Dienstag, 17. März 2015

Er fliegt - Erster selbst gebauter Quadrocopter

Noch mal eine kleine Exkursion in mein neues Hobby, den Modellflug. Nach dem ich hier: Umbau eines Quadrocopters - Blade 200 QX in Rakonheli CFK-Frame schon mal über die erste Schrauberei berichtet habe, möchte ich jetzt mal über meinen ersten komplett selbst gebauten Quadro berichten.
Okay, komplett selbst gebaut ist jetzt ein wenig Angabe. Die Steuerung, die Motoren, die Drehzahlregler und den Funkempfänger habe ich natürlich als fertige Teile gekauft. Sowas selber zu bauen ist eher ein Jahresprojekt. Aber man baut ja auch beim PC das Mainboard nicht selber.

Selbst gebauter Quadrocopter aus Holz und Kunststoff
So sieht das fast fertige Endprodukt meiner ca. 4 wöchigen Bemühungen aus...wenn man die Monate an Recherche und Einkaufslistenzusammenstellerei mal ausblendet ;)

So wie man das Gerät hier sieht, ist es schon flugfähig. Es ist auch schon wirklich geflogen. Fliegt schon ganz gut. Noch nicht perfekt, aber das ist nach Aussage eines Vereinsmitgliedes eine Sache der Programmierung der Regelungsparameter.

Der Copter hat schon eine recht beachtliche Größe. Hier mal ein Vergleich zu meinem allerersten, gekauften Quadrocopter, dem Blade Nano QX:

Größenvergleich Selbstbaucopter vs Nano QX

Schon ein einziger Propeller ist größer und schwerer(!) als der kleine Nano, mit dem ich u.a. in meinem Arbeitszimmer immer ein wenig übe. Die Dimensionen und Gewichte:
-Spannweite von Motor zu Motor, diagonal: ca. 52 cm
-Propellerdurchmesser: ca. 24 cm
-Gewicht mit 2200 mAh-Akku: ca. 850 Gramm

Wer die DJI Phantom-Quadrocopter kennt, kann sich eine ungefähre Vorstellung von der Größe machen. Diese Copter ist ein wenig größer, aber leichter. Flugzeit (nur errechnet aus Akkuverbrauch bei Testflug) ca. 15 Minuten oder mehr. Die mögliche Zuladung sollte locker bei 250 Gramm oder sogar mehr liegen; muss ich noch austesten.

Angefangen habe ich mit einem Probekauf beim Hobby King in Hongkong. Dort gibt es billige (weniger Dollar) Lasercut-Holzrahmen zu kaufen. Der erste bestellte Rahmen kam nie an, der zweite nach 3 Wochen. So ein Holzrahmen ist eigentlich nicht erste Wahl, da er theoretisch sehr leicht kaputt gehen kann. Ich habe den aber ein wenig modifiziert mit kleinen Kanthölzern und meine, der ist doch recht stabil. Ist ja auch kein Kunstflug-Quadro, sondern eine Schwebeplattform für eine Kamera.


Leider habe ich es versäumt Bilder vom Rohbau zu machen. Hier sieht man schon den zu 50 fertigen Quadro. Der Holzrahmen besteht aus sehr dünnen (ca. 2 mm) Sperrholzplatten, die mit einem Laser in Form geschnitten wurden und sich passgenau zusammenstecken und verleimen lassen. Natürlich sollte man das Holz dann noch anmalen, damit es keine Feuchtigkeit zieht. Außerdem braucht man bei einem Quadrocopter dieser Bauform eine optischen Anhaltspunkt wo vorne ist! Daher habe ich die beiden Arme in Flugrichtung gelb gestrichen. LEDs werden das dann noch bei Dämmerung weiter verbessern; fehlen aber aktuell noch.

