Dienstag, 3. Februar 2015

Umbau eines Quadrocopters - Blade 200 QX in Rakonheli CFK-Frame

Ups! Was kommt denn nun? Heute gibt es mal was komplett anderes. Dieser Beitrag hat vordergründig nichts mit Fotografie zu tun, auch wenn es viele Bilder zu sehen gibt. Hier geht es um ein wahrscheinlich neues Hobby von mir: Modellbau und Modellflug im Speziellen. Modellhubschrauber fand ich schon als Kind faszinierend. Als ich dann vor Kurzem einen einfachen Hubschrauber geschenkt bekommen habe, ist diese Sache nach Jahrzehnten wieder aufgeflammt.

Nach dem ich mir dann einen sehr kleinen Quadrocopter (nennen Unkundige auch "Drohne") gekauft habe und kurz danach einen etwas größeren, mit dem man auch eine Action-Kamera in die Luft bringen kann, war der Damm gebrochen. Gebrochen war leider nach dem ersten Flug mit meinem Kameraträger-Quadrocopter Blade 200 QX auch das Gehäuse ;( Tja, Modellflug ist halt so eine Sache. Die Sachen gehen schnell kaputt, wenn sie vom Himmel fallen oder auch nur unsanft "landen".

Blade 200 QX mit Kamera links, Tuning-Ersatzrahmen von Rakonheli rechts
Hier sieht man links den Flieger um den es hier geht. Das Teil ist eher klein. Es passt locker auf einen Suppenteller und wiegt mit allem drin und dran weniger als 200 Gramm. Die Bezeichnung Drohne, wie sie in letzter Zeit öfter mal in den Medien zu hören und lesen ist, ist übrigens aus meiner Sicht unschön. Dieser Begriff erinnert eher an militärische Geräte, die vollautomatisch oder vom Boden aus "gelenkt" ihr Ziel anfliegen. So ein Quadrocopter ist einfach nur ein Spielzeug...oder sogar Sportgerät, wie auch ferngesteurte Flugzeuge oder Helikopter. Ungefährlich ist so ein Gerät trotzdem nicht, weswegen es auch eher was für Erwachsene ist. Das Prinzip gleicht ein wenig einem Helikopter. Das Teil wird nur durch den Schub der Propeller in der Luft gehalten und hat keine Segeleigenschaften wie ein Flugzeug. Geht auch nur ein Motor aus, stürzt so ein Gerät sofort ab, wie ein Heli auch. Man kann diese Fluggeräte auch als Multikopter bezeichnen, da es neben der Form mit 4 Propellern auch welche mit 3, 6, 8 oder mehr gibt.

Da man an so einem Quadro sehr gut eine Kamera anbringen kann, hat mich diese Art von Copter sehr interessiert. Daher habe ich diesen gerade noch ausreichend starken Quadro gekauft und dazu eine Mobius-Action-Kamera, die gewichtsmäßig noch passt. Mein erster Testflug war allerdings eine mittlere Katastrophe.

Luftaufnahme mit Mobius-Kamera bei schlechtem Licht
Schon beim ersten Flug habe ich das Teil in einen Apfelbaum gesteuert. Er blieb dann dort hängen und ich musste ihn wie einen reifen Apfel herunterschütteln. Dabei oder auch schon davor ist das Gehäuse leider angebrochen. Also musste das repariert werden. Leider kann man diesen Kunststoffkram nicht wirklich wieder heilen, so dass ich zwei Möglichkeiten gesehen habe:
1) neues Gehäuse vom Hersteller
2) stabilieren Rahmen von Dritthersteller

Ich habe mich dann für den stabilieren Rahmen entschieden. Dieser ist aus Alu und CFK (Kohlefaserverstärkter Kunststoff). Darüber hinaus ist er eher ein Skelett und kein Gehäuse, was Vor- und Nachteile hat.


