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Günstiger H-Quad – Teil 3 – Antrieb und Elektronik

Der finale Aufbau (ohne Batteriehalterung)

Antrieb

Nachdem der eigentliche Rahmen nun zusammengesetzt und die Motore montiert war, konnte es an die Verkabelung des Antriebs und der Steuerung gehen. Der Quad verwendet Turnigy Plush 25A ESCs, die ich mit der BLHeli-Firmware geflasht habe. SimonK ging leider nicht, weil die ESCs Silabs-Chips benutzen und keine Atmel-Chips. BLHeli ist aber auch immer noch eine sehr gute Wahl und steht – meiner persönlichen Meinung nach – SimonK in nur wenigem nach. Die Plush-Regler besitze ich schon eine ganze Weile und sie kamen auch schon bei meinen ersten Quadcopter-Versuchen zum Einsatz.

Einpassen der Regler

Einpassen der Regler

Ziel war es, die Regler samt Stromverteiler in den Raum zwischen unterer unter oberer Platte zu quetschen, damit das ganze Wirrwarr aus dem Weg ist und ich da nicht mehr ran muss. Nach einer ersten Platzierung wurde dann schnell klar, dass der Stromverteiler nicht wirklich groß werden durfte, also entschied ich mich für die „klassische“ Variante und habe für Plus und Minus jeweils einen 1-auf-4-Kabelbaum gelötet. Dessen Verbindungsteil passte gut in die Mitte zwischen die Regler. Um noch mehr Platz und auch Gewicht zu sparen, habe ich die Stromleitungen direkt and die ESCs gelötet und auf dieser Seite auf Stecker verzichtet.

Fertiger Antriebsstrang

Fertiger Antriebsstrang

Danach habe ich dann die Regler alle wieder mit Schrumpfschlauch geschützt und den ganzen Antrieb mit Kabelbindern an der Bodenplatte fixiert. Danach sah es dann auch nicht mehr so chaotisch aus ;-). Da bei so viel Löterei auch mal was schief gehen kann, war es notwendig, die Stromleitungen durchzumessen, um sicher zugehen, dass ich nicht irgendwo einen Kurzschluss verursacht hatte. Nichts ist ärgerlicher als eine Lipo-Explosion auf dem Esszimmertisch 😉

Der Kabelbaum bekam einen XT60-Stecker und pro Pol zwei zusätzliche Abzweigungen mit 2mm-Goldkontaktsteckern. Diese nutze ich später für die Spannungsmessfunktion des KK 2.0-Boards und als Stromanschluss für die LED-Beleuchtung. Wichtig: die Deckplatte sollte erst angeschraubt werden, wenn man die Drehrichtung der einzelnen Motoren verifiziert hat, sonst muss man alles wieder zerlegen wenn man zu spät feststellt, dass ein oder mehrere Motoren falsch herum drehen.

Die Deckplatte wird mit 6 kleinen Holzschrauben befestigt, deren Köpfe versenkt sind. Vorbohren hilft hier, sonst wird evtl. der Rahmen beschädigt. Durch die Verschraubung kann die Platte bei Bedarf wieder abgenommen werden. Der Stromanschluss und die Reglerkabel wurden durch ein Loch in der hinteren Hälfte der Deckplatte nach draußen geführt.

Steuerung

KK 2.0-Controller und Batteriehalterung

KK 2.0-Controller und Batteriehalterung

Da ich bei dem H-Quad in erste Linie auf „Resteverwertung“ setze, musste er mit dem KK-2.0-Board fliegen, dass ich schon seit einiger Zeit rumliegen hatte, mit dem ich aber nie zufrieden war. Das wiederum liegt gar nicht am Board selber sondern an mir, da ich die Lernkurve für die PID-Einstellungen damals noch nicht gemeistert hatte…

Das Board wurde genau in der Mitte der Deckplatte mit Nylonschrauben befestigt. Ich hatte mir zunächst auch einige Sorgen wegen der Batteriebefestigung gemacht: ich bin kein Freund von unter dem Copter montierten Akkus, da immer eine latente Gefahr besteht, dass auch im normalen Betrieb beschädigt werden. Andererseits würde eine über dem Controller montierte Batterie den Schwerpunkt zu weit anheben – zumindest war das meine Befürchtung. Dann aber sah ich ein paar Videos der kleinen Blackout-Racing-Quads, die gerade recht beliebt sind. Die Dinger haben auch den Controller unten und die Batterie oben und deren Flugleistung ist wirklich beeindruckend. Damit war diese Designfrage dann auch gelöst.

