Samstag, 21. März 2015

DIY Quadro Copter, it's done! Oder warum ich heute unbedingt noch Tischtennisbälle kaufen musste!

Wer noch nicht weiß, worum es eigentlich geht, hier die Vorgeschichte:
Er fliegt - Erster selbst gebauter Quadrocopter

Erster selbstgebauter Quadrocopter, Gewicht ca. 800 Gramm, 53 cm Durchmesser ohne Propeller

Nachdem ich diesen Kollegen da oben erfolgreich gebaut und auch schon schon geflogen habe, konnte ich dieses Wochenende eine weiter wichtige Stufe abschließen. Was nämlich noch fehlte, war eine anständige Beleuchtung und eine aktuellere Firmware für die Flugsteuerung.

Die Beleuchtung ist bei einem solchen Fluggerät schon sehr wichtig und mehr als nur Zierde. Auch die Farbgebung ist nicht zufällig. Da sich ein Quadrocopter in alle Richtungen gleich fliegt und in dieser Baumform auch von allen Seiten gleich aussieht, braucht man eine optische Orientierungshilfe beim Flug. Ohne diese kann man schnell die Lage falsch einschätzen und glaubt beispielsweise eine 90-Grad-Drehung gemacht zu haben, obwohl es tatsächlich eine 180 Grad Drehung oder Kurve war. Die Folge: man lenkt das Gerät darauf hin in die falsche Richtung. Wenn dann kein Platz und keine Zeit mehr für eine Korrektur ist, knallt es! Gelb ist vorne, schwarz hinten. Um auch bei Dämmerung noch die Lage erkennen zu können, ist es üblich eine Beleuchtung anzubringen. Jedes echte Flugzeug hat ja auch Positionslichter, die dann den anderen anzeigen, aus welcher Richtung sie das Flugzeug sehen. Bei den Quadros und anderen Modellfluggeräten ohne leicht zu erkennende Lage, wird daher ein wahres Feuerwerk an LED-Beleuchtung von vielen gezündet. Ich bin die Sache relativ entspannt angegangen und habe auf stromfressende 1 oder mehr Watt Ultrahell-LEDs verzichtet. Dafür habe ich mir Gedanken darüber gemacht, wie man mit normalen Beleuchtungs-LEDs (ca. 30 mA) noch eine gute Lageerkennung erreichen kann.

Positionsbeleuchtung an meinem ersten Quadro mit hellen LEDs und Tischtennisbällen
Das hier ist das Ergebnis meiner Überlegungen.

Anmerkung: Leider sind LEDs extrem schwer zu fotografieren, da das annähernd monochromatische Licht die Farbkanäle der Kamera überlaufen lassen, so dass Fehlfarben und weiße Flecken durch Überbelichtung entstehen. Wer in letzter Zeit mal Bühnesachen fotografiert hat, wird das Problem kennen!

Wir sehen hier die Rückseite des Quadros. Ich habe mich hier für grüne LEDs entschieden, da diese Ansicht die "normale" und unkritische Ansicht ist. So fliegt der Quadro von mir weg. Gegen den hellen Himmel wird sich dabei eher die schwarze Farbgebung abheben als die Beleuchtung, zumindest wenn noch keine Dämmerung eingesetzt hat.

Man sieht nun auch, was es mit den Tischtennisbällen im Titel aufsich hat. Die 5 mm LEDs strahlen leider ein sehr gedündeltes Licht ab, so 10 bis 30 Grad. Das ist zwar für eine Taschenlampenapplikation gut, aber wenn man ein Signallicht realisieren will, eher schlecht. Man sieht das Licht nur hell, wenn man in dem begrenzten Winkel auf die LED schaut. Daher habe ich einfach normale Tischtennisbälle genommen, ein 5mm-Loch hineingebort und die LEDs dann hineingesteckt und verklebt. So wird der Ball hell erleuchtet und man hat effektiv eine viel größere Lichtquelle, die aus weit mehr als den 10 bis 30 Grad hell zu sehen ist. Ganz perfekt klappt das allerdings nicht, wie man sieht. Die LEDs mit ihrem Linsengehäuse projezieren einen sehr hellen Fleck auf die Vorderseite des Tischtennisballes. Der Rest leuchtet nicht ganz so hell. Man hätte die LED auch hinter dem Ball anbringen können, dann wäre er homogen beleuchtet gewesen. Allerdings geht dabei viel Lichtenergie verloren und da ich vom gekauften Quadro schon weiß, wie schnell bei Tageslicht auch hellstes Signallicht nicht mehr zu sehen ist, habe ich es so realisiert.