Da der 200 QX sehr klein ist, kam ich nicht mehr ohne eine Lupe aus. Die Schrauben sind teilweise winzig, so dass man eine ruhige Hand und Feinmechanikerwerkzeug braucht.


Das ist wirklich nichts für Grobmotoriker. Und vor dem Einbau der Innereien stand ja auch erstmal der Ausbau aus dem defekten Gehäuse.


Beim Zerlegen muss man sehr aufpassen nichts kaputt zu machen. Außerdem ist es bei den vier Motoren und Propellern nicht egal, wo was sitzt. Die Motoren und Propeller sind diagonal gegenläufig und vertauscht man da was, fliegt das Teil nur 1 Sekunde...nämlich auf den Rücken. Daher habe ich alle relevanten Teile vor dem Ausbau mit Schildchen nummeriert.



Nach dem man ein paar Schrauben gelöst hat, kann man die beiden Platinen herausnehmen.


Dabei muss man allerdings höllisch aufpassen, dass man z.B. dieses Flachbandkabel nicht beschädigt, sonst hat man innerhalb von Sekunden Elektronikschrott produziert.


Interessante Entdeckung: alle ICs sind mit Säurestift oder ähnlichem unkenntlich gemacht! Ich vermute sehr stark, dass man damit der Produktpiraterie entgegenwirken will. Wenn man die Chips nicht identifizieren kann, ist es wohl sehr viel schwerer so etwas nachzubauen.

Die Elektronik ist übrigens das Geheimnis dieser Multikopter. So eine Flugmaschine ist nicht fliegbar ohne Computer und Sensoren. Die Flugstabilität ist nahezu Null. Durch die Elektronik wird die Fluglage stabilisiert. Außerdem wird die Steuerung durch Regelung der Drehzahlen der einzelnen Motoren ermöglicht. Ein Mensch wäre nicht in der Lage die 4 Motoren von Hand so zu steuern, dass man länger in der Luft bleibt. Man teilt also der Elektronik nur mit, welche Fluglage eingenommen werden soll. Klingt jetzt vielleicht sehr einfach, aber ist es wirklich nicht! Gerade wenn man die automatische Korrektur der Fluglage ausschaltet, gleicht das dem Balancieren eines Besenstiels auf dem Finger. Man kann also so eine Flugmaschine schneller abstürzen lassen, als man piep sagen kann.


Hier sieht man einen Teil des Innenlebens des 200 QX. Es besteht aus dem sogenannten Flightcontroller (das kleine Board links) und dem ESC-Board, das den Strom für die Ansteuerung der Motoren aufbereitet. Was man hier nicht sieht ist der Akku. Die Akkus sind heute LiPos. Das steht für Lithium Polymer. Diese Akkutechnik ermöglicht wahrscheinlich erst die ganzen Elektroflugmodelle, weil sie sehr leicht und klein im Vergleich zur gespeicherten Energie sind. Mit einem vergleichbaren Bleiakku würde man so ein Flugmodell nicht in die Luft bekommen, weil das Verhältnis von Tragkraft, Gewicht und Leistung nicht stimmen würde. Und wenn, da nur kurze Zeit.


Hier nun alle Teile aus dem kaputten Gehäuse. Diesen Krempel galt es nun in den neuen Rahmen einzubauen.


Die Anleitung des Rakonheli Frames gleicht leider eher einem Beipackzettel und besteht nur aus 2 Seiten mit Explosionszeichnungen. Man muss also schon ein wenig Ahnung von Technik haben, um damit klar zu kommen.


Die Teile sind wie gesagt alle sehr klein. Das ist schon reichlich fummelig gewesen, das zusammen zu schrauben.