Für die Batterie montierte ich einen durchgängigen Steg aus einer 5mm starken und 4cm breiten Holzleiste, die an den Enden über Metallabstandshalter an der Deckplatte befestigt wurden. Um die Abstandshalter stabil zu bekommen habe ich solche mit einem durchgängigen Gewinde verwendet und mit einer recht langen M3-Schraube an der Deckplatte befestigt, die fast komplett durch beide Abstandshalter geht (siehe Foto links). Das gab dem jeweiligen Abstandshalter nochmal zusätzliche Stabilität.

KK 2.0-Board/Motoren anschließen

Steuerung provisorisch montiert für Motortest

Steuerung provisorisch montiert für Motortest

Das KK-Board bekam noch eine zusätzliche Leitung verpasst, mit der die Software die Spannung der Batterie messen kann. Seit Version 2.1 des Board ist dieser Anschluss ganz normal als Steckverbindung verfügbar, beim 2.0 muss man noch ein Kabel an ein schon vorhandenes Pad/Bohrung anlöten.

Der Anschluss der Motoren gestaltete sich einfach. Motor 1 ist der Motor links vorne, die anderen folgen dann im Uhrzeigersinn. Die Steckleiste für die Motoren beim KK ist die rechts neben dem Display. Sie beginnt oben mit Motor 1 und alle weiteren Motoren werden jeweils darunter angeschlossen. Zu beachten sind zwei Dinge: a) die Signalleitung muss zum inneren des Boards zeigen, der Minuspol zu Rand. b) Das KK-Board bezieht seinen Strom ausschließlich über den BEC vom Regler von Motor 1. Alle anderen BEC-Pluspole sind im KK-Board nicht angeschlossen. Für diejenigen unter Euch, die Opto-Regler ohne BEC benutzen, heißt dass, dass ihr einen gesonderten BEC braucht und den über den Anschluss für den ersten Motor einschleifen müsst.

Empfänger anschließen

Alle Komponenten montiert

Alle Komponenten montiert

Da das KK 2.0-Board ein recht einfacher Flug-Controller ist, reicht für die Steuerung ein 4-Kanal-Empfänger aus. Die einzige Sonderfunktion, für die man einen 5. Kanal nutzen könnte, ist – zumindest in der Standardsoftware von KapteinKuk – Autolevel. Das lässt sich aber auch über ein Stick-Kommando aktivieren, also muss man mit 4 Kanälen auf nichts verzichten. Ich verwende einen Spektrum AR400-Empfänger. Angeschlossen wurde der Empfänger an die Leiste links neben dem Display. Auch hier gilt wieder: Signal nach innen, Masse nach aussen. Von oben nach unten wurden angeschlossen: Aileron/Querruder, Elevator/Höhenruder, Throttle/Gas, Rudder/Seitenruder. Der Anschluss für AUX bleibt leer, dafür war ja kein Kanal mehr frei.

Abschlussarbeiten

Danach wurde noch der Buzzer am KK 2.0-Board angeschlossen und das Kabelchaos mit Hilfe einiger Klebesockel und Kabelbindern eingedämmt. Da der H-Quad vollkommen symmetrisch ist und ich ihn nicht lackieren wollte, musste eine andere Orientierungshilfe her. Vorne und hinten habe ich daher einen durchgängigen LED-Streifen angebracht. Da die Streifen mit 12 Volt betrieben werden können, ließen sie sich direkt an die Batterie anschließen. Bei Betrieb leuchtet der Copter vorne blau und hinten rot – und das recht hell. Damit sollte die Fluglage auch aus einiger Entfernung noch erkennbar sein.

Damit war die eigentliche Arbeit am Quad beendet, es konnten Einstellungsarbeiten für das KK 2.0-Board, die Fernsteuerung und die PID-Werte folgen.

