Dieses Projekt befasst sich mit dem Entwurf und der Umsetzung eines neuartig angetriebenen Typ Quadrocopter. Zwei markante, untypische Zielvorgaben sollten erreicht werden. So sollte der Neigungswinkel begrenzt und der Rahmen des Quadrocopters mit der 3D-Drucktechnik hergestellt werden. Quadrocopter sind weit mehr als ein Hobby. Sie sind als universelle Träger zu sehen, welche in Zukunft viele nützliche Aufgaben erledigen können. Aufgabenbereiche wie Transport von Waren, Bewachung von Grundstücken oder Landesgrenzen bis hin zur Personenbeförderung sind Perspektiven für diese Technologie.
Der Autor beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit dem Thema Quadrocopter. Angefangen mit einfachen Consumer Modellen kam er schnell zu Bausätzen für sogenannte Racing Quadrocopter. Gleichzeitig wurde die FPV-Technik bezahlbar und salonfähig. Das sind Systeme, die aus einer Mini Kamera, einem Video Transmitter und einer Antenne auf der Senderseite bestehen und aus einer VR-Videobrille auf der Empfängerseite. Vor diesem Zeitpunkt flog der Autor sämtliche Modelle auf Sicht. Nun verbaute er FPV-Systeme in die Racing Quadrocopter und bekam eine ganz neue, faszinierende Sicht beim Fliegen.
Fortan steuerte der Autor den Racing Quadrocopter über die Mini Kamera und bekam live das Bild auf eine Videobrille projiziert. Beim Fliegen durch den Parcours entstand aber der unangenehme Effekt, dass der Copter speziell bei Vollgas Beschleunigungen extreme Neigungen annahm, was sich negativ auf den Sichtbereich der Mini-Kamera auswirkte und nicht selten zu Crashs führte. Diese Neigungswinkel galt es also zu begrenzen oder bestenfalls zu eliminieren - die Kernaufgabe in diesem Projekt.
1. Inhaltsverzeichnis
2. Einleitung
2.1 Vision
2.2 Bisheriges Funktionsprinzip
2.2.1 Der Antrieb:
2.2.2 Rahmenteile:
2.3 Ist - Zustand
2.3.1 Entwicklung eines Quadrocopters TILT-Arm-Antriebs:
2.3.2 Herstellung des Rahmens mithilfe eines 3D-Druckers
3. Realisierung
3.1 Brainstorming
3.2 Aufteilen der Arbeitsschritte
3.3 Entwurf der Gehäuseteile
3.4 Herstellung der Gehäuseteile mithilfe eines 3D-Druckers
3.5 Mechanischer Aufbau
3.6 Berechnungen der elektrischen Größen, Produktauswahl
3.6.1 Gesamtgewicht
3.6.2. Benötigte Schubkraft
3.6.3 Auswahl der Motoren
3.6.4 Auswahl ESCs
3.6.5 Berechnung des Flug-Akkus
3.6.6 Produktauswahl
3.7 Auswahl des Flug-Controllers
3.8 Materialbeschaffung
3.9 Elektrischer Aufbau Blockschaltbild
3.10 Beschreibung elektrischer Aufbau
3.11 Spannungsverteilung
3.12 Programmierung des Flug-Controllers
3.12.1 Programmiersprache
3.12.2 Programmierung des Flugcontrollers
3.13 Funktionstest
4. Bauteil-Spezifikation
4.1 Filament für den 3D-Drucker
4.2 Drehzahlregler ESC
4.3 UBEC
4.4 Flugcontroller
4.5 Spannungsverteilerplatine
4.6 Servo
4.7 Brushless-Motoren
4.8 Akku
4.9 Fernsteuerung
4.10 FPV-System
5. Aufstellung der Kosten
5.1 Gegenüberstellung Geplante und Tatsächliche Kosten
5.2. Auswertung Kosten
6. Zeitplanung
6.1 Aufschlüsselung der Projektphasen
6.2 Zeitablauf
6.3 Tortendiagramm benötigte Zeit
6.4 Auswertung der Arbeitszeit
7 Fazit
8. Glossar
9. Abbildungsverzeichnis
2. Einleitung
2.1 Vision
Das Hobby Flugmodellbau begleitet mich seit meiner frühen Jugendzeit. Angefangen mit Seglern über RC-Helikopter bis hin zu Impreller Jets. Seit nunmehr 2 Jahren beschäftige ich mich ausschließlich mit dem Thema Quadrocopter. Angefangen mit einfachen Consumer Modellen kam ich schnell zu Bausätzen für sogenannte Racing Quadrocopter. Gleichzeitig wurde die FPV Technik – Systeme bestehend aus einer Mini Kamera, einem Video Transmitter und einer Antenne auf der Senderseite- und bestehend aus einer VR Videobrille auf der Empfängerseite- bezahlbar und salonfähig. Vor diesem Zeitpunkt flog ich sämtliche Modelle auf Sicht, nun verbaute ich FPV Systeme in die Racing Quadrocopter und bekam eine ganz neue, faszinierende Sicht beim Fliegen. Fortan steuerte ich nun den Racing Quadrocopter über die Mini Kamera und bekam Live dieses Bild auf meine Viedeobrille projiziert. Über die Zeit konnte ich immer besser und schneller den Quadrocopter- gesteuert mithilfe des Kamerabildes- durch den Parcours fliegen. Hierbei entstand aber der unangenehme Effekt das der Copter speziell bei Vollgas Beschleunigungen extreme Neigungen annahm, was sich negativ auf den Sicht Bereich der Mini Kamera auswirkte und nicht selten zu Crashs führte.
