Projekt Autocopter, Oldenburg, Germany

Das Vorgängermodell (Version 1)

2012/2013 haben wir im ersten Projektabschnitt diesen Quadrocopter entwickelt.

Wir hatten entschieden, den Copter mit sechs Motoren auszustatten und haben in dem Zuge auch die Softwareplattform auf Ardupilot gewechselt.

Dies hat so viele Veränderungen mit sich gebracht, dass wir die Entwicklung des neuen Hexacopter nun hier separat dokumentieren.

Der neue Rahmen: Centerplatte, Dome, Ausleger und Landegestell

Die Basis stellt nach wie vor eine Centerplatte aus Pappelholz mit 16 cm Durchmesser (6 mm stark, 5 verleimte Schichten). Pappelholz ist sehr leicht und in jedem gut sortiertem Baumarkt erhältlich.

Die Ausleger und das Landegestell sind aus 10x10 mm Alu(hohl)profilen.

Centerplatte und Alu-Profile sind verschraubt mittels 3 mm Gewindestangen mit selbstsichernden Muttern und Unterlegscheiben. Die Löcher für die Gewindestangen haben 3,2 mm Durchmesser.

Die Spannweite des Copters beträgt 46 cm ohne Propeller (Mitte Copter bis Mitte Motorachse 23 cm) bzw. 72 cm mit Propeller (Mitte Copter bis Ende Propeller 36 cm)

Die Elektronik auf der Centerplatte wird von einem Dome (halbe Acrylkugel mit 16 cm Durchmesser) geschützt. Sie hat sich schon bei der Version 1 als praktikabel und sehr stabil herausgestellt hat. Diese Kugeln gibt es in Bastelläden für ca. 4,- €. Es gibt sie auch mit 18 und 20 cm Durchmesser.

Die linke Kugelhälfte wurde von innen mit einem 400er Schmirgelpapier bearbeitet, so dass sie etwas undurchsichtiger wird, aber die LEDs der Elektronik noch durchscheinen können. Letzlich benutzen wir aber lieber die klare Kugel, da man dann auch genau sieht welche LED gerade leuchtet bzw. blinkt.

Brushless Motoren (BLM) EMAX CF2822

Kompatibel mit 2 und 3 Zellen LiPo Akkus
1200 RMP/V (Umdrehungen pro Volt)
Größe: 22mm x 10mm
Achsendurchmesser: 3mm
Gewicht: 39g / Stück

Die Motorwelle wurde gekürzt (der Stab der oben rausguckt), so dass der Propeller direkt auf dem Motor sitzt.

Motorregler

(Electronik Speed Control / ESC) haben eine Leistung von 30A (Kurzzeitig bis zu 10 Sek. 40A)

Eingangsspannung: 2 oder 3 Zellen LiPos oder 5-9 Zellen NiCd/NIMh Akkus
BEC: 1A / 5V (Linear mode).
Max Speed:
210,000 rpm for 2 Poles BLM
70,000 rpm for 6 poles BLM,
35,000 rpm for 12 poles BLM.
Maße: 45mm (L) x 24mm (W) x 11mm (H).
Gewicht: 25g / Stück

Akkus

Die Akkus sind LiPos mit 5000 mAh, 11,1 V (3S) und 30C

LiPo 3S mit 5000mAh

LiPo = Lithium Polymer

3S = 3 Zellen. Eine Zelle hat 3,7 V. 3S entspricht also 11,1 V.

5000 mAh = Kapazität des Akkus (= 5 Ah)
Dies sind bei 11,1 V = 55,5 Wh.

30C bedeutet, dass der Akku maximal das 30 fache seiner Kapazität an Strom abgeben kann.
Also 30 x 5000 mA = 150.000 mA = 150 A (bei 11,1 V). Dies sind 1665 Watt.

Oder anders gesagt: Man könnte in nur 2 Minuten die ganzen 5000 mAh aus dem Akku ziehen! Dies ist die große Stärke von LiPo Akkus.

Ein Akku wiegt 373 g.

Die Propeller

Das sind die passenden Propeller Adapter (Prop Saver) zum Schrauben.

3D Kamera

Diese Kamera ist von Minorou. Die erste konsumer 3D Webcam auf dem Markt. Ist schon ein Paar Jahre alt, aber es gibt gute Linux Unterstützung.

Der Abstand der Kameras ist 60 mm und entspricht fast dem durchschnittlichen Augenabstand von 65 mm (Mann) und 62 mm (Frau).

Das Foto mit der roten Kamera ist der Lieferzustand.

