Saturday, February 26, 2011

Splint3r: Sehr sonnig aber sauwindig



Da es sehr sehr windig war, sind die Bilder leider etwas verwackelt und schief, ich arbeite aber noch and en Parametern.

Vip3r: Motorkabel und Ruder sind fertig

Die letzten Tage habe ich einiges geschafft.

Ich habe mal etwas Geld in die Hand genommen und mir Silikonkabel und Kugellager und LEDs gekauft.
Das Silikonkabel ist wunderbar flexible und damit hab ich den Kabelbaum verfeinert.
Die Zuleitungen von den ESCs zu den Motoren über die Ausleger sind jetzt fertig.





Ein ganz großes Thema ist der hintere Ausleger.
Hier ist ja ein servo der den hinteren Motor schwenkt und damit hatte ich auch in der Vergangenheit so meine Probleme.
Bei Splint3r habe ich zunächst mit einem Servo im Center gearbeitet, das war aber sehr hinderlich und nicht sehr wartungsfreundlich.
Darum habe ich den Servo in den hinteren Ausleger verlegt und steuere das Heck über ein Servohorn an. Die Problematik ist nur die Lagerung des beweglichen Teils. Bisher habe ich dafür 8mm Carbonrohr verwendet in dem ein 6mm Carbonrohr dreht. Das mach sich auch ganz gut, ist aber nicht reibungsfrei. Daher wollte ich nun mit Lagern arbeiten.

Achse mit Sprengring und 5mm/8mm Lagern


Leider bin ich dabei in eienr Sackgasse stecken geblieben, ich konnte die Achse nicht spielfrei im ausleger fixieren,  und bin wieder zurück auf mein altes Konzept mit dem Carbonrohr, da dies für die Fixierung im Ausleger einfach das Beste war.

Dabei raus gekommen ist Folgendes:





Im Vergleich zu Splint3r ist der Anschluss für das Servohorn nun direkt am Trägerplastik und ich brauche keinen Aluhebel mehr. Außerdem sit das ganze leichter als vorher und schneller zu wechseln.

Thursday, February 24, 2011

Vip3r: Centerplate und Kabelbaum sind fertig

Gestern habe ich das lackierte Gehäuse zum ersten mal zusammengebaut und es sieht echt sehr gut aus, vor allem der Kontrast Silber/Schwarz ist echt hübsch.


Danach hab ich den Stromverteiler vom Akku zu den ESCs gelötet und die ESCs plaziert.





Eine neue CFK-Platte für die Halterung der I²C Umsetzer ist bestellt und ersetzt die hässliche Sperrholzplatte.



Heute werde ich im Hobbyladen hochflexibles Silikonkabel für die Verbindung von ESC zu den Motoren kaufen und dann die restlichen Verkabelungen vornehmen

ToDo
- Verkabelung LED
- Verkabelung ESC -> Motor
- Stromversorgung TRIguide
- Umlöten Steckverbinder I²C2PWM
- Akkuanschlussstecker kaufen
- neuen Empfänger organisieren, der Summensignal kann.






Wednesday, February 23, 2011

Chassis für Vip3r fertig lackiert

Gestern habe ich die letzten Teile des GFK Chassis für Viper schwarz glänzend lackiert.
Sieht super aus...

Heute wird es zusammengebaut und letzte Unklarheiten im Layout der Elektronik werden überdacht.

Jetzt brauche ich noch Kugellager für das Heck.



Splint3r in ungeahnten höhen

Mit der GoPro an Bord entstanden auf der Hundewiese hinter unserem Haus einige schöne Luftaufnahmen.
Es war ein seltsames Gefühl so einen Haufen Geld in solcher höhe fliegen zu lassen.
Es ist aber alles gut gegangen.

Tuesday, February 22, 2011

Splint3r: Erster richtiger Flug draußen



Das hat ja schon ganz gut geklappt, einmal habe ich fast die Kontrolle verloren, aber mit etwas durchatmend gings wieder, die Schübe sind übrigens nur bei 2/3 Gas, da ist noch Luft nach oben.

