Copter

Copter Status: stable
Beschreibung	Einen Quadrocopter nach dem Minimalprinzip bauen.
Autor:	krisha ptflea deadhead
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Das Ziel war es einen günstigen Quadrokopter im Space zu bauen.

Status:

Version 1, HK Board aufgebaut, geflogen, ausgedient

1 Exemplar

Version 2, multiWii aufgebaut, fliegt stabil

mehrere Exemplare

Version 1

Info/Links/Hinweise

Nach ca. 2 Monaten Wartezeit sind nun alle Teile angekommen und der erste Copter aufgebaut. Es fliegt :-) Die ersten Flugversuche gestalteten sich schwierig, da die Funktion der verwendeten Firmware völlig unbekannt war und der Space nunmal räumlich begrenzt ist.

Das Board von HobbyKing unterstützt aufgrund des fehlenden Beschleunigungssensors nur Heading Hold, d.h. es behält die Position bei, die zuletzt eingestellt wurde. Die Steuerung ist dadurch erheblich schwerer als bei Controller-Boards in höheren Preisklassen.

Das Board besitzt zudem nur einen 6-Pin Flashanschluss, so dass wir einen Adapter zum USBProg basteln mussten. Die Firmware lässt sich bequem per avrdude oder mit dem kkmulticopter Flash Tool in den Atmega schreiben. Im Moment verwenden wir die KaptainKuk v4.7 Firmware.

Hinweis 1: Der Start sollte, wie bei wohl allen Quadcoptern recht schnell erfolgen. Bis ca. 20-30cm treten Verwirbelungen auf, die den Copter nahezu unkontrollierbar machen.

Hinweis 2: Der Low Voltage Alarm ist sehr laut... Und er zieht jede Menge Strom, so dass die Spannung einbricht und die Motoren fast abschalten (Copter fällt...). Ziel verfehlt :-) Ohne Low Voltage Alarm merkt man deutlich, dass die Motoren nicht mehr ganz so leistungsfähig sind und der Copter sich schwer tut aufzusteigen. Diese Detektierungsmethode ist wesentlich sicherer/sanfter.

Für den Aufbau und die Einstellung des HobbyKing Control Boards empfiehlt sich die Anleitung von lazyzero.de. Bei HobbyKing entfällt allerdings das Löten - alle Teile sind bereits montiert.

Eine Anleitung zum Auswuchten der Propeller mit einer magnetischen Aufhängung findet sich bei mikrokopter.de. Wir haben einen alten Bohrer genommen und spitz angeschliffen. Man sollte auf jeden Fall überprüfen, ob der Bohrer sich frei dreht oder er in manchen Positionen schwergängiger ist. In diesem Fall kann man versuchen einen der Magneten zu drehen.

Die ersten Flugversuche sollten auf einer halbwegs gemähten Wiese stattfinden. Das schont die Propeller enorm und hat unseren Copter so manchen Absturz überleben lassen.

Hinweis 3: Die gekauften Motoren verlassen des öfteren ihre Aufnahme. Es empfiehlt sich den Schaft der Motoren in Höhe der M3-Gewinde minimal anzubohren und eigene angespitzte M3 Schrauben zu verwenden. Außerdem sollte man die Schrauben dann mit Schraubensicherung versehen. Aufpassen, dass man durch die neuen Schrauben nicht zu fest anzieht. Das vorhandene Gewinde hält nicht sehr viel aus :-)

Etherpad brainstorming: https://pad.hackerspace-bamberg.de/p/copter (internal)

Teile

• HobbyKing Multi-Rotor Control Board V3.0
• 4x Turnigy 2211 Brushless Indoor Motor 2300kv (DE Warehouse)
• 6x3 Propellers (Standard and Counter Rotating) (6pc)
• 2x ZIPPY Flightmax 1800mAh 2S1P 40C (DE Warehouse)
• Low Voltage Alarm
• 4x TURNIGY Plush 6A/8A /.8bec/6g Speed Controller (DE Warehouse)
• Spektrum DX5e Sender / Empfänger AR600 DSM X (Mode 2)

Rahmen & Basteleien

• Aluvierkant 10mm / Alucenterplatten 1mm Stärke
• Landegestell (todo)
• modifizierte Motorhalterung: Schaft angebohrt und Madenschrauben durch angespitzte M3 Schrauben ersetzt; verhindert, dass der motor sich während des Flugs aus dem Schaft löst.
• Propeller mit Heißkleber aufgefüllt um Flattern der Propeller zu verhindern

Sonstiges

• Preisziel: ~200€
• derzeitige Ausgaben: ca. 240€ (inkl. Sender/Empfänger)

Version 2

Status: Er fliegt stabil und weitere Sensoren sind bestellt.

Verbesserungen für v2

• andere Propeller, da 6" nur sehr schwer zu bekommen sind
• ... wegen anderer Propeller auch andere Motoren
• besseres Controllerboard (kollidiert mit Preisziel :-/) -> nanoWii + Addons
• eventuell stärkere Brushlesscontroller (not yet, geht grad noch so)

Teile

• nanoWii
• 4x Suppo 1100KV Motoren
• 4x unsere alten Turnigy 6A ESC's
• 3S Akku (20C) > 2500mAh
• 4x 8" 4.5 Propeller
• Aluvierkantausleger mit Alucenterplatte
• kreisförmige Kunststoff-Landebeine an jedem Ausleger
• 4x steckbare Kunststoffverlängerung an den Auslegern als Schutz (länger als Propeller)
• LED-Stripes
• Low Voltage Alarm aus Version 1, funktioniert nun dank 3S Akku akzeptabel. Misst nur aktuelle Spannung, dadurch schwankt die Anzeige manchmal bei Belasung.