Im Copter ist sie schwarz und nur der obere Teil wurde montiert. Außerdem ist sie so drehbar montiert, dass vorwärts- und Rückwärtsbewegungen mittels eines Servos kompentiert werden können (Servo nicht im Bild).

Technische Daten:
VGA CMOS Sensor
Maximale Auflösung 800×600
Maximale Framerate 30 fps
L/R shutter nicht synkronisiert (Max Zeitversatz 16.5 ms)
Manueller Focus (von 10 cm bis unendlich)
Sichtbereich 42°

Das Hauptproblem ist, dass die Bilder, die von den beiden Kameras kommen, nicht synkronisiert sind. Also nicht zum selben Zeitpunkt aufgenommen werden. Durch den Zeitversatz werden die Berechnungen des 3D Bildes verschlechtert oder sogar unmöglich bei schnellen Bewegungen.

Ultraschall-Sensoren

Die Typbezeichnung des Sensors ist SRF02. In dem schwarzen Gehäuse sind sowohl der Ultraschallsender als auch der Empfänger platzsparend untergebracht. Der Sensor wird über I²C angesprochen. Über I²C ist es einfach mehrere Sensoren an eine I²C Leitung zu hängen und nacheinander anzusprechen.

Technische Daten:

Eingangsspannung: 5V
Stromverbrauch: 4mA
Frequenz : 40KHz
Messbereich: 15cm - 6m
Analoge Verstärkung: Automatische 64 stufige Verstärkung
Anschluss über I2C Bus oder seriellen Bus
bis zu 16 Sensoren an jeden Microcontroller oder UART Schnittstelle
Automatische Einstellung: Keine Kalibrierung notwendig
Einheiten : Abstand wird in uS, mm oder inches angegeben
Gewicht: 4.6gr
Größe : 24mm x 20mm x 17mm

Dosenlibelle

Eine Dosenlibelle ist eine 2-dimensionale Wasserwaage. Sehr praktisch um bei der Kalibrierung den Copter genau waagerecht aufzustellen.

Neuer Flugcontroller "Micro APM 2.72" - neue Software "Ardupilot"

Technische Daten:
Atmel ATMEGA2560 and ATMEGA32U-2 (processing and USB function).
Accelerometer/Gyro MPU-6000
Kompass: Honeywell HMC5883L-TR
Barometer MS5611-01BA03
Micro-USB
I²C Bus
Anschlussmöglichkeit für GPS, Telemetrie, externen Kompass und Power Modul

Maße: 35x35x5 mm
Gewicht: 5.3g

GPS Modul

Das GPS Modul aus dem Quadrocopter (Version 1) wird jetzt über den seriellen Port am APM Flugcontroller angeschlossen.

Mission Planner - Software der Bodenstation

Der Mission Planner läuft auf einem PC / Notebook und wird zur Kommunikation mit dem Flugcontroller (FC) benötigt. Im einfachsten Fall ist der Notebook über USB-Kabel (mit 115200 Baud) mit dem FC verbunden, um ihn mit der neusten Software zu flashen und auch die Funktionen auf dem FC einzustellen.

Man kann allerdings auch eine Drahtlosverbindung über Bluetooth oder besser 433 MHz (57600 Baud) herstellen und den Mission Planner so auch während des Fluges benutzen, um die Telemetriedaten zum Boden zu funken und auch Einstellungen während des Flugs zu ändern. Bluetooth hat in der Praxis vielleicht eine Reichweite von 20 m. Über 433 Mhz mehrere huntert Meter bis hin zu einigen Kilometern.

Der Mission Planner hat seinen Namen daher, weil auch Missionen (= Wegpunkte) programmiert werden können, die der Copter selbstständig abfliegt.

Telemetrie Modul (433 MHz)

Genauer gesagt erfüllt dieses Modul mehr als nur die Telemetrie Aufgabe. Telemetrie bedeutet, dass Daten vom Fluggerät zurück an den Boden gesendet werden. Z.B. Akkuspannung aber auch Flugdaten wie Höhe, GPS Koordinaten, Lage etc. Diese werden dann z.B. in der Fernsteuerung angezeigt oder in unserem Fall in der Mission Planner Software auf dem Notebook.

Man kann aber auch Daten vom Notebook zum Flugcontroller senden und z.B. Einstellungen ändern oder Wegpunkte setzten. Es handelt sich also um vollständige eine bidirektionale Funkstrecke auf der die Daten mit 57600 Baud übertragen werden.