Monday, February 21, 2011

Erfahrung während des Prototypenbaus

Beim Bau von SPLINT3R habe ich einige wertvolle Erfahrungen gemacht:

Meine Lösung den Servo ins Center zu legen ist zwar schick, aber nicht sonderlich wartungsfreundlich. Darum sit der servo jetzt in den Ausleger gewandert.

Servo im Center

Kupplung zur Servoachse



Servolösung neu


Sperrholzbeine sollten dick genug sein, damit sie bei ruppigen Landungen nicht brechen aber auch ncith zu hoch sonst kippt der Tricopter leicht um.

Beim Löten sollte man sorgfältig vorgehenm vergessene Zinnflecken können verhängnisvoll werden, besonders im IMU.

Genaues Arbeiten Zahlt sich aus: Beim Bohren von Löchern genau ausmessen, dann passt hinterher auch alles.

Die Länge einer 40MHZ Antenne ist nicht beliebig, es gilt folgende Formel:


Lambda (w) = Lichtgeschwindigkeit (c) / Frequenzband (f)

c = Lichtgeschwindigkeit = 299.792 km/sek = 299972
f = Frequenz = 40 MHz (40 MHz Empfänger und 40 MHz Fernbedienung)
w = Lambda = Wellenlänge in mm (Dementsprechend die Antennenlänge !)

Also: w = c / f 
w = 299792 / 40 = 7494,8 = 7,5m


Diese Länge ist relativ unrealistisch, daher kann man die erechnete Länge durch gerade Zahlen Teilen, z.B. 32.


Das ergibt dann realistische Längen.


Auch die ersten Flugversuche zeigten mir Dinge, die ich verbessern kann. Die Halterung der Kamera ist jetzt vorne anstatt oben, nach dem ersten Crash habe ich das Layout des Centers geändert um leicher an den Akku zu kommen und um die Elektronik zu schützen.














Nach einem fatalen Vorfall mit einem Gyro, der zum Glück mit dem Reflow Ofen behoben werden konnte hat dieser jetzt auch dünnere, flexiblere Kabel.


Nach diesen erfahrungen und den ersten Flügen würde ich so weit gehen, dass SPLINT3R als Prototyp ein voller Erfolg war.
Bis auf einen Vorfall bin ich sicher, dass das ganze jetzt passt und ich mache mich nun an den Bau von VIP3R, hier werde ich alle Erfahrungen umsetzen und das ganze in Optik und Gewicht optimieren.



Fertiger Prototyp Splint3r



Kamerahalterung für die Weitwinkelkamera


Warum ein Heckservo

Hubschrauber im Allgemeinen haben ein Problem : Drehmoment.

Hätte ein Hubschrauber keinen Heckrotor würde sich die Gondel unter dem Rotor wegdrehen und der Pilot würde ziemlich schnell das Cockpit vollkotzen.

Warum hat aber jetzt ein Tricopter ein Heckservo und ein Quadro- oder Hexacopter nicht?

Ein Quadro oder Hexacopter hat eine Gerade Anzahl von Rotoren, am Quadrocpter kann man das gut erklären:

Ein Rotor der sich im Uhrzeigersinn dreht erzeugt ein Gegenmoment, das Flugobjekt am Rotor will sich gegen den Uhrzeigersinn drehen, ein zweiter Rotor, der sich entgegen des ersten dreht hebt diesen Drehmoment auf, somit wäre das System, ideal gesehen, drehmomentfrei. Ein Quadrocopter hat zwei Rotoren gegen den Uhrzeigersinn und zwei mit ein Hexacopter drei usw.

Bei einem Tricopter geht das so nicht, es ist immer ein Rotor zuviel.
Die beiden vorderen Rotoren drehen sich nun also entgegengesetzt und der hintere fällt aus der Reihe, somit dreht der Tricopter sich entgegen der Richtung des Heckrotors, kippt man den Heckrotor nun so, dass er dieser Bewegung entgegenwirkt steht die ganze Sache still, bis man mehr gas gibt und damit er dann immer noch still steht muss das Heck dynamisch kippbar sein um sich bei jedem Tempo anpassen zu können.