Diese Neigungswinkel galt es also zu begrenzen oder bestenfalls zu eliminieren, die Kernaufgabe in diesem Projekt.
Dieses Projekt befasst sich mit dem Entwurf und Umsetzung eines neuartig angetriebenen Typ Quadrocopter. Zwei markante, untypische Zielvorgaben sollten erreicht werden: zum einen sollte der Neigungswinkel begrenzt werden und zum anderen sollte der Rahmen des Quadrocopters mit der 3D Drucktechnik hergestellt werden.
Quadrocopter sind weit mehr als ein Hobby, sie sind als universelle Träger zu sehen, welche in Zukunft viele nützliche Aufgaben erledigen können. Aufgabenbereiche wie Transport von Waren, Bewachung von Grundstücken oder Landesgrenzen bis hin zur Personenbeförderung sind Perspektiven für diese Technologie.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5 FPV-Flug
2.2 Bisheriges Funktionsprinzip
2.2.1 Der Antrieb:
Die meisten im Handel angebotenen Quadrocopter haben keine schwenkbaren Antriebsachsen. Die Bewegung wird nur durch das Senken der Drehzahl der Achse A und das Erhöhen der Drehzahlen der Achse B reguliert. Dies hat zur Folge, dass der Copter extreme Neigungen in der Z-Achse annimmt. Dies ist in der folgenden Abbildung 9 dargestellt. Da gerade im FPV-Flug über eine fest verbaute Kamera gesteuert wird, wirkt sich diese permanente Level-Änderung negativ auf das Sichtfeld aus.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6 Bisheriges Funktionsprinzip
Mittlerweile existieren bereits Quadrocopter mit sogenanntem TILT-ARM-Antrieb. Hinter dem Begriff TILT-ARM verbirgt sich die Idee, Quadrocopter zu entwerfen, dessen Motorarme kippbar (englisch:“tilt“) sind. Die Motorarme bewegen sich proportional zur Schub-Steuerung auf der Funkfernsteuerung. Zum Abheben stehen die Propeller in der Horizontalen, gibt man Schub oder bremst, neigen sich die Rotoren entsprechend. Diese Art Quadrocopter ist jedoch sehr teuer und schwer einzurichten, weil es derzeit noch keine speziell dafür entwickelte Hardware (Flugcontroller) und Software (Firmware) gibt.
2.2.2 Rahmenteile:
Der mechanische Aufbau eines Quadrocopters basiert auf einem Baukastensystem aus Carbonplatten, die überwiegend nur im Set erhältlich sind. Dies bedeutet, dass Ersatzteile angeschafft werden müssen, die letztendlich nicht benötigt werden. Dagegen haben sich durch 3D-Druck hergestellte Ersatzeile bisher nicht etabliert, da das Rohmaterial für den 3D-Drucker (ABS-/ PLA-Filament) den Anforderungen noch nicht genügte. Die Entwicklung von Spezialfilamenten schreitet jedoch rasant voran, weshalb eine künftige Verwendung im Rahmen dieser Projektarbeit angestrebt wird.