 

 

Bildergalerie für diesen Bauabschnitt

Günstiger H-Quad – Zwischenspiel – Sunnysky Angel A2208 Leistungsdaten

SchubmessstandDa ich nach dem letzten Post doch erhebliche Zweifel an der Flugtauglichkeit meines neuen Rahmens hatte, habe ich ein paar Messungen durchgeführt. Dazu habe ich mir einen kleinen Schubmessstand gebaut und die Leistung der Sunnysky A2208-Motoren gemessen. Im Grunde habe ich dazu ein rechtwinkliges Dreieck aus Holz gebaut. Vorne ist eine drehbare Achse in Form eines Scharniers angebracht, mit dem die Konstruktion befestigt wird. Hinten drückt dieses Dreieck dann auf eine Küchenwaage. Montiert man dann oben an dem Dreieck den Motor und setzt den Propeller verkehrt herum auf, drückt der Schub das Dreieck nach hinten, dieses leitet die Kraft um und drückt auf die Waage. So lässt sich näherungsweise der Schub bestimmen.

Versuchsaufbau

Da die jeweilige tatsächliche Leistung mit den genutzten Komponenten variiert erläutere ich hier kurz den von mir benutzten Aufbau. Andere Leute können zu anderen Ergebnissen kommen, je nach ESC, Batterie, Propeller, etc.

Der A2208-Motor wird an einem Hobbywing Skywalker 20A ESC betrieben, der mit der BLHeli-Firmware geflasht ist. Zum Ansteuern benutze ich die Spektrum DX6i und einen Spektrum AR400-Empfänger. Die Stromversorgung wird über einen vollgeladenen 3S Akku mit 2650mAh sichergestellt, der Stromverbrauch über einen Voltcraft Power Analyzer PA-10 gemessen. Als Propeller habe ich billige Gemfan Slow Flyer in den Größen 8×4,5, 9×4,7 und 10×4,7 verwendet. Dabei ergaben sich folgende Messdaten:

Sunnysky Angel A2208 / 8x4,5 Propeller

GasSchubStromSpannungLeistungEffizienz
50%255g3,8A12,25V39,4W6,5g/W
66,5%355g6A12V72,3W4,9g/W
83%485g10A11,7V115W4,2g/W
100%600g14A11,4V156W3,8g/W

Sunnysky Angel A2208 / 9x4,7 Propeller

GasSchubStromSpannungLeistungEffizienz
50%281g3,9A12,0V47W6g/W
66,5%400g6,6A11,8V80,7W5g/W
83%507g10,4A11,5V117W4,3g/W
100%618g14,9A11,2V171W3,6g/W

Sunnysky Angel A2208 / 10x4,7 Propeller

GasSchubStromSpannungLeistungEffizienz
50%360g5,2A12,2V62W5,8g/W
66,5%480g8,6A11,8V102W4,7g/W
83%570g12,8A11,4V150W3,8g/W
100%660g17,6A11,1V189W3,5g/W

Fazit

Da die Homepage des Herstellers gerade mal wieder nicht richtig funktioniert, lassen sich die maximalen Leistungsdaten des Motors nur aus eBay- oder Goodluckbuy-Angeboten beziehen. Dort ist eine Belastungsgrenze von 13A und 140W angegeben. Damit scheidet der Betrieb mit 10×4,7 Propeller schon aus, da die Leistungsgrenzen dort sehr schnell überschritten werden. Ich werde vermutlich mit 9er Propellern fliegen, weil ich in der Größe noch Grauper eProps habe. Das bedeutet aber: mit 50% Gas erhalte ich etwa 1,1kg Schub. Mit etwas Sicherheitspuffer heißt das, dass der Copter besser nicht mehr als 900g Abfluggewicht haben sollte, um noch einigermaßen knackig zu fliegen.