Jetzt kommt die Frage warum ein Quadrocopter überhaupt drehen kann.

Das funktioniert indem man sich das resultierende Drehmoment zunutze macht, man nimmt einfach etwas Schub von einem Weg und schon herrscht ein Ungleichgewicht und es ergibt sich eine Drehung in die jeweils entgegengesetzte Richtung der Drehrichtung dieses Motors usw.

Der Tricopter ist genau deswegen auch viel agiler als ein Quadrocpter, die Drehung kommt nur über den Servo und es braucht nicht der Schub aller Rotoren geregelt werden, sondern nur der des hinteren muss sich an den jeweiligen Winkel anpassen. Dadurch sind sehr agile Flugmanöver möglich, wie Willa hier eindrucksvoll beweist.

Tatsächlich kann man während des Flugs sehen wie der Servo seine Arbeit verrichtet und ständig regelt.

Man könnte das Problem übrigens auch lösen, indem man unter jeden Rotor einen gegenläufigen installiert, das verringert aber die Effizienz eines Rotors und man braucht sechs Motoren.

Diese elegante Lösung nennt sich Y-Copter.

Von I²C zu PWM über den ESC zum Motor

Um flexibel zu sein hat Willa I²C als Ausgangssignal der Steuerung gewählt.
Da I²C ein Bussignal mit Adressierung sit, kann man theoretisch so viele Motoren anschließen wie man will.
Es gibt in  Willa's Software schon Optionen für Quadrocopter, Hexacopter, und Y-Copter.

Das Problem ist nur, dass die wenigsten Motorkontroller diese Sprache verstehen, also muss ein Übersetzer her.
Willa hat dafür Platinen entwickelt die über Jumper parametriert werden, und mit hilfe eines ATMegas das I²C Signal in ein Signal mit Pulsweitenmodulation (PWM) umrechnen. An diese Platinen werden wiederum die Electronic Speed Controller (ESC) angeschlossen.

Die ESC machen nun aus der Batteriespannung und dem PWM Signal am Eingang ein Drehstromsignal um die Elektromotoren anzusteuern, diese Benötigen nämlich eine drehende Spannung über drei Phasen um ein drehendes Magnetfeld zu erzeugen.

TRIguide - Das Gehirn

Die sog. TRIguide ist eine von William, auf Basis eines Arduino, entwickelte Platine, die die Eingangswerte der Funke mit den Messwerten des IMU vergleicht und über Regelstrecken daraus Steuersignale für die Motoren errechnet.



Willa hatte zunächst eine TRIguide Platine mit größerem Formfaktpr entworfen, diese aber für seinen Minitricopter verkleinert und in SMD umgesetzt, genau diese habe ich nachgebaut, das ging einfacher als ich dachte.
Mein Kollege Sven hat die Platine noch etwas optimiert und dann haben wir sie von einem Platinenbelichtungsservice herstellen lassen.

Auf der Platine ist alles vorhanden was man braucht:
- Stromanschluss
- Eingang für Empfänger
- Ausgang für den Servo
- Ausgänge für Motoren als I²C Bus
- Ausgänge für Status LED (Ladestatus und Steuerungszustand)
- 12V/5V Anschluss für LED etc.
- USB Anschluss zur Programmierung und Parametrierung mittels Willa's Tool TRIGUI
- Anschluss für den IMU

Nachdem ich sie bestückt habe funktionierte sie auf Anhieb (das hätte ich nicht erwartet).

SMD löten ist einfacher als man denkt.

Der IMU Würfel

Im Gegensatz zu einem Hubschrauber, der ja unter dem Rotor hängt ist ein Tricopter nicht lagestabil und man hätte einen Arsch voll Arbeit, die Rotoren ständig zu regeln, damit der Tricopter gerade in der Luft bleibt,mit anderen Worten:

Das ist unmöglich!

