Soners und Jürgens Quadcopter


SJX01

Ein Gemeinschaftsprojekt von Soner und Jürgen

 

 

 

Sommerprojekt Quadcopter
Ein Selbstbau Quadcopter mit besonderen Eigenschaften

Eines Tages machte mich mein Schulkamerad und Freund auf ein Youtube Video aufmerksam. Dabei flog ein Quadrocopter selbstständig über die Wolkendecke, filmte die wunderschöne Aussicht und landete selbständig. Leider missglückte die geplante Landung (der Akku reichte nicht aus) und der Copter zerschellte am Boden.

Nun dieses Projekt wollen wir auch machen, nur mit dem Unterschied, dass unser Quadcopter nicht am Boden zerschellen soll. Und Soner hatte sowieso vor, diesen Sommer einen Quadcopter zu bauen ...

Was muss der Quadcopter können?
  • hohe Aufstiegsgeschwindigkeit
  • Windstabil
  • lange Flugdauer
  • GPS Navigation
  • Autopilot
  • Auto Landefunktion
ToDo Liste
  1. Herausfinden welche Aufstiegsleistung ein finanziell leistbarer Quadcopter besitzt
  2. Wie schwer darf der Copter max. sein
  3. wieviel Schub wird mindestens benötigt
  4. welche Motoren und Akkus existieren welche die benötigten Werte aufweisen und im Budget liegen
  5. optimale Abmessungen des Quadcopters
  6. was wird an elektronischen Teilen sonst noch benötigt
  7. GPS System und Autopilot

Auf jeden Fall sollen so viele Teile wie möglich am 3D Drucker produziert werden. Somit ist eine 3D CAD Konstruktionszeichnung erforderlich.

 

Wir haben uns entschlossen das Projekt in 2 Teilen zu machen.

A) Konstruktion und Bau eines Quadcopters der die Anforderungen bezüglich der Flugleistungsdaten aufweist.

B) Erweiterung mit GPS System und Autopilotsystem

Zu den ersten 2 ToDo Punkten:

Aufstiegsleistung und Startgewicht:

Dazu hat sich ein Ingeneursbüro schon Gedanken dazu gemacht: Link zur Webseite des Ingeneurs

Als Beispiel für einen realen Quadcopter wurde ein DJI Phantom herangezogen.

Es kann also bei Motoren mit 4 x 140 Watt Leistungsaufnahme (Brushless Motor A2212) und einen Copter Startgewichts von ca. 1,2 kg der mit einem LithiumPolimer Akku ausgestattet ist, welcher 11.1V Nennspannung und 5200mAh Batteriekapazität aufweist, eine Aufstiegsleistung von ca. 6,8 m/s (entspricht in etwa 24 kmh) erreicht werden. Die maximale Flughöhe beträgt mit dieser Konfiguration ca. 2300m.
Es werden für den Aufstieg daher in etwa 330 Sekunden benötigt. Für den Abstieg so die Aussage von Quadcopterbesitzern, ist die doppelte Zeit des Aufstiegs erforderlich.
Also ca. 1000 Sekunden gesamte Flugzeit, das sind ca. 17 Minuten.

Um die Aufstiegsleistung zu erhöhen, also die geplante Höhe schneller zu erreichen und somit einen geringeren Energiebedarf zu haben gibt es folgende Optimierungsmöglichkeiten:

  • 10% geringeres Startgewicht = 400m mehr Höhe, also auch früher auf der angestreben Höhe
  • 10% besserer CW Wert = 100m mehr Höhe
  • 10% mehr Schub = 200m mehr
  • 10% besserer Wirkungsgrad des Systems = 300m mehr
  • 10% geringere Fläche für Luftwiderstand = 100m mehr

Ein zweiter Weg ist die Erhöhung der Akkukapazität bei gleichbleibendem Startgewicht.

