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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!

Quadcopter-Testflug #1: Viel Lärm um nichts

Letzten Freitag in der Mittagspause hatte ich zum ersten Mal Gelgenheit, den Quadcopter probezufliegen. Oder zumindest war das der Plan. Aber der Reihe nach.

Propellermassaker

Mein Plan sah 10×4.7 Slowflyer Propeller für den Quadcopter vor und ich hatte drei Sätze APC-Propeller erworben. Mit 3 Euro pro Stück hielt ich die aber für etwas teuer um damit die ersten Flüge (=Crashs) zu bestreiten und habe daher in billige 10×4.5 Propeller von Hobbyking investiert. Mit denen bekam ich dann aber massive Probleme beim Wuchten, denn statt einem zu schweren Blatt wiesen die meisten eine zu schwere Nabe auf, die sich auch durch massives Wegfeilen von Material nicht beheben ließ. Erst dann fiel mir auf, dass bei eben jenen Propellern die Nabenbohrung gar nicht mittig saß, sondern teilweise bis zu einem Millimeter daneben. Dieser Qualitätsmangel war nicht behebbar, also wanderte der China-Kram zu 3/4 direkt in den Müll, womit die übrig gebliebenen am Ende dann genau so teuer waren, wie die von APC.

Houston, we have no liftoff

Für die China-Propeller musste ich auch andere Propellermitnehmer montieren, nämlich deutlich größere. Die Höhe der Propeller war größer als der verfügbare Schraubweg der eigentlich für diese Motoren angedachten Mitnehmer. Letzten Endes half das aber alles auch nichts, denn das Video zeigt deutlich, dass der Quadcopter nicht fliegt. Er stößt sich ein paar Mal für ein, zwei Zentimeter in die Luft und rutscht dann über den Boden.

Der Grund dafür ist auch klar: Wenn ich bei Vollgas mit diesen Motoren (Turnigy Park 300 1080kv) nicht abheben kann, dann haben sie nicht genug Power oder der Rahmen ist zu schwer. Oder besser: das Verhältnis von Leistung zu Gewicht ist ungünstig. Um dem Abhilfe zu schaffen, gibt es zwei mögliche Lösungen: den Copter leichter machen oder die Motoren stärker. Oder beides. Da ich sowas schon geahnt hatte, habe ich schon vor einiger Zeit stärkere Motoren (Turnigy Aerodrive SK3 2830-1020kv)angeschafft, die ich mit den gleichen Drehreglern fliegen kann. Zudem habe ich das nötige Kohlefasermaterial für die Ausleger und die Mittel- sowie Motorenplatten. Die Umstellung auf Karbonteile dürfte rechnerisch ca. 120 Gramm Ersparnis bringen, also etwa 10% des Gesamtgewichts (ohne Batterie gerechnet).

Ich montiere aber mal zuerst die stärkeren Motoren, vermutlich reicht das schon. Und wie es weitergehts erfährst Du nach der nächsten Maus… vorher habe ich aber als Bonus noch eine Zeitrafferaufnahme von der Testmontage meines Quadcopter-Rahmens:

ARTF (Almost ready to fly)

Der fertige Quadcopter mit Propellern und Landehilfen

Es hat doch was länger gedauert, bis dieser Beitrag zum aktuellen Stand meines Quadcopter-Projekts erschienen ist. So sieht es auch: der Quadcopter ist fertig. Ich habe zusätzlich schon einige Grundeinstellungen vorgenommen und wäre ich nicht so eine Niete im Propellerwuchten, hätte heute der Erstflug sein können (andererseits ist es zumindest hier auch vergleichsweise windig, also nicht die besten Voraussetzungen). Aber der Reihe nach:

Lackierung

(Fast) alle Quadcopterteile, fertig lackiert und bereit zum Zusammenbau

(Fast) alle Quadcopterteile, fertig lackiert und bereit zum Zusammenbau

Der größte Teil der Verzögerung in dem Projekt ist durch meine Entscheidung, den Rahmen vor dem Zusammenbau noch zu lackieren, verursacht worden. Da die meisten Schraubverbindungen mit Schraubensicherung verklebt werden mussten, wollte ich alles erledigt haben und nicht noch mal alles auseinandernehmen müssen, wenn ich die Schnauze von fliegenden Platinen voll haben würde. Lackiert wurde mit dem, was noch da war, sprich schwarz und grün. Der grüne Teil markiert das „Vorne“ des Quadcopters. Die Ausleger sind in glänzend lackiert, die eigentlichen Platten wurden zusätzlich noch mit mattem Klarlack behandelt und der Rest der Teile blieb so, wie er war.

Zusammenbau

Bodenplatte mit Fahrtenreglern und Auslegern

Bodenplatte mit Fahrtenreglern und Auslegern

Der Zusammenbau war nichts wirklich Neues und bestand im Wesentlichen daraus, die ganzen Befestigungen anzuschrauben und alle die Schrauben, die nur mit einer normalen Mutter verschraubt wurden, zusätzlich mit Schraubensicherungsklebstoff zu behandeln, damit sie sich nicht losrütteln und abfallen können. Schraubensicherung wurde auch für die Schrauben benutzt, die den Motor an seinem Befestigungskreuz halten, denn auch Motoren können sich mitunter selbständig machen.