Damit das Teil überhaupt fliegt gibt es den IMU.
Ein IMU (Inertial Measurement Unit) ist dafür da, die Lage und die Bewegungend es Tricopters im Raum zu erfassen.

Unser IMU besteht aus drei Gyroskopen und einem Beschleunigungssensor.
Ein Gyroskop kann eine Drehbewegung erfassen, die sich als Winkelbeschleunigung äußert.
Ein Beschleunigungssensor registriert die Erdanziehungskraft, die ja eine Beschleunigung ist, und erkennt so Schräglagen.
Diese 4 Sensoren sind als Würfel angeordnet, so das jedes Gyroskop eine Raumrichtung (Nicken, Gieren, Rollen) erfasst und der Beschleunigungssensor zusätzlich noch die Schrägstellung erfasst.

Die Gyros können nun die Drehung in jede Richtung erkennen und der Lagesensor weiß, wie der Tricopter gerade in der Luft steht.

Die Steuuerung vergleicht nun diese Werte mit den Steuerbefehlen der Fernbedienung und reagiert.

Dreht der Tricopter sich nun in irgendeine Richtung und komt von der Funke zB nicht dieser Befehl, regelt er gegen usw. Somit wird das System nahezu perfekt stabilisiert - genau dadurch wird ein Tricopter so lagestabil.

Ich benutze die ADXR 610 von Sparkfun als Gyro , die schaffen 300°/s, und ein ADXL322 Accelerometer.

In diesem Video kann man sehr schön sehen, wie das Verdrehen des Würfels in verschieden Richtungen in der Software ausgewertet wird:





Der IMU ist an die von William entwickelte TRIguide Steuerplatine angeschlossen.

Saturday, February 19, 2011

F1rst Post

Hallo,
in diesem Blog geht es eigentlich um Vip3r, meinen zweiten Tricopter, zunächst erzähle ich aber die Geschichte von Splint3r, meinem ersten Tricopter.

Die Idee, einen Tricopter zu bauen, habe ich von meinem Arbeitskollegen und guten Freund Sven, der nach einem misglücktem Quadrocopter einen Tricopter  nach dem Vorbild von William Thielicke gebaut hat.

Die Agilität und das Flugverhalten des Shrediquette suchen in der Szene ihresgleichen.

Mitte November 2010 habe ich dann die ersten Teile bestellt, da ich mitte Dezember einen vierwöchigen Neuseelandurlaub geplant hatte musste ich mich beeilen.




Bestellungen von Reichelt, Watterott und Hobyking trudelten nach und nach ein und William selbst hat mir Platinen bestückt und stand mir ständig mit Rat und tat zur Seite, da auch er für seinen zeitgleich stattfindenden Kamerunurlaub einen Hexacopter baute.
Am 1. Dezember kamen die letzten Teile aus China und der Zusammenbau konnte losgehen



Tag und nacht habe ich gelötet, geschraubt, gesägt und verkabelt und am abend des 10.12 bin ich das erstemal geflogen, leider mehr schlecht als recht...
Leider konnte ich den Tricopter nicht bis zum Urlaub fertig kriegen, hätte ich vorher gewusst was noch alles falsch war, hätte ich mich auch nicht so beeilt.



Obwohl ich noch keine Erfahrungen mit Löten von Platinen, besonder nicht mit SMD-Platinen, ging alles sehr gut. Splint3r nahm relativ schnell Gestalt an. Nur leider hatte ich einige Fehler gemacht:

Ich hatte zwei wichtige Jumper auf den I²C2PWM Umsetzern gemacht, so dass diese auf 40Hz liefen und die Regelung somit zu langsam war. Dies stelle ich nach dem Urlaub fest. Vier Wochen später ging es also weiter, darüber hinaus waren auch die Supersimple Regler von HK zu langsam für den TRIguide, so das Fliegen eigentlich unmöglich war.

Aber weitere Entwicklungen und Details im nächsten Post.