Die Motorgondel hat ungefähr den Durchmesser eine 2-Cent-Münze. Damit kriegt man eine ungefähre Vorstellung davon, wie klein oder groß dieser Quadrocopter ist. Die Motörchen wiegen geschätzte 15 Gramm pro Stück. Trotzdem sollte man die Leistung und die damit von den Motoren, bzw. den Propellern ausgehende Gefahr nicht unterschätzen! Man kann sich damit schon stark verletzten. Wenn man einmal den Sound und den Luftzug von so einem Teil gespürt hat, bekommt man schon Respekt davor. Ein wirklich großer Copter, der auch eine Spiegelreflexkamera trägt und mehrere Kilo wiegt ist also definitiv kein Spielzeug mehr und sollte nur von Leuten an sicheren Orten geflogen werden, die erfahren genug dafür sind. Eine spezielle Versicherung für ALLE Flugmodelle ist übrigens vorgeschrieben bei uns. Eine Gefahr bei Flugmodellen ist z.B. der unkontrollierte Flug. Fällt der Sender aus oder ist das Gerät ausser Reichweite oder sonst irgend ein Defekt tritt ein, kann es wegfliegen und wird dann irgendwo abstürzen. Man kann sich also auch auf eine Wiese mitten im Nirgendwo stellen...so ein Teil legt locker 1 km oder mehr zurück und könnte dann z.B. auf einer Autobahn niedergehen. Was dabei passieren kann, mag man sich nicht ausmalen.


Ich habe den Rahmen erst einmal probehalber zusammengebaut. Das Schildchen "Oben" ist übrigens nicht da, weil ich nicht wüsste wo bei dem Teil oben ist, sondern weil man die obere CFK-Platte auch anders herum anbringen kann. Das macht eigentlich kein Unterschied, aber ich wollte die schönere Seite der Bohrungen oben haben.


Ohne obere Platte sieht man die Halterung für die beiden Platinen, also Flightcontroller (kurz FC) und ESC-Board.


Die CFK-Rohre, an denen die Motoren befestigt werden, sind hohl. Das dient natürlich der Gewichtsersparnis, aber dient auch als Durchführung für die Kabel. Apropo Gewicht: es kommt gerade in dieser Modellgröße auf jedes Gramm an! Jedes Gramm, das man mitschleppen muss, verkürzt die Flugzeit und vermindert die Agilität. Daher werden teilweise sogar Kunststoffschrauben verwendet, nur um in der Summe vielleicht 5 Gramm einzusparen.


Auf dem Kopf liegend. Hier kann man das Landegestell sehen. Das sieht zwar stabil aus, aber ich habe so meine Zweifel. Die dünnen CFK-Plättchen der Landekufen dürften Kangaroo-Landungen auf hartem Untergrund nicht lange unbeschadet mitmachen. Ich überlege daher schon Kunststoffpuffer anzubringen.


Die Aussparung im Arm dient dazu die Steckverbindung zwischen ESC-Board und Motor einstecken zu können und außerdem kann man hier die LED herausführen, die bei diesem Copter an jedem Motorarm vorhanden ist. Die LEDs, 2 x rot vorne und 2 x grün hinten, dienen als Positionslichter und signalisieren außerdem durch Blinken eine schwache Akkuladung. Da ein Quadrocopter oder auch die meisten anderen Multicopter von allen Seiten mehr oder weniger gleich aussehen, ist es sehr schwer die Fluglage zu erkennen. Diese Lichter helfen dabei. Ohne diese Lichter würde man eventuell die Orientierung verlieren und statt nach vorne nach links fliegen...mit fatalen Folgen.


Der Akku. Dieser passt exakt in einer Aussparung in der Bodenplatte und wird einfach per Gummiband fixiert. Beim Originalrahmen gab es ein Innenfach mit Klappe. Das klingt erstmal besser, ist es aber nicht unbedingt. Es war sehr fummelig den Akku da hinein zu bekommen. Außerdem konnte man so keine größeren Akkus mit mehr Kapazität einsetzen. Dieser Akku hier ist schon ein wenig größer als die Original-Akkus.