Übrigens: Die Windstabilität des Copters ist bei Höhen von 2000m nicht relevant und muss nicht beachtet werden. Voraussetzung ist, den Copter nur bei Windstille so hoch fliegen zu lassen.

Realisierbare bzw. wirksame Dinge zur Optimierung sind:
  1. mehr Schub
    Beispiel: max. 4 x 140 Watt = 100%, max. 4 x 154 Watt sind 110%
  2. mehr Akkukapazität also längere Flugdauer
    Beispiel: 5200mAh = 100%, 6600mAh = 126%, 10000mAh = 192%
  3. Startgewicht verringern
    Beispiel: 1200g = 100%, 10% weniger wären demnach 1080g, 20% weniger 960g

Zu 1.: Der Motor Brushless Emax CF2822 hat eine Stomaufnahme bei Dauerleistung von 12A bei einem Wirkungsgrad von 82%. Gegenüber der Stromaufnahme bei Dauerleistung des Referenzcopters von 10A bei einem Wirkungsgrad von 80% ist das bereits eine Steigerung von mehr als 20%.

Zu 2.: Als Akku werden entweder 3x 2200mAH Blocks oder ein Block mit 10000mAh eingesetzt.
Steigerung von 25% - 90%

Zu 3.: Das vorläufig berechnente Startgewicht mit allen Teilen wird beim SJX01 in etwa 1,1kg - 1,2kg betragen, hier ist also keine Steigerung zu erzielen.

Alle anderen Optimierungsmöglichkeiten werden wir bei der Konstruktion auf jeden Fall auch beachten und in das Modell einfließen lassen.

Zu den ToDo Punkten 3, 4 und 5:

Motor:

Es gibt für low cost Modelle verschiedene Motoren im Handel. Der Brushlessmotor EMAX CF2822 ist kostengünstig und leistungsstark. Leider ist die Verarbeitungsqualität nicht die beste.
Jedoch lassen sich die verschiedenen Schwachstellen rasch beheben:

  • Austausch der originalen Achswelle durch eine 3mm Federstahlachse
  • Kürzen der Achswelle
  • Austausch der originalen Kugellager (MR63ZZ, 893ZZ) gegen qualitativ hochwertige Lager
  • Neuwickeln des Motors mit 0.5er Draht (14 Windungen pro Wicklung)
  • Umbeschalten der Wicklungen von Dreieck- auf Sternschaltung
  • Wuchten des Motors
  • Wuchten der Propellers (hat zwar nichts direkt mit dem Motor zu tun aber trotzdem sehr wichtig)

Die Kosten für diese Arbeiten bewegen sich auf jeden Fall unter dem Neupreis eines gesamten Motors, und verdreifachen sogar die Lebensdauer des Motors.
Klarerweise wird der Motor Anfangs im Orignalzustand betrieben. Erst wenn einer der Motoren Probleme macht wird umgebaut.

Schub:
Der Schub vom Emax CF2822 wurde schon mehrmals getestet (Youtube). Im Originalzustang erreicht der Motor einen maximalen Schub von ca. 750g - 800g pro Motor (optimiert sogar noch mehr).
Zusammen sind das 3000g - 3200g Schub.
Eine Faustregel sagt, dass der Schub mindestens das doppelte vom Startgewicht des Copters betragen sollte.
Der Quadcopter liegt also sogar ca. 300g unter der Empfehlung.

Um nun auch den optimalen Propeller einzusetzen existiert eine Berechnungsformel.
Ziel dabei ist es die maximale Leistung des Motors vor dem Erreichen der maximalen Drehzahl zu erreichen um den hächsten Wirkungsgrad auszunutzen.