Das bedeutet: mein 40cm H-Quad-Rahmen ist zu schwer, denn der wiegt leer schon etwas über 800 Gramm. Also wieder zurück ans Zeichenbrett…

 

 

Günstiger H-Quad – Teil 1

Kurz ein Anmerkung vorweg: Ich habe schon lange nicht mehr gebloggt und es ist in der Zwischenzeit so einiges passiert. Das werde ich hier jetzt aber nicht aufholen, sondern mich einfach auf die neuen Themen konzentrieren. Wo Hintergrund notwendig ist, werde ich ihn erläutern und wo nicht – tja, da halt nicht.

Durch eine kleine Unachtsamkeit bei der Bestellung neuer Motoren für meinen havarierten F450-Quadcopter verfügte ich über einen Satz SunnySky Angel A2208-Motoren, für die ich keine Verwendung hatte (für den kaputten Copter wollte ich eigentlich A2212-Motoren gekauft haben – tja, Pech wenn man nicht richtig lesen kann). Da sie aus China und zu billig zu Zurückschicken waren, habe ich mich kurzerhand entschlossen, einen „Billig“-Quadcopter mit einem H-Rahmen als Basis damit aufzubauen.

Die Idee für einen einfach zu bauenden Rahmen in H-Form habe ich aus einem Video von Flite Test. Der große Nachteil meiner bisherigen Copter war das geringe Platzangebot für Ausrüstung. Ein Rahmen in H-Form bietet hingegen eine durchgängige Plattform in der Mitte des Copters, die sich über die volle Länge erstreckt. Diese bietet mehr als genug Platz für Controller, Empfänger, Batterie, zusätzliche Sensoren und FPV-Ausrüstung.

Zusammenbau

Der Rahmen ist auf einen Achsabstand von 40cm im Quadrat hin dimensioniert. Der vordere und hintere Ausleger wird jeweils von einem 45cm langen 18x18mm Kantholz gebildet. Durch die zusätzlichen 2,5cm auf jeder Seite ist noch genug Platz, um die Motoren mitsamt ihrer Befestigungskreuze zu montieren. Aus dem Grundmaß von 40x40cm bezogen auf den Achsabstand ergeben sich alle anderen Dimensionen. Die Grundplatte in der Mitte misst 14cm in der Breite und 41,8cm in der Länge und bietet damit >500 cm2 Platz (zum Vergleich: die Grundplatte des F450 Flame Wheel bietet nur knapp 121 cm2 Fläche).

40cm H-Quad Layout

Auf die untere Grundplatte habe ich neben die Ausleger auch noch 13x18mm Kanthölzer mit 38,2cm Länge geklebt, damit eine Box entsteht. In diesem Zwischenraum zwischen oberer und unterer Grundplatte werden später die Regler untergebracht. Die Grundplatte besteht aus 5mm MDF, einfach weil MDF anders als Sperrholz mit einem Cutter-Messer geschnitten werden kann. Die Platte hat zahlreiche Löcher um eine Ausreichende Belüftung der Regler zu garantieren.

Kleine Ausschnitte direkt an den Auslegern erlauben später das saubere Herausführen der Kabel zu den Motoren. Die Grundplatte und alle Kanthölzer habe ich zunächst mit Holzleim verklebt und nach dem Trocknen noch alle Nahtstellen und Fugen mit Sekundenkleber verstärkt. Das Ergebnis ist ein sehr stabiler Rahmen (es sei denn natürlich, bei einem Crash „reißt“ das MDF. Der beste Kleber hilft nichts, wenn der Untegrund einfach zerfällt).

H-Quad frame, build stageH-Quad frame, close-up of the ESC cable ductsH-Quad frame, bottoms side

Wären Alu-Ausleger besser gewesen? Jein. Sie sind mit Sicherheit robuster, aber sie bringen einige Defizite bezüglich der Verarbeitung mit sich, z.B. kann man sie nicht einfach mit der (Hand-)Kappsäge zusägen und auch Kleben lassen sie sich nicht gut. Außerdem sind sie schwerer als das Kantholz aus Kiefer. Zum Vergleich: das 18x18mm Kantholz aus Kiefer wiegt etwa 1 Gramm pro Zentimeter. Ein 15x15mm Alu-Vierkantrohr (1mm Wandstärke) wiegt hingegen 1,4 Gramm pro Zentimeter, also gute 40% mehr.