Da es wie gesagt auf jedes Gramm ankommt, habe ich die Rahmen einmal gewogen. Laut Hersteller des Ersatzrahmens, sollte dieser sogar ein paar Gramm leichter sein. Das könnte ich erstmal nicht glauben, als ich den Ersatzrahmen in der Hand gehalten habe.


Aber wie man sieht, es stimmt! Obwohl der Rahmen viel stabilier aussieht und sicherlich auch ist, als der fragile Plastikrahmen, ist er leichter.


Das Flightcontrol-Board wird mit Gummipuffern befestigt. Das ist notwendig, weil auf diesem Board Beschleunigungs- und Orientierungssensoren (Gyroskope) untergebracht sind. Diese Sensoren sind empfindlich gegenüber Vibrationen, wie sie unweigerlich von den Motoren und Propellern erzeugt werden. Durch die weiche Lagerung werden diese Vibrationen gedämpft. Ansonsten könnte der empfindliche Regelkreis ins Straucheln kommen und der Flieger würde sich unkontrollierbar verhalten.


Die Halterung für die beiden Boards ist leider nicht so schön gemacht wie der Rest. Aber angesichts Gewicht und Stabilität wohl ok.


Das FC-Board wird auf den kleinen CFK-Rahmen in der Mitte montiert, der wiederum an der Kunststoffhalterung verschraubt ist.


Ein ganz klein wenig Lötarbeit gab es auch. Ich habe einen Stecker für die Steuerung einer optionalen Kamera ausgelötet, da ich diesen für die Mobius-Kamera nicht benötige. Das spart auch wieder ein paar Gramm, da man Stecker, Kabel und 2 Plastikbügel einspart.


Die FC ist bereits mit den Original-Gummipuffern am Rahmen befestigt. Das Flachbandkabel zwischen der FC und dem ESC ist in dieser Phase sehr gefährdet! Sollte es einreißen, hat man es verbockt, da so ein Kabel quasi nicht zu löten ist, jedenfalls nicht mal so eben. Man müsste also Ersatz beschaffen oder alles mit Einzellitzen verbinden...Prost Mahlzeit!


Nachdem beide Boards verschraubt waren, kamen die Motoren dran, die ich zuvor durchnummeriert hatte, ebenso wie die Steckverbindungen und Propeller. Die Kabel werden durch die CFK-Rohre gefädelt.

Die LEDs für die Erkennung der Fluglage hängen hier noch wild in der Gegend herum. Die habe ich erstmal mit Klebestreifen befestigt, womit ich auch gleichzeitig die Aussparung unten an den Armen zugemacht habe. So können die Motorkabel mit den Steckverbindungen nicht heraushängen.

Den ersten Probelauf habe ich ohne Propeller gemacht! Die Teile sind schon nicht ganz ungefährlich und können einen schon verletzen. Als das alles ganz gut aussah (Motoren liefen ruhig, man konnte Gas geben und Drehzahländerung wenn man gesteuert hat), habe ich die Propeller montiert. Die obere Abdeckplatte habe ich allerdings erstmal weggelassen. Zwar hat das Gerät damit nicht die volle Stabilität, aber für einen kurzen Schwebetest sollte das reichen. Aus dem Zusammenfrickeln von PCs weiß ich: macht man den Deckel schon drauf, läuft das Teil nicht! ;)

Heureka! Er fliegt!


Sieht man hier zwar nicht, aber knipsen und fliegen kann ich (noch) nicht.