Daten des Motors:
Stromaufnahme = 16A Spitze bei 11.1V, und 12A Dauer bei 11.1V
Wirkungsgrad= 82%
max. Umdrehung pro Minute = 12000 UPM
empfohlene Propellermaße: 8x4,5 9x4,7 10x4,5

Der Motor hat demnach eine max. Nennleistung (genauer eine maximale Leistungsaufnahme)von:
P = I x U => 16 x 11,1 = 177,6 Watt die er über die Dauer von 60 Sekunden aufnehmen kann.
Er hat eine Dauerleistung von: P = I x U => 12 x 11,1 = 133,2 Watt

Die tatsächlich abgegebene Leistung an der Propellerwelle hängt vom Wirkungsgrad des Motors ab:
Pe (Echtleistung) = P / 100 * Wirkungsgrad
Pe max = 177,6/100*82 = 145,6 Watt
Pe Dauer = 133,2/100*82 = 109,2 Watt
Dies dient nur zur Info...

Formel zu Berechnung der Leistung
in Zusammenhang mit den Abmessungen des Propellers und der Motordrehzahl:

Px (Benötigte Leistung) = Kp (1,31 Konstante) * d^4 (Propellerdurmesser in Zoll /12 hoch 4) * P (Steigungswert Propeller in Zoll / 12) * RPM^3 (Umdrehung/Minute in Tausender hoch 3)

Berechnung:

8x4,5 Propeller bei 12000UPM
Px = 1,31 * (8/12)^4 * (4,5/12) * (12000/1000)^3 = 167 Watt = 15 A

Der Propeller ist zu klein dimensioniert da der Motor selbst bei maximaler Drehzahl seine maximale Leistung nicht erreicht.

9x4,7 Propeller bei 12000UPM
Px = 1,31 * (9/12)^4 * (4,7/12) * (12000/1000)^3 = 280 Watt = 25A
9x4,7 Propeller bei 10300UPM
Px = 1,31 * (9/12)^4 * (4,7/12) * (10300/1000)^3 = 177 Watt = 16A
9x4,7 Propeller bei 9500UPM
Px = 1,31 * (9/12)^4 * (4,7/12) * (9500/1000)^3 = 139 Watt = 12A

Mit diesem Propeller erreicht der Motor seine maximale Leistung bei 10300 UPM
und die Dauerleistung liegt bei 9500 UPM.
Der Wert ist gut, dieser Propeller kommt in Frage.

10x4,5 Propeller bei 12000UPM
Px = 1,31 * (10/12)^4 * (4,5/12) * (12000/1000)^3 = 409 Watt = 36A
10x4,5 Propeller bei 9100UPM
Px = 1,31 * (10/12)^4 * (4,5/12) * (9100/1000)^3 = 178 Watt = 16A
10x4,5 Propeller bei 8300UPM
Px = 1,31 * (10/12)^4 * (4,5/12) * (8300/1000)^3 = 135 Watt = 12A

Mit diesem Propeller erreicht der Motor seine maximale Leistung bei 9100 UPM
und die Dauerleistung liegt bei 8300 UPM.
Hier ist die Drehzahl noch geringer, somit auch der Verschleiß geringer.
Dieser Propeller kommt in Frage.

Hier müssen Echttests noch beweisen welcher der beiden Propeller (9x4,7 und 10x4,5) die längere Flugdauer, bzw. die bessere Aufstiegsleistung bietet.

Abmessungen des Quadcopters:

Der Aufbau des Quadcopters wird symetrisch und kreuzförmig sein.
Der Abstand von Motorachse zu Motorachse wird 500mm betragen.

Die Höhe und weitere Bauform wird sich bei der Konstruktion ergeben.