Wie bereits beim unlackierten Copter wurden die Fahrregler mit Kabelbindern auf der Bodenplatte befestigt. Die Motoranschlüsse wurden mit Kabelbindern and den Auslegern befestigt, während die Stromanschlüsse sowie die Signalleitungen unbefestigt blieben.

Stromverteilerplatine mit angeschlossenen Fahrreglern

Stromverteilerplatine mit angeschlossenen Fahrreglern

Die gesamte weitere Elektronik wurde an die obere Platte montiert, und zwar zuerst der Stromverteiler, der von unten an der Platte befestigt wurde, damit die Stromkabel der Fahrregler nicht durch eine der Platten durchgeführt werden müssen – um einem Durchscheuern vorzubeugen. Von oben wurden dann die Steuerplatine sowie der Empfänger auf Abstandsbolzen montiert, geschützt durch eine Frischhaltedose. Die ist dringend notwendig, da gerade Quadcopter, die noch nicht komplett richtig eingestellt wurden, gerne mal dazu neigen, sich zu überschlagen. Und da die Steuerplatine das exponierteste Teil des Quadcopters ist, muss sie entsprechend geschützt werden.

Aus dem gleichen Grund wird der Quadcopter erstmal nicht mit dem vergleichsweise teuren Futaba R6308-Empfänger starten, sondern mit einem kompatiblen (und günstigerem) FRSky TFR6, der mit Klettband an der Frischhaltedose befestigt wurde. Neben dem eigentlichen Antrieb und der Steuerung ist auch noch ein Batteriemonitor/-warner verbaut, der bei kritischen Akkuständen Alarm schlägt. Und um ganz auf Nummer sicher zu gehen, habe ich dem Copter auch einen Discovery Buzzer verpasst, das ist ein kleiner Piepser, der über die Fernbedienung aktiviert werden kann und dann recht laut auf sich aufmerksam macht. Der ist für das Wiederfinden des Quadcopters im Falle eines Absturzes gedacht, eignet sich aber vermutlich auch um Leute vor dem Quadcopter zu warnen ;-).

Was bisher noch fehlte war ein Landegestell. Zwar doppelt die Batteriehalterung als Landegestell, aber das alleine wäre relativ instabil. Fürs erste habe ich Isolation für Heizungsrohre zurecht geschnitten und mit Kabelbindern an den Auslegern befestigt. Das ist nicht sonderlich seitenstabil, tut aber für den Anfang hoffentlich was es soll.

Komplett zusammengebaut und mit Batterie (2S, 2200mAh) bestückt wiegt der ganze Quadcopter übrigend 1160 Gramm und liegt damit glücklicherweise noch locker innerhalb der Limits, die ich vor Projektbeginn berechnet hatte. Nur wenn jetzt noch eine Kamera dazukommen soll, muss ich anfangen, Teile aus Karbon nachzubauen, weil das Gerät sonst zu schwer wird.

Grundeinstellungen

Die komplette Elektronik des Quadcopters

Die komplette Elektronik des Quadcopters

Das Board ist nicht programmiert, wenn es von HobbyKing kommt, daher musste im ersten Schritt Firmware draufgeladen werden. Wie schon mal früher erwähnt, habe ich mich für QuadControl 4.7 von KapteinKuk entschieden. Nach dem ersten Einschalten mussten dann noch einige Grundeinstellungen vorgenommen werden, z.B. die Kalibrierung des Gasreglers. Der wichtigste Schritt ist zu testen, ob die Sensoren richtig herum funktionieren. Die Steuerung versucht unfreiwillige Bewegungen des Quadcopters zu kompensieren. Kippt der Copter z.B. nach vorne, muss der vordere Rotor schneller drehen, um das Fluggerät wieder aufzurichten. Das gleiche gilt für die anderen Richtungen. Drehungen um die Z-Achse müssen durch eine Beschleunigung der beiden Motoren kompensiert werden, die in die gleiche Richtung laufen in die die Drehung erfolgt, da diese ein Drehmoment in die genau entgegen gesetzte Richtung erzeugen.

Die Bewegungen werden über drei Gyros ermittelt. Sind diese falsch herum angeschlossen, kompensiert der Copter die Bewegungen nicht, sondern verstärkt sie – was unweigerlich zu Crash führt. Daher unterstützen eigentlich alle Firmware die fallweise Umpolung der Gyros. In meinem Fall musste das Gier-(Yaw)-Gyro umgekehrt werden.

Warum nur almost?

Zum wirklichen Fliegen fehlen noch mindestens zwei Schritte: die Propeller müssen noch im großen Stil gewuchtet werden und es müssen gute PI-Werte für die Regler gefunden werden. PI sind zwei von drei Komponenten eines Konzepts aus der Regelungstechnik, mit dem Ist-Werte einer Anlage in Richtung der Soll-Werte gesteuert werden. Je präziser diese Werte konfiguriert sind, umso besser fliegt der Quadcopter. Das ganze Thema ist im Thread „PID tuning theory and configuration for multi rotor craft“ bei RC-Groups en Detail erläutert.

Das Thema ist leider etwas aufwendiger, mehr dazu in Kürze.

Fotos

Den Rest der Fotos gibts in meinem Quadcopter-Album bei Flickr.