Inzwischen habe ich das Teil noch mal halb zerlegt, weil mir 2 Dinge aufgefallen sind:

1) er dreht sich beim Start ganz leicht nach links
2) er fliegt nach vorne, statt gerade hochzusteigen

Das Problem:  eine Motorgondel war nicht korrekt ausgerichtet, daher die leichte Linksdrehung beim Start. Die CFK-Rohre haben neben der Klemmung über eine Schelle auch eine Sicherungsschraube, die ein unbeabsichtigtes Verdrehen verhinden soll. Beim linken vorderen Arm ist diese Bohrung aber nicht 100% an der richtigen Stelle. Damit ist der Arm dann leicht verdreht und der Motor bzw. der Propeller steht schief. Ich habe daraufhin einfach alle Arrettierungsschrauben weggelassen und alle Arme von Hand ausgerichtet. Eventuell muss man noch einen Tropfen Kleber verwenden, damit sich die nicht mehr verdrehen können. Allerdings werden die auch schon durch die Schelle sehr gut gehalten.

Das zweite Problem, das Vorwärtsfliegen, hat das aber nicht gelöst. Da muss ich wohl oder übel mit Trimmung arbeiten. Eventuell liegt das aber auch ein wenig am kleinen Arbeitszimmer. Das Teil erzeugt schon einen enormen Luftwirbeln und vielleicht sorgt der dafür....glaube ich aber nicht. Ach so, Trimmung heißt in diesem Fall einfach eine Voreinstellung an der Fernsteueranlage, so dass bei Null-Position des entsprechenden Sticks schon leicht nach hinten gelenkt wird. So eine Fernsteuerung sieht übrigens so aus:

Spektrum DX6 Fernsteuerung

Das ist eine extra gekaufte Fernsteuerung, die schon nicht verkehrt ist...im Vergleich zu den Teilen, die bei einfachen Modellen im Spielwarenhandel teilweise schon dabei sind. Mit den Steuerknüppeln werden Fluglage und Schub gesteuert oder genauer: Schub (Drehzahl = steigen oder sinken), Drehung (Gear), Nick und Roll. Sind also schon eine Menge an Dingen, die man gleichtzeitig im Griff haben muss, damit so ein Teil das tut was man will. Die Trimmung wird übrigens mit den Wippen neben den beiden Steuerknüppeln gemacht. Damit verstellt man fest die Nullposition und kann somit einer Drift des Modelles entgegen wirken.

Tja, nun gibt es noch ein paar Sachen zu tun. Die mit Tesa festgemachten LEDs gefallen mir nicht. Ich würde da gerne die Luke dicht machen und die LEDs in einen großen Diffusor stecken, damit man auch aus der Entfernung die Positionslichter erkennen kann. Sowas in der Art eines Tischtennisballes unter dem Arm, der dann in Gänze leuchtet, statt nur dieses "Taschenlampenlichtes", das man nur sehen kann wenn man halbwegs im richtigen Winkel auf die LED schaut.
Außerdem muss noch eine Lösung für die Actioncam gefunden werden. Beim Original-Blade habe ich die unten an das höhere Landegestellt mit Schaumstoff, Holz und Gummiband befestigt, was gleichzeitig leicht und vibrationsdämpfend ist. Bei diesem Rahmen ist der Gestell wohl nicht hoch genug, so dass die Propeller mit im Bild wären. Vielleicht kommt das Teil einfach oben auf einen Schaumstoffblock, so dass es hoch genug sitzt.
Man kann bei so einem Rahmen ja eine Menge machen, auch Akku oben geht, was ich schon getestet habe. Das Flugverhalten ändert sich dadurch nicht merklich, denn im Gegenteil zu einem Flugzeug, wo man sehr genau die Schwerpunkte austarieren muss, fliegt so ein Copter ohnehin nicht von alleine stabil. Soll bedeuten, nur die Computersteuerung und die Sensoren sorgen dafür, dass das Teil nicht nach 0,5 Sekunden auf dem Rücken liegt. Ein Elektronil- oder Motorausfall und so ein Teil stürzt sofort und nicht rettbar ab!

Sobald ich das Teil komplett fertig habe, werde ich hier weiter berichten. Und sofern das Wetter mal mitspielt, gibt es auch mehr (und bessere!) Luftaufnahmen von der Cam an Bord.

Danke und Grüße,
Gordon