Zum Punkt 6:

Folgende Teile umfasst der Quadcopter im Gesamten (elektronisch und mechanisch):

 Stk  Bezeichnung
Gewicht/Stk
in g
Gesamt
gewicht in g
1 RC Receiver 6CH 8,00 8,00
1 Flight Controller  KK.2.15 21,00 21,00
1 Power Connect 5,50 5,50
1 5V/6V Powersupply 3A 11,00 11,00
4 SpeedController 11,1V 30A  25,00 100,00
4 Emax CF2822 1200KV 16A 29,00 116,00
4 Propeller 10x4,5 8,00 32,00
1 LiPo 3S 11,1V 2200mAh 175,00 175,00
1 Raspicam + RaspiB 43,00 43,00
1 3D printed Frame komplett 132,00 132,00
4 Alurohr Durchm. 12mm ca. 1m 38,00 152,00

Diese Teile sind für den ersten Betrieb unbedingt erforderlich.
Dazu kommt noch ein RC-Fernsteuerung Sender mit mind. 4 Kanälen.
Ein Lipo Akku Ladegerät mit Balancing Funktion.
M3 Schrauben in verschiedenen Längen, M3 Muttern und 3,2mm Beilagscheiben.
Außerdem noch diverse Kabel und ein dünner Stab der als Antenne am Copter dienen soll.

Next steps:

Da nun alles soweit feststeht, kann mit der 3D CAD Konstruktion begonnen werden.

Hier schon ein paar erste grobe Skizzen vom SJX01...

Der 3D Entwurf geht voran ...

Probedruck und Probepassung ...

Das grausliche Grün muss eh verbraucht werden...

 

 

Nochmals eine Änderung ...

Jetzt schauts aber schon ganz gut aus, so kanns bis auf ein paar kleine Änderugen bleiben.

 

 

Jetzt wird erst einmal der gesamte Entwurf am 3D Drucker produziert.

 

Prototyp fertig gedruckt

Die erste Version ist fertig. Es ist die Version SJX01c. Der 3D Drucker lief bestimmt insgesamt 3 Tage um alle Teile zu produzieren.

Die schon jetzt geplanten Veränderungen für die flugfähige Version:

  • Landebeine einzeln wechselbar
  • Akkuhalterung entfernen
  • Gewicht einsparen

Das Schau-Modell SJX01c

Nun wird das Schaumodell ausgiebig durchdiskutiert um alle notwendigen Änderungen herauszufinden.

 

 

SJX01d erste Bilder

Die heutige Detailbesprechung für das erste flugfähige Modell war sehr produktiv.
Das Ergebnis: ein neues Design, welches weniger Startgewicht , einen besseren cw-Wert und ein gefälligeres Design aufweist.

Die Fertigstellung der 3D Zeichnung inkl. dem vollständigen 3D Druck in den Farben Weiss, Rot ist bis zum Wochende geplant.
Damit ist dann ein wichtiger Milestone des Projektes abgeschlossen.

3D Druck planmässig abgeschlossen

Hier die Bilder vom fertig gedruckten und assemblierten Copterrahmen:

Für die Flugvideoaufnahmen soll ein Raspberry Pi 1 B mit einer PaspiCam Videos im HD Format aufnehmen und auf SD Karte speichern. Die Aufnahme soll per RC Fernbedienung gestartet und gestoppt werden können.

Ein Atmel AVR ATTINY13A Microcontroller soll zum einen die Positionslichter betreiben, und zum anderen den RC Empfänger auf Kanal 5 abhöhren und entsprechend ein high Signal an den Raspberry Pi weitergeben. Der Rapsi schaltet dann das Kamerarecording an- und aus.

Hier die fertige Programmierung des AVR für die Positionslichter (Ja, der kleine 8-beinige IC ist der Microcontroller).

Die Programmierung für die Interpretierung des Kanal 5 Signals soll so aussehen:
Die Signalbreite einer Periode beträgt 16ms. Wenn Kanal 5 aus ist, ist von den 16ms nur 1ms High. Ist Kanal 5 ein, so sind 2ms High.
Im Programm wird dann ab Beginn des Highpegels die Zeit bis zum Ende des Pegels gestopppt und ausgewertet. Ist Kanal 5 an so gibt der AVR ein High Signal am definierten Ausgangspin an den Raspi weiter.
Im Raspi läuft ein Programm welches an einem definierten Eingangspin auf High/Low prüft und schaltet das Recording an bzw. aus.