2.3 Ist - Zustand
2.3.1 Entwicklung eines Quadrocopters TILT-Arm-Antriebs:
Es wurde ein Quadrocopter umgesetzt welcher nun den Vorwärts –bzw. Rückwärtsflug nicht mehr nur rein über die Drehzahlveränderungen der Antriebsachsen realisiert, sondern seine Antriebsachsen, welche Kugelgelagert wurden, kippt. Eine schnelle und kraftvolle Drehbewegungen der Achsen A und B (siehe Abbildung 8) wird durch einen Digitalservo ermöglicht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7 Realisiertes Funktionsprinzip
Vorteil dieses Quadrocopter- Prototyps, auch Tilt-Arm-Quadrocopter genannt ist, dass dieser nun keine Extreme Fluglagen Veränderung beim Vorwärts –bzw. Rückwärtsflug annimmt. Die stabile Fluglage wirkt sich positiv auf den von der Kamera aufgenommene Bildaufnahme aus, was ein angenehmen FPV-Flug ermöglicht und Kollisionen mit Hindernissen verhindern kann. Dieser Effekt wird im folgenden Bild deutlich. Beide Bilder sind an identischer Stelle aufgenommen, aus der FPV-Perspektive und bei beiden Bildern wurde jeweils Vollgas beschleunigt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8 Unterschied Sichtfeld
2.3.2 Herstellung des Rahmens mithilfe eines 3D-Druckers
Die zweite Hauptaufgabe dieses Projektes bestand darin, den Rahmen des Prototyps so zu konstruieren das er mittels eines 3D-Druckers schnell nachproduzierbar ist, denn schnell zu fliegen bedeutet auch, schnell gegen Hindernisse zu prallen. Deshalb muss man immer in der Lage sein, schnell und günstig das Frame zu ersetzen. Aus diesem Grund werden die Teile des Copters so entworfen, dass sie mit möglichst wenig Handgriffen und Werkzeug ausgewechselt werden können.
Eine wichtige Aufgabe im Rahmen dieses Arbeitsschrittes war die Findung der optimalen Druckparameter für den Druck. Es wurden Parameter wie die Drucktemperatur, die Stärke der Außenwände eines Objekts oder die Füllung eines Objekts so ausgewählt das man eine möglichst hohe Festigkeit erreicht bei minimalen Filament Verbrauch und eines möglichst geringen Gewichtes des fertigen Objektes.
Die einzelnen Bauteile des Frames wurden so konstruiert werden, dass eine maximale Festigkeit und Stabilität erreicht wird. Defekte Bauteile des Gehäuses sind innerhalb von maximal 7 Stunden durch einen 3D -Drucker nachproduzierbar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9 Verwendeter 3D-Drucker
3. Realisierung
Die Realisierung des Projekts soll in chronologischer Reihenfolge dargestellt werden. Dies wiederspiegelt auch den tatsächlichen Ablauf der einzelnen Arbeitsschritte. Einige Arbeitsschritte mussten wiederholt werden, speziell der Entwurf des Gehäuses und der 3D Druck von Bauteilen wurde oftmals wiederholt um Optimierungen vorzunehmen oder defekte Bauteile auszutauschen.
3.1 Brainstorming
Nachdem diese Projektarbeit von der Schule genehmigt wurde, mussten erst grundlegende Dinge zum Thema Quadrocopter besprochen werden, damit beide Team-Mitglieder möglichst denselben Wissensstand haben. Es wurden verschiedenste Bauformen von Quadrocoptern angeschaut, um sich für das eigene Projekt inspirieren zu lassen. Des Weiteren wurden die genauen Funktionen und deren Notwendigkeit geklärt. Bereits hier kamen verschiedenste Lösungswege oder Designideen auf, welche diskutiert und dokumentiert wurden. Beide Team-Mitglieder einigten sich darauf, dass der Quadrocopter eine Größe von 280mm – gemessen von Propeller zu Propeller - nicht überschreiten soll.
3.2 Aufteilen der Arbeitsschritte
Beide Team-Mitglieder haben die Komplexität des Projekts erkannt und haben deswegen einzelne Arbeitsschritte definiert. Diese definierte Abfolge der einzelnen Schritte hat geholfen, den „roten Faden“ nicht aus den Augen zu verlieren.