Was aktuell noch fehlt ist eine Deckplatte für oben, auf die die Elektronik, Batterie usw. montiert wird. Diese Platte wird abnehmbar sein und entweder auch aus MDF oder aus Sperrholz gefertigt sein (tut sich vom Gewicht her nicht viel).

Montage der Motoren

Mit Hilfe der Befestigungskreuze der Motoren habe ich die nötigen Bohrlöcher angezeichnet. Die Achsen der Motoren und damit der Mittelpunkt der Kreuze befindet sich 2,5cm vom seitlichen und 9mm vom oberen Rand einer jeweiligen Auslegerseite entfernt. Durch die 3mm durchmessenden Löcher habe ich die Motoren mit Schrauben der Größe M3x30 (x25 hätte auch gereicht) sowie einer Unterlegscheibe und selbstsichernden Muttern befestigt. Die kleinen Schrauben, mit denen der Motor am Befestigungskreuz festgeschraubt ist, wurden mit Schraubensicherungskleber gesichert. Damit der H-Quad nicht auf den Schrauben steht, habe ich aus dem Rest des urprünglich mal 90cm langen 18x13mm Kantholz noch jeweils 2cm lange Abstandshalter gesägt und genau unter den Motorachsen angeklebt. Diese Klötze bilden jetzt das „Landgestell“.

H-Quad frame, motor mount close-up

Zweifel

Ich sehe aktuell zwei Probleme mit diesem Rahmen: zum einen besteht die Grundplatte aus MDF, das zwar leicht zu verarbeiten ist, aber auch schnell aufreißen/aufplatzen kann. Die Klebestellen halten extrem gut und meine Sorge ist daher, dass bei einem Crash nicht die Verklebung aufgeht, sondern einfach das MDF reißt. Da muss aber der Praxistest zeigen.

Die zweite Sorge betrifft die Dimensionierung im Vergleich zur Motorleistung. Dies wäre nicht der erste Quadcopter, den ich baue, der sich am Ende als zu schwer zum Fliegen erweist (im Vergleich zur Motorleistung). Sollte dieser Fall wieder eintreten, werde ich den Rahmen kleiner bauen, den glücklicherweise kostet das Baumaterial für den Rahmen nur etwa 5 Euro. Beim Flame Wheel-Copter bekommt man für 5 Euro gerade mal einen nachgemachten Ersatzausleger aus China. Allerdings ist der F450-Rahmen insgesamt erheblich leichter als mein doch recht massiver Holzrahmen. Wartens wirs ab.

 

In klein fliegt der Quadcopter (NanoQuad) endlich – und wie!

Da ich bisher wenig Glück mit meinen bisherigen Quadcoptern hatte und bisher nur wenig Motivation aufbringen konnte, das wieder gerade zu rücken, habe ich mich im Zuge meiner Zwischenbeschäftigung mit Mikrohelikoptern auch mit Quadcoptern im kleinen Maßstab beschäftigt. Ich habe mir einen auf Basis des Flyduino NanoQuad-Rahmens mit NanoWii-Controller (MultiWii Software 2.2) zusammengebaut. Seit ich die Firmware der Drehzahlregler durch die BLHeli Multirotor-Firmware ausgetauscht habe (es gibt dazu übrigens eine super Anleitung bei OlliW), fliegt das kleine Biest extrem stabil und liefert Schub satt.

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Wo sich jetzt das Grundproblem mit der Flugtauglichkeit überhaupt nicht mehr stellt, konnte ich etwas übermütiger werden und habe eine kleine Kamera in Form eines Schlüsselanhängers unter den Quad gehängt. Sieht man davon ab, dass das Video „wobbelt“ weil noch eine brauchbare Dämpfung fehlt, sind die ersten Bilder schon ganz gut geworden:

Quadcopter-Testflug #2: Auf, auf, und … ab in den Acker

Alter und neuer Motor im Vergleich

Alter und neuer Motor im Vergleich

Nach dem Reinfall mit dem ersten Flugversuch habe ich den Copter am Wochenende mit stärkeren Motoren (Turnigy Aerodrive SK3 2830-1020kv) und einem 3S-LiPo ausgerüstet, denn schließlich brauchte das Ding mehr Power, har, har, har.