KK2.1.5 Flightcontrol - das Hirn des Quadrocopters

Nachdem ich den billigen Holzrahmen mehr aus Spaß am Basteln zusammengeleimt, verbessert und lackiert hatte, was übrigens 2 Wochen gedauert hat (immer nur Abends 1-2 Stunden), war ich irgendwie davon überzeugt weitermachen zu wollen. Ich habe mir dann eine Flugsteuerung bestellt. Eigentlich hatte ich auf meinen Einkaufslisten immer eine CC3D-Steuerung stehen. Diese ist kleiner und leichter, aber muss per USB und Software mit einem PC programmiert werden. Diese KK 2.1.5 hat ein eigenes Display und 4 Buttons, so dass man alle Sachen vor Ort einstellen kann. Ich fand diese Idee sehr gut und da der Preis mehr oder weniger identisch war (KK billiger? vergessen), habe ich diese Teil genommen. Hier sieht man den allerersten Test. Also Akku dran und beten, das es nicht BUMMS macht ;)


Das Ding ist wirklich einfach zu handhaben. Sowohl die Bedienung über 4 Buttons, also auch das Anstöpseln der diversen Steckverbindungen ist logisch und einfach. Okay, man sollte vorher schon ein paar Stunden Anleitungen und Erfahrungsberichte gelesen haben, wenn man auf Nummer sicher gehen will.

Ich will und kann jetzt keinen Kurs in Sachen Multicopter geben, wie man diese Flugeräte auch übergeordnet bezeichnet. Nur soviel: diese Steuerung regelt die Drehzahl der Motoren und verfügt über Sensoren für Lage und Beschleunigung, damit sich solch ein Gerät überhaupt in der Luft halten kann. Ein Multikopter ist nicht von Natur aus stabil, was das Flugverhalten angeht. Genau genommen ist er extrem instabil, da keinerlei Aerodynamik das Gerät in der Lage hält. Lediglich der Schub der 4 (oder 6,8,...) Antriebseinheiten hält dieses Gerät wie einen Besenstiel auf der Fingerspitze in der Waage. Ein Mensch wäre mit der Steuerung der 4 einzelnen Motoren schon bei einem einfachen Schwebeflug total überfordert. Daher braucht es diesen Computer nebst Sensoren.


Hier kann man ein wenig erkennen, wie viele Kabel man in so einem Teil verbauen muss. Für jeden der 4 Motoren gibt es schon mal 5 Kabel. Stromversorgung und Steuerkabel. Die grauen Teile in den Armen mit "E300"-Aufdruck sind die Drehzahlsteller. Genaugenommen sind das auch kleine Computer (sogar mit Ton!), welche die Steuerbefehle der Flightcontrol (der Computer in der Mitte) in entsprechende Energie umsetzen, mit denen dann die Motoren angetrieben werden. Dann kommen noch diverse Kabel für den Funkemfänger zur Steuerung dazu.



Im Zentrum, wo alle Kabel zusammenlaufen, wird es wuselig. Das kleine Türmchen aus Kunststoffteilen hält Stromverteilerplatine und Steuerung. Außerdem muss noch ein Empfänger (hier Spektrum AR600) und ein optionaler Telemetry-Sender (Spektrum TM 1100) unterbracht werden. Telemetrie dient dazu, Statusinformationen auf die Fernsteueranlage zu übertragen. Damit kann ich z.B. im Flug die Akkuspannung sehen und überwachen, so dass mir das Modell nicht wegen leerem Akku auf den Acker kracht.

Hier sieht man den ersten Test der Telemetrieübermittlung:

Spektrum TM 1100 Telemetriemodul - Test auf dem Schreibtisch
Hier hatte ich nur den Temperatursensor angeschlossen. Aber für einen ersten Funktionstest war das ausreichend. Man sieht auf dem Display der Fernsteueranlage den Wert "24 c". So warm war es nicht, aber ich hatte den Sensor zwischen den Fingern, um zu überprüfen ob und wie schnell der Werte sich ändern.