Wichtig: Die in Deutschand maximal erlaubte Sendeleistung bei 433 MHz beträgt 10mW. Die EBay/Asia-Module können meist mit bis zu 100mW senden. Stellt diesen Wert runter. So viel Watt ist nicht erlaubt und wird auch nicht benötigt. Mit 10mW sendet man schon weiter als man mit der 2,4 GHz Fersteuerung kommt.

Das "Ground Modul" (rechts) wird per USB an den Notebook angeschlossen:

Im Copter ist das "Air Modul" (unten) das Gegenstück und wird an den seriellen Port des Flugcontrollers angeschlossen:

Der Truck - Testplattform für Ultraschall-Sensoren

Paralell zur Weiterentwicklung des Copters haben wir nun auch einen ferngesteuerten Truck als Testplattform für die Sensoren der höheren Funktionen wie z.B. Ultraschall oder Stereokamera.

Auf dem Truck werkelt ein Raspberry Pi, der die Lenkung und den Motor ansteuert.

An den Raspberry Pi sind über I²C mehrere Ultraschall-Senroren angeschlossen.

Die Software ist in Pyhton geschrieben und bringt den Truck dazu, Hindernisse zu erkennen und ausweichen.

Ultraschall als Höhensensor am Copter

In der Ardupilot Software ist bereits die Funktionalität enthalten, Höhe per Ultraschall-Sensor zu ermitteln und so die Höhe zu halten oder auch einen weichen Start und eine weiche automatische Landung zu ermöglichen.

Leider sind die in der Software implementieren Sensoren etwas anders als unser SRF02. Die Register, die man ansprechen muss, um eine Messung auszulösen und auch um das Ergebnis auszulesen sind andere.

Ein Versuch den Sourcecode entstprechend anzupassen und neu zu kompilieren scheiterte aber aus unerfindlichen Gründen...!?!?

Fernbedienung und Empfänger - Turnigy 9X

Turnigy 9x 9Ch Sender
Turnigy RF9X-V2 Sendemodul
Turnigy 9X8C-V2 8-Kanal Empfänger

Neue Fernsteuerung mit neun vollwertigen Kanälen und einer Sendefrequenz von 2,4 GHz (digital). Sie ist mit 80,- € (für Fernsteuerung, Sendemodul und 8-Kanal Empfänger bei HobbyKing) unschlagbar günstig.

Leider ist die originale Firmware ziemlich furchtbar. Deshalb haben wir die "OpenTX"-Firmware geflasht. Dazu benötigt man einen Programmer (ISP) und muss einige Kabel auf das Mainboard der Fernsteuerung löten. Dann hat man eine sehr gute Fernsteuerung. Hier findest Du die Anleitung wie man die Fernsteuerung flasht.

Der mitgelieferte Empfänger ist ok, ist aber leider sehr groß, hat nur 8 Kanäle und keinen Summensignalausgang. Also muss man für jeden der acht Kanäle auch ein Kabel zum Flugcontroller legen. Das ist nicht mehr zeitgemäß.

Ladegerät iMAX B6AC

Das Ladegerät unterstützt LiPo-Akkus bis zu 6 Zellen. Neben Lade- und Entladefunktion gibt es auch eine Funktion, um die Akkus auf Lagerspannung zu bringen. LiPo-Akkus sollten nicht ganz leer und auch nicht ganz voll gelagert werden. Beides geht zu Lasten der Lebensdauer. Die Lagerspannung liegt dazwischen.

Nachteil ist, dass man vor dem Benutzen, die Akkus erst noch voll laden muss. Also sind ganz spontane Ausflüge nicht mehr möglich.

Das Preis-Leistungs-Verhältnis dieses Ladegerätes ist sehr gut.

Technische Daten:
AC Eingang: 100-240Volt
DC Eingang: 11-18Volt
Ladestrom: 0.1-5.0A
Entladestrom: 0.1-1.0A
Stromfluss für das Balancieren von Li-Po: 300mA/Zelle
NiCd/NiMH Akkus: 1-15 Zellen
Li-ion/Polymer Akkus: 1-6 Zellen
Pb Akkus: 2-20V

Die Anschlüsse für die Akkus:

Der T-Stecker, den wir für unsere Akkus benutzen, gehörte leider nicht zum Lieferumfang und musste selbst angefertigt werden.

Vortrag OpenNord

Wir wurden eingeladen, auf der OpenNord 2015 einen Vortrag über unser Projekt zu halten.

Die "Folien" kannst Du Dir hier als PDF downloaden.