Flugtag … äh, -stunde … äh, -minuten

Ich hatte Sonntag zwar einen engen Terminplan, habe aber doch eine halbe Stunde gefunden, in der ich den Quadcopter auf einem Acker in der Nähe ausprobieren konnte. Was soll ich sagen: er fliegt. Die Leistung ist jetzt ausreichend, vielleicht nicht für Akrobatikflug, aber zumindest um vom Boden in brauchbare Höhen aufzusteigen.

Und da beginnt das Problem: ich bin ziemlich unkoordiniert an die ganze Sache rangegangen und war unterm Strich mit der Situation leicht überfordert. Diesem Umstand sind dann die Crashs aus dem Video von diesem Tag geschuldet:

Der richtig spektakuläre Crash ist da aber gar nicht drauf: ich kam kaum vom Boden hoch und gab deshalb mehr Schub. Das war dann aber zuviel Schub und der Quadcopter schoss auf 4-5 Meter Höhe. Und mir fiel in Panik aber nichts besseres ein, als den Schub auf null zu reduzieren, woraufhin der Quadcopter natürlich wie ein Stein aus dem Himmel fiel. Glücklicherweise ging bei den Crashs nur ein Propeller zu Bruch. Dass der Copter aber beinahe in Flammen aufgegangen wäre, erläutere ich aber erst weiter unten 😉

Erkenntnisse

Der Quadcopter nach dem Crash

Der Quadcopter nach dem Crash

Auch wenn die ganze Aktion ziemlich unkoordiniert war und mich am Ende Nerven und den einen Propeller gekostet hat, so habe ich doch wertvolle Erkenntnisse gewonnen.

  1. Das eine ist die Sache mit der Steuerung. Der Schubregler ist empfindlich und es gehört nicht viel dazu, den Quadcopter in die Stratosphäre zu befördern oder unangespitzt in den Acker stürzen zu lassen.
  2. Da sich die Steuerung des Quadcopters nicht mit dem eigenen Blick auf das Fluggerät ändert, provoziert eine Position, die auf einen selber zeigt, gerne mal falsche Lenkbefehle, da in diesem Moment die Steuerung optisch umgekehrt ist. Will ich also eine Schieflage nach rechts mit einem Aufrichten nach links kompensieren, wenn der Quadcopter auf mich zukommt, muss ich den Stick nach rechts legen und nicht, wie ich versucht war, nach links. Das verstärkt dann nämlich die Schieflage und schon crasht das Ding.
  3. Der Rahmen funktioniert glücklicherweise wie erwartet, allerdings wurde vor allem beim letzten Crash (auf dem Video) eine gefährliche Designschwäche sichtbar.

Designstärken und -schwächen

Have boom, will travel

Have boom, will travel

Das gute Vorweg: die Konstruktion mit Aluminiumrundrohren und Clips für diese Rohre tut genau das, was sie soll: bei einem heftigen Aufprall springen die Rohre aus den Clips, wodurch die meiste Energie des Absturzes kompensiert wird, ohne dass der Rahmen ernsthaft beschädigt wird. Um den Quadcopter dann wieder flugbereit zu machen, reicht es aus, die Arme wieder neu zu positionieren und in die Klemmen zu drücken.

Angeknackstes Kontrollkabel

Angeknackstes Kontrollkabel

Das Problem an dieser Konstruktion ist mir erst nach dem Crash bewusst geworden: stürzt der Quadcopter in einem steilen Winkel ab, springt ein Arm nicht nur aus den Klemmen, sondern schiebt sich u.U. in den Quadcopter hinein. In diesem Fall war das der grüne Ausleger, der sich fast 10 Zentimeter in den Rahmen geschoben hat. In der Mitte der Platten laufen aber die ganzen Kontroll- und Stromkabel und es war eher Glück, dass das Rohr nur ein einziges Kabel leicht beschädigt hat. Hätte er das Stromkabel erwischt, hätte es einen Kurzschluss gegeben und im schlimmsten Fall einen LiPo-Brand.

Glücklicherweise ist mir das erspart geblieben und so kann ich an die Werkbank zurückkehren, um das Problem anzugehen. Stay tuned!