platz für die Mikrocontrollersteuerung und Sensoren dienen soll. Zunächst wollten wir dafür eine Kohlefaserplatte einsetzen, jedoch kam uns eine vielleicht bessere Idee: eine gewöhnliche CD.

Auf der Zielgeraden!

Das Material einer CD besteht aus Polycarbonat, ist flexibel und in CD-Form gepresst auch nur 15,9g schwer. Ebenfalls ist eine CD überall erhältlich und hat eine passende Größe, sodass wir uns dafür entschieden haben. Der nächste Schritt war nun für jede der vier Aluprofilstücke zwei passende Fixierungslöcher in die CD zu bohren, wobei es beim ersten Versuch einen Fehlschlag gab und die Symmetrie nicht gegeben war. Wir stellten ebenfalls fest, dass eine CD womöglich bei den Aluprofilstücken nicht starr genug wäre um um Flug alle Stücke gerade halten zu können und so legten wir zwei CDs übereinander. Der zweite Versuch jedoch glückte und nachdem wir auch Löcher in die Aluminiumstücke gebohrt hatten konnte geschraubt werden.

Hierbei stellte sich jedoch das nächste Problem auf: Wir mussten die Muttern der Schrauben in dem Vierkantprofil festhalten und hatten keinen passenden Schlüssel parat. Also eine kleine Zange genommen und die Arme verbogen, sodass wir die Schrauben schließlich doch festziehen konnten.

Das fertige Gestell

Das fertige Gestell hat ein stattliches Gewicht von 232g, ist dafür jedoch äußerst stabil. Besonders schön ist, dass die CD in der Mitte flexibel ist und sich die vier Stücke leicht biegen lassen, was bei einem Aufprall den Absturz dämpfen könnte, ohne dass etwas bricht. Zudem wäre ein Bruch der CDs schnell repariert, da sie, wie bereits erwähnt, leicht erhältlich sind.

Jedoch müssen wir auch sagen, dass dies womöglich nicht das letzte Gestell sein wird, da wir womöglich nach irgendwann auf ein Kohlefasergestell umstellen werden (danke an Peter!).

Nächste Woche könnte es schon zu einem ersten Aufbau des Quadrocopters kommen, da wir nur noch auf die Brushlessmotoren warten, welche jedoch bereits seit dem 02.05.2012 in Deutschland sind (vorher über Singapur – Schweiz). Wir denken, dass sie bis nächste Woche Freitag geliefert werden können.

Ebenfalls möchten wir eine Formel vorstellen, die wir mit unserem Lehrer entwickelt haben, mit den wir in unserer Steuerung näherungsweise die benötigte Drehzahl berechnen wollen, um den Quadrocopter in der Luft still zuhalten:

g = Schwerkraftskonstante der Erde (= 9.81)
w = Gewicht des gesamten Quadrocopters
ma = Motorenanzahl
ra = Rotorenanzahl
1.2041 = Luftdichte der Atmossphäre bei 20°C (kg/m³)
l = Länge eines Rotorblattes
b = Breite eines Rotorblattes
sin(g) = Stellwinkel eines Rotorblattes

Da wir uns nicht sicher sind, ob die Formel alle Aspekte berücksichtigt, kann möglicherweise jemand zu der Formel eine Aussage treffen.

Übrigens: Alle Bilder vom heutigen Tag findet auch auch in unserer Galerie: Gestellbau 1

Soweit vom Gestellbau-Tag,
das Demon-Team!

~ Christian

Bisherige Zusammenfassung

März 26, 2012 in Allgemein

Wir haben uns im Vorfeld lange über verschiedene Faktoren des Prototyps unterhalten und haben auch Entscheidungen getroffen.

Als vorläufiges Gerüst haben wir uns dabei für ein Holzrahmen entschieden, welcher in Kreuzform aus zwei Hölzern mit einer Kerbe in der Mitte geleimt und verschraubt werden soll. Die Länge jedes Holzstücks soll circa 30cm betragen.

Über die vorläufige Wahl der Motoren haben wir uns ebenfalls lange die Köpfe zerbrochen, nun sind aber die Johnson 10750 in der Bestellung. Diese liefern uns im Leerlauf 25.212 U/min und unter Last satte 12.606 U/min. Dies sollte nach unseren Berechnungen (Dank an unseren Physik-Lehrer) für das geschätzte Gewicht und unter Normalbedingungen für den Auftrieb des Quadrocopters ausreichen.

Für die elektronische Steuerung fiel die Wahl der Mikrocontroller ebenfalls vorläufig auf den Atmel ATmega328p, da dieser genügend Platz für das Steuerprogramm bietet, zugleich aber dank der RISC-Architektur und 16Mhz die Berechnungen schnell erledigen kann. Ebenfalls bietet er mit seinen 23 I/O-Pins genügend Anschlüsse für die Motorsteuerung und für die Sensoren.

In Bezug auf die Motorsteuerung war natürlich klar, dass der Mikrocontroller die Motoren nicht direkt ansteuern kann, da dieser weitaus nicht den benötigten Strom und auch nicht die Spannung bietet, damit die Motoren auf volle Drehzahl gebracht werden können (eher würde der Controller sich zum Braten eines Steaks eignen). Daher wird eine klassische Motorsteuerung verwendet, die H-Brücke. Derzeit wird noch diskutiert, ob dafür eine Schaltung aus 16 MOSFET-Tranistoren gebaut werden soll, oder der IC L283D verwendet werden soll, welcher jeweils zwei H-Brücken in sich trägt.

Als Sensoren werden vorläufig zur Messung der Luft ein Temperatursensor und ein Luftdrucksensor verwendet werden, damit der Quadrocopter dem launischen Wetter entgegenwirken kann. Als zusätzlicher Stabilisator soll ein Gyroskop dienen, welcher die aktuelle Lage des Quadrocopter an den Mikrocontroller weiterleitet und dieser die Motoren entsprechend steuern kann.

Um das ganze Gerät auch mit der nötigen Spannung Spannung versorgen zu können, soll entweder ein 9V Akku-Pack eingesetzt werden oder 6x AA-Mignon 1,5V in Reihe. Selbstverständlich muss stetig für eine neue Stromzufuhr gesorgt werden, da alleine die Motoren 4,2A brauchen werden.

Zur Gestaltung ist derzeit geplant, dass das Gerüst eine Kreuzform bekommt. An jedem Ende wird mit Kabelbindern ein Motor befestigt. Die Stromkabel zur Mitte des Gestells, wo sich die elektronische Schaltung befindet, werden direkt am Balken, oberhalb oder unterhalb verlaufen. Die Stromversorgung wird sich ebenfalls in der Mitte der Konstruktion, jedoch auf der unteren Seite befinden. Dadurch können wird wenigstens eine ungefähre Symmetrie bieten.

Das sind bisher die Planungen zum Prototyp, bis dann,

Das Demon-Team!

~ Christian