Fluglageerkennung von vorne
Meistens verwendet man nur die gleiche Anordnung von Lichter, aber mit unterschiedlicher Farbe, also z.B. 2 x Grün hinten und 2 x Rot vornet. Ich habe mich für Rot = vorne plus "Scheinwerfer" entschieden. Dazu habe ich zwei helle weiße LEDs im Zentrum des Quadros angebracht, die wie Autoscheinwerfen ihr Licht abstrahlen. Hier erkennt man dann auch den Unterschied der durch die Bälle gestreuten Lichts und dem der nackten LEDs gut. Die weißen LEDs sind genauso hell wie die roten und grünen, aber stellen für den Piloten am Boden nur 2 weiße Punkte da. Ich hoffe aber, die Farbe und Form des Lichtmusters plus der so illuminierten gelben Ausleger, lässt mich die Position ausreichend gut erkennen.


Netten Seiteneffekt: der ansonsten sehr harmlos aussehende Quadro, dem man seine Heimtüftelherkunft ansieht, wirkt ein wenig lebendiger...Alien oder Kampfroboter ;)


Hat man den Flieger in 45 Grad vor sich in der Luft, sieht man die roten und grünen Positionslichter, sowie Gelb und Schwarz. Auch eine sehr wichtige Information, gerade wenn man echte Kurven fliegt, wie mit einem Flugzeug und den Quadro nicht wie Pacman im rechten Winkel durch die Luft schubst ;)

Die Tischtennisbälle sind einfach mit Uhu Por in die Rohrisolationsschaumstoffteile (uff!) eingeklebt. Die LEDs im passenden 5 mm-Loch mit Sekundenkleber. Die Kabel gehen durch das ISO-Rohr und sind dann im Inneren des Sperrholzrahmens verlegt.

Technikkram: Angeschlossen sind die LEDs dann an einem 5-Volt-BEC. Dieser war sowieso notwendig, da die verwendeten optischen ESC keine 5-Volt-Spannung liefern, die man für die übrige Elektronik benötigt. Mit der durch den BEC gelieferten 3 Ampere max. komme ich locker aus. Die LEDs verbraten im Schnitt 25 mA => 6 * 25 mA = 150 mAh. Ansonsten hängt an der Versorgung noch die Flighcontrol, das Gehirn, der Empfänger und der Telemetriesender. Weiß gerade nicht, was die Verbrauchen, aber ist meine ich auch weit unter 500 mA, so dass es hier keine Probleme gibt. Die LEDs müssen übrigens über Vorwiderstände (hier 100 Ohm) angeschlossen werden! Über die Widerstände wird der Durchflussstrom begrenzt und die Spannung eingestellt (ca. 3 Volt bei dieser Art von LEDs).


Mit diesem grimmigen Gesichtsausdruck komme ich nun langsam zum Ende...für Erste :) Denn schließlich geht es hier immer noch um mein Nummer-Eins-Hobby, die Fotografie. Dieser Quadro mit seinen knapp 800 Gramm ist so stark motorisiert, dass er 200 oder sogar 300 Gramm Nutzlast in den Himmel bringen sollte.

Mit dem kleinen gekauften und umgebauten Quadro (siehe Umbau eines Quadrocopters - Blade 200 QX in Rakonheli CFK-Frame ) konnte ich ja schon erfolgreich eine <50 Gramm Mini-Action-Kamera für Luftaufnahmen verwenden. Hier sollte sogar meine mFT-Knipse mit leichtem Objektiv möglich sein! Das wäre natürlich ein riesiger Schritt nach vorne bezüglich Bildqualität. Quasi Handy vs. "The real thing" ;) Ob meine Kalkulationen da stimmen...und die Herstellerangaben der verwendeten Komponenten, wie Motoren, Stromversorgung und Propeller, wird sich nur durch Versuche ermitteln lassen. Ich werde einfach mal Gewichte dranhängen und mich da langsam steigern. Da ich keine rasanten Action-Videos drehen, sondern nur gemütlich Einzelbildaufnahmen von Landschaften machen will, muss der Quadrocopter sich nur bei leichtem Wind noch sicher steuern lassen. Ich bin mal gespannt!

Danke und viele Grüße,
Gordon

Nachtrag: Ich sehe gerade, dass ich die Sache mit der Firmware komplett unterschlagen habe. Ich meine aber, dass würde hier zu weit führen, da es ja eigentlich um Fotografie geht. Nur soviel: die Steuerung des Copters, die aus einem Mikrocontroller mit Sensoren besteht, kann man neu programmieren...wie beim Smartphone oder dem BIOS eines PCs. Die Firmware der gekauften Version war relativ alt, daher habe ich eine neue installiert. Ist kein Hexenwerk, aber ein wenig Ahnung (und die notwendige Hardware) sollte man schon haben, da man sonst im Extremfall das Gerät auch schrotten kann. Ging aber, nachdem ich mich vorher eingelesen hatte, total problemlos. Ob die neue Software bessere Flugeigenschaften bringt, als die zuvor, muss ich noch ausprobieren. Mehr einstellen und herumspielen kann man schon mal :)