Zwar ist der Copter schon recht groß, aber aufgrund der kleiner "center plate" hatte ich nicht wirklich viel Platz alles unterzubringen. Dabei sieht man den gröbsten Kabelsalat gar nicht, da dieser unterhalb und innerhalb des Holzgestells verstaut ist. Links sieht man übrigens die beiden Spektrum-Komponenten, 6-Kanal 2,4 Ghz Empfänger mit voller Reichweite und huckepack das Spektrum TM 1100 Telemetrie-Modul...das übrigens schon beim ersten Hallentestflug mitten im Flug keine Signale mehr senden wollte :/

Motor aus dem DJI E300 Set mit Temperatursensor

Hier sieht man einen Motor mit einem komischen roten Kabel an der Basis. Das ist ein Temperatursensor, der mir während des Fluges Werte senden soll. Ob das wirklich sinnvoll ist, lasse ich mal dahingestellt...war beim Telemetriemodul dabei und mein Spieltrieb verbot es dieses Ding nicht einzubauen ;) Weit wichtiger ist da schon der Spannungsensor...ein einfaches 2-adriges Kabel, das man direkt an den Hauptakku anklemmt (über Abgriffe am Stromverteilerboard). Das liefert einem die Spannung des Akkus. Zwar verfügt der Steuercomputer (Flightcontrol) auch über eine Spannungsmessung, die ich auch angeschlossen habe, aber diese meldet die einstellbare Unterschreitung der minimalen Spannung nur über Piepen oder LED (sofern eingebaut). Eine blinkende LED kann man bei Tageslicht locker übersehen! Auch Piepen muss schon sehr laut sein...und dann ist es auch nervig. Ich werde beides installieren und mal schauen. Die Telemetrie hat bei den ersten Probeflügen nicht gerade mein Vertrauen erworben, da sie in der Halle bei max. 20 Metern Entfernung schon dauerhaft Sendepause hatte und erst nach einem Neustart wieder zum Leben zu erwecken war. Eventuell ein Antennenproblem.

Fluglageerkennung durch Farbgebung
Wie oben schon erwähnt, ist die Fluglageerkennung bei solch einem symmetrischen Fluggerät kritisch. Ich habe daher noch eine Styropor-Kugel, die auch als Zierde und Wetterschutz für die Elektronik dient, mit zwei Farben angemalt. Gelb ist vorne, also im Normalfall die Flugrichtung. Wobei man einen Quadrocopter in jede Richtung fliegen kann, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Flugzeug mit Tragflächen.

Was man hier noch erkennen kann, sind die unterschiedlichen Farben der Propellerbefestigungsschrauben. Das DJI E300-Set besteht aus 2 links und 2 rechts drehenden Motoren und den dazu passenden Propellern. Der Witz dabei ist das Gewinde, an dem die Propeller angeschraubt werden. Die Propeller müssen ohnehin unterschiedlich drehen, aber durch die konträren Gewinde sind die Propeller selbstsichernd. Das heisst, man muss sie nur ganz leicht aufschrauben. Sobald die Motoren andrehen, ziehen sich die Propeller selbst fest. Das ist extrem praktisch und sicher, da man keine Angst vor zu locker angezogenen Propellern haben muss, die sich mitten im Flug verabschieden und damit definitiv einen Crash verursachen. Außerdem kann man sie so leicht wieder abdrehen, da sie eben nicht "festgeknallt" werden müssen und das erleichtert den Transport. Apropo Propeller ab: NIEMALS NICHT mit Propellern dran irgendwas fummeln! Die Teile sind extrem gefährlich, auch wenn sie "nur" knapp 20 Gramm wiegen und 24 cm lang sind. Durch die Hohe Drehzahl riskiert man locker Finger, Nase oder Augen!