3.3 Entwurf der Gehäuseteile
Nachdem handschriftliche Skizzen über das Design dtware zu finden mit der man die noch handschriftlichen Ideen in 3D-Skizzen auf dem Computer entwerfen konnte. Hierbei entschieden wir uns für das Zeichenprogramm „FreeCad“ da es kostenlos erhältlich ist und den Anforderungen entsprach.
Bei der Nutzung dieser Software kam erschwerend hinzu, dass beide Team- Mitglieder keine Erfahrung im Umgang mit diesem Programm hatten. Die negative Folge war, dass das ursprüngliche zeitliche Budget dadurch nicht unerheblich überschritten wurde.
Bei dem Entwurf der Dateien musste so gearbeitet werden, dass die Teile auch mit dem 3D-Drucker herstellbar sind. Das bedeutet, dass ein einzelnes Bauteil nicht größer sein durfte als der uns zur Verfügung stehende Druckbereich des 3D- Druckers. Alle zum Rahmen gehörende Bauteile sollten so entworfen werden, dass sie im Falle eines Defektes mit so wenig Aufwand wie möglich ausgetauscht und nachproduziert werden können.
Des Weiteren wurde sich in diesem Arbeitsschritt genau überlegt wie die Drehbewegung der Achsen realisiert und untergebracht werden kann.
Der Prototyp besteht insgesamt aus 14 3D gedruckten Einzelteilen,12 M3x20mm Innengewindestangen M3, 8 M3x5mm Innengewdnkopschrauben alleine für den Rahmen.
Da auf die Motorenachsen die meisten Kräfte wirken, endung eines Carbonrohres mit einem Außendurchmesser von 12mm.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10 Rahmenbauteile der ersten Version
Die obere Abbildung zeigt sämtliche Rahmenteile der ersten Version des Prototyps. Heute ist eine Vielzahl von Bauteilen überarbeitet und optisch wie funktionell optimiert worden.
3.4 Herstellung der Gehäuseteile mithilfe eines 3D-Druckers
Die im Arbeitsschritt 3.1.3 gezeichneten Bauteile wurden in ein Dateiformat umgewandelt mit dem der 3D-Drucker arbeiten kann. Anschließend wurde dann mit dem uns zur Verfügung stehende 3D-Drucker des Typs Prusa i3 nach und nach alle Rahmenteile gedruckt. Die ersten Drucke erfolgten mit konventionellen Filament, welches sich im Nachhinein als nicht geeignet herausstellte. Daher wurde nach Spezialfilament gesucht welches bessere Eigenschaften aufweisen. Im Kapitel Bauteilspezifikation ist das verwendete Spezial-Filament detailliert beschrieben. Die Druckzeit für einen kompletten Rahmen beläuft sich insgesamt auf 40 Stunden. Das folgende Bild zeigt den 3D-Drucker bei der Herstellung eines der beiden Bauteile für die Motorhalterungen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11 ein Teil der Motorhalterung im Druck
3.5 Mechanischer Aufbau
Nachdem alle Rahmenteile gedruckt waren, wurden diese zuerst montiert und gewogen. Das Gewicht des Rahmens ist ausschlaggebend für die Berechnungen des nächsten Arbeitsschrittes. Das Gewicht lag bei 330 Gramm ohne elektrische Komponenten. Des Weiteren konnten hier schon Lösungsansätze für den Tilt- Antrieb realisiert und getestet werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12 Fertig montierter Rahmen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 13 Umsetzung Tilt Mechanismus
3.6 Berechnungen der elektrischen Größen, Produktauswahl
Nachdem das fertige Frame die Zielvorgaben erfüllt hat, ging es nun darum, alle mit der gewünschten Funktion verbundenen Komponenten zu berechnen. Im Wesentlichen wurden folgende Überlegungen und Berechnungen bei der Bauteilauswahl berücksichtigt:
- Gewichtsberechnung des gesamten Quadrocopters
- Berechnung der notwendigen Schubkräfte nach Anforderungen
- Motorschubkräfte berechnen bzw. recherchieren
- Motor-Auswahl
- ESC-Auswahl
- Akku-Berechnung
3.6.1 Gesamtgewicht
Die oben genannte Aufzählung muss chronologisch abgearbeitet werden, folglich wurde zuerst mit der Gewichtsberechnung begonnen. Zur Gewichtsberechnung eines Copters gehören folgende Bauteile:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Das geschätzte Gesamtgewicht liegt bei 833 Gramm und ergibt sich aus der Addition der oben aufgezählten Einzelteile.
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