Der Vorteil daran ist, dass mit Fernbedienungen welche mehr Kanäle haben, diese Funktion ausweiten lässt um mehr Dinge steuern zu können.

Mit dem fertigen Programm ist am Oszilloskop gut zu erkennen:
Eine Periode (blaue Kurve) misst 16ms ...
Die Highpegeldauer misst je nach Schaltzustand 1ms oder 2ms.

 

Das Programm im Microcontroller wertet den Eingang aus und stellt je nach Schaltzustand ein Low oder High Signal (gelbe Linie) am Ausgang ein.

 

Der Rapsi ist auch soweit vorbereitet. Das OS ist drauf, das Recording funktioniert, nur noch die Verbindung AVR - Rapsi fehlt.

 

2ter Copter fertig gedruckt, fast alle Teile eingetroffen
ERSTMAL DANKE SAGEN!
Vielen Dank an Hans, egal was ich brauche und wann ich es brauche, du hast immer Zeit für mich.
Auch vielen Dank an Franz, für deinen immer aktuellen Nachschub an technischem Fachwissen!
DANKE!

Hier ein paar besondere Teile:

Carbon Luftschrauben, gestiftet von Soner (Danke :)      und Soners Flight Controller mit Gehäuse ...

Der Motor EMAX CF2822, klein aber sehr hohe Leistung

Speedcontroller

Nylon Propeller

 

 

Den 2ten Copter habe ich schwarz gedruckt um die beiden Copter im Flug voneinander unterscheiden zu können.

Die Konstruktion wurde auch geändert um das Gewicht zu reduzieren. Das Druckmaterial ist beim weissen Copter PLA und beim schwarzen ABS, um die Festigkeitsunterschiede im Echttest herauszufinden.

der Copter SJX01e (ohne Landebeine, aber mit Motoren und 10" Propeller)

 

Zuerst die Kabel einziehen, hier das Schema für den Stromverlauf:

 

Es sind nun auch schon fast alle Teile eingetroffen, sodaß der Bau fortgesetzt werden kann.

Der Aufbau der Copter ...

Hier der Baufortschritt der beiden Copter...

SJX01d
Hier sind die Motoren montiert Kabel für die Motoren bereits eingezogen.

Zum Testen des Systems vorher klemmen dann löten...

SJX01e
Die Kabel für die Motoren sind eingezogen, die Verbindungskabel vom Receiver zum Flightcontroller auch.

Steckverbinder Motor -> Speedcontroller

Speedcontroller

Soweit fertig, leider habe ich vor lauter herumspielen einen Speedcontroller zu Asche verwandelt. Ich muss nun auf Ersatz warten ...

Der "fertige" Copter: Startgewicht 1029gramm + 1 Speedcontroller


Programmierung des ATmel ATtiny13

Kleines Testprogramm für den Tiny13 um das RC Empänger Signal auszuwerten:

Logik des Programms:
Prüft ob Inputpin == HIGH
    wenn JA Zähler + 1
    wenn NEIN werte Zähler aus
       Wenn Zähler > 2ms setze Outputpin LOW
         Wenn Zähler <=2ms und wenn Zähler != 0 setze Outputpin HIGH


Das Programm:

int main (void){
   DDRB &= ~(1 << PB0); // PIN 5 RC cannel in
   DDRB |= (1 << PB1); // yellow LED switch on

   int32_t n = 0;

   while(1){
      if((PINB & (1 << PB0))) {
      //if PB0 isset -> count
      n++;
   }else{
      // if PB0 isnotset -> calculate
      if (n > 250 ){
         PORTB &= ~(1 << PB1); // switch on
      }else{
         if (n != 0){
            PORTB |= (1 << PB1); // switch off
            }
         }
      n = 0;
      }
   }
return(0);
}

Die Begrenzungsbeleuchtung wird dann von einem zweiten Tiny gesteuert.

Fertigstellung Bau ...

Bau abgeschlossen

Video vom Erstflug