Landgestell aus dem Baumarkt

Baumarkt...Männerparadies ;) Im Baumarkt findet man viele Dinge, auch für einen Selbstbauquadrocopter. Der Holzrahmen hatte nur kleine, fragile Holzstummel als Landebeine. Da ich auch noch eine Kamera installieren will und das Holz Landungen auf hartem Untergrund nicht lange überlebt hätte, musste ich eine Lösung finden. Die Lösung heißt Schaumstoffisolierung für Wasserrohre! Die gibt es nicht nur als gerade Rohre mit Einschnitt, sondern auch als T-Stücke oder wie hier als Halb-U-Stücke. Passte perfekt auf die Holzstummel, so dass ich nicht einmal verkleben musste.  Sie erhöhen das Fluggerät und schaffen unten Platz für Akku und Kamera und federn auch noch eine unsanfte Landung ab. Das Gewicht ist dabei moderat...meine es sind 20 Gramm.

Inzwischen bin ich das Teil mehrmals testhalber geflogen. Das Ding ist wirklich brachial im Vergleich zu meinen kleinen Quadros. Der Sound ist sanft, aber enorm druckvoll und einem flattern selbst in ein paar Metern die Hosenbeine ;) Das Ding hebt ab wie auf Schienen und liegt auch genauso in der Luft. Das Flugverhalten ist in Ermangelung von anständigen Werten für die Regelkreise noch nicht 100%, aber man kann damit schon herumschweben und auch ich als Anfänger ziehe damit müde Kurven ohne Probleme. Das allerdings alles im "Selflevelmodus". Dabei ist das Teil extrem eigenstabil vom Flugverhalten her. Will man flüssig seine Bahnen ziehen oder sogar mal ein wenig Kunstflug machen, muss man das abschalten. Die Einstellungen für Selflevel und freien Flug sind noch zu finden. Da man die entsprechenden Werte aber Dank des Displays und der  4 Buttons direkt am Flugfeld ändern kann, werde ich da sicherlich mit Hilfe der Kollegen bald ein gutes Setup ausgetüftelt haben.

Was jetzt noch fehlt: LEDs für die Lageerkennung...weil's halt schön ist :) Dafür will ich Tischtennisbälle an die Enden der Baumarktschaumstoffteile ankleben, die dann durch die LEDs (grün und rot) illuminiert werden. Die T-Bälle kommen also dahin, wo jetzt die Löcher sind. Eine Tischtennis-LED kommt dann noch oben auf die Styropor-Halbkugel und blinkt gelb oder blau, wenn der Akku sich dem Ende neigt.

Die Akkuhalterung gefällt mir auch noch nicht. Die besteht aktuell nur aus zwei Klettbändern, die den Akku unterhalb des Mittenkreuzes halten. Ich möchte da einen richtigen Kasten, auch wenn das geschätzte 40-50 Gramm mehr bedeutet. Und zu guter Letzt soll auch noch die Möbius-Minikamera angebracht werden....vibrationsfrei! Vom Platz und Gewicht her kein Problem, aber wie sehr das Teil vibriert, kann ich noch nicht sagen. Es hört und fühlt sich sehr gutmütig an, aber das ist so eine Sache mit den Vibrationen bei CMOS-Kameras, wo das Bild zeilen-/pixelweise ausgelesen wird.

Ein paar Dinge gibt es also noch zu tun. Aber ich bin schon mal sehr zufrieden damit, dass mein erster selbst gebauter Flugapparat fliegt und das gar nicht mal so schlecht. Sollte sich das Teil noch weiter verbessern lassen, wovon ich ausgehe, werde ich damit meine Kamera in die Luft bringen...eventuell sogar die mFT-Kamera (muss ich noch ausprobieren, wegen des relativ hohen Gewichtes).

Definitiv ein Highlight für mich dieses Jahr. Macht Spaß! Hat alles was mir gefällt: lesen, lernen, kaufen, basteln, tüfteln, handwerken, löten, hoffen und bangen, FLIEGEN....alles halt :)

Grüße,
Gordon