(todo links)

Info

Nachdem alle unsere Reservepropeller aufgebraucht waren und wir feststellten, dass 6" Propeller schwer zu bekommen sind, sowie das Setting ohne 6" Propeller nicht richtig fliegt, haben wir uns für einen neuen Copter entschieden. Hierbei sollten die oben genannten Verbesserungsvorschläge einfließen...

Für die 2. Version unserer Copters haben wir uns für das nanoWii Board entschieden, auf der die MultiWii Firmware läuft. Das Board ist mit einem Atmega 32U4 und einem MPU 6050 Gyro- & Beschleuningssensor ausgestattet. Das Board ist mit knapp 40,- Euro etwas teurer als die HobbyKing Variante. Entscheidende Vorteile sind die aktive Open-Source Entwicklung, eine große Community und vor allem die Möglichkeit, das Board um weitere Sensoren per I²C mit weiteren Daten zu versorgen.

(todo)

Zusammenbau

Hardware

Als erstes haben wir einen neuen Rahmen gebaut, diesmal mit 37cm Motorenabstand - etwas größer als Version 1, hauptsächlich bedingt durch die größeren Propeller. Er sollte dadurch auch etwas einfacher zu fliegen sein. Die beiden Aluvierkantstangen wurden etwas länger gewählt, um außen das Landegestell und die Protektoren anzubringen. Anschließend wurden die Stangen durch eine Kreuzverbindung verbunden und oben sowie unten durch eine Aluplatte und M3-Schrauben fixiert. Danach wurden die Motoren befestigt. Das NanoWii Board wurde mit Schaumgummi und doppelseitigem Klebeband auf die Oberseite der Aluplatte geklebt. Die Brushlesscontroller wurden mit Kabelbindern befestigt und die LED Streifen aufgeklebt. Das Landegestell besteht aus zurechtgeschnittenen Plastikplatten aus einem alten Server. Diese wurden hierfür kreisförmig gebogen und an die Ausleger geschraubt. Die Auslegerverlängerungen (=Protektoren) wurden aus (todo) hergestellt und werden in den Vierkantrohren mit dem Landegestell verschraubt. Die Länge der Protektoren ist ca. 1-2 cm länger als die Hälfte der Propellerlänge. Abschließend wurden die Verkabelungen vorgenommen.

Konfiguration

In der NanoWii ist ein Bootloader installiert. Nach nanoWii Anleitung wurde eine passende Firmware geflasht.

Die Spektrum DX5e sendet leider nur im Bereich von 1100 bis 1900, während die MultiWii Software von einem Bereich zwischen 1000 bis 2000 ausgeht. Die Motoren ließen sich nicht starten. Abhilfe schaft das Ändern der beiden DEFINEs MINCHECK und MACHECK auf 1200 und 1800.

Danach wurden die Drehrichtungen der Motoren eingestellt (tauschen der Kabel).

MultiWii hat mehrere Betriebsmodi, für uns sind bisher die Modi Acro und Stable interessant. Acro ist nur Heading-Hold, so wie bei der HobbyKing Version. Im Stable Mode wird zusätzlich der Beschleunigungssensor verwendet. Um diesen zu aktivieren verwenden wir den 5. Kanal unserer Fernbedienung (AUX) und stellen das im Processing der MultiWii ein.

Für die Kalibrierung des Beschleunigungssensor haben einen Tisch mit der Wasserwaage ausgerichtet und darauf 4 Gläser/Flaschen direkt unter jeden Motor gelegt.

Entgegen einiger Anleitungen, kann man den Beschleuningssensor auch ohne vorherige Trimmung kalibrieren, da wir sowieso nur Gier korrigieren und das auf unseren Sensor keine Auswirkungen hat. Auch muss beim nanoWii nicht vor jedem Start der ACC kalibiert werden, da die Temperaturabweichung < 0,5% / °C ist. Eine erneute Kalibrierung im Feld ist damit vermutlich wesentlich ungenauer als eine einmalige nahezu perfekte Kalibierung. (Der Gyro muss aber bei jedem Start kalibiert werden, macht die Software automatisch auch beim Einschalten - darf hierbei aber nicht bewegt werden).

Wir starten den Kopter meist im Stable Modus vom Boden aus - ist nicht schwerer als im Acro Mode. Das Starten des neuen Kopters ist sowieso wesentlich leichter als die 1. Version. Er scheint die Turbulenzen wesentlich besser auszugleichen.

Außerdem haben wir unsere Throttle-Rate angepasst. So ist das Schweben in gleicher Höhe einfacher und haben davor die Kurve im Schwebebereich etwas angeflacht. Nun bedeutet 1 Tick auf der Funke nicht mehr, dass er gleich extrem steigt oder fällt.

Aktueller Stand

Ein Turnigy ist durchgebrannt (vermutlich durch das Einziehen eines Grashalms bei der Landung) und alle Regler wurden durch 18A Regler ersetzt. Leider hat die Einstellung des LiPo nicht funktioniert und ein Regler hat im Flug aufgrund eines Spannungseinbruchs abgeschalten. Der Copter ist daraufhin abgestürzt. Durch den Absturz ist scheinbar auch das Gyroskop oder eine Verbindung dahin kaputt gegangen und der Quadrokopter fliegt nicht mehr. Im Moment zieht der Copter extrem in eine Richtung und ist damit nicht fliegbar.

Weitere Copter

/* put your copter setups here */

Hinweise

Hobbyking HK-20A ESC

(sinnlos) konfigurieren

Der HK-20A ESC meldet sich nach dem Einschalten mit einem langen Piepton für LiPo Betrieb oder mehreren kurzen Pieptönen für NiMH Betrieb. Zusätzlich kann noch eine Motorbremse eingeschalten werden.

Zum Konfigurieren schließt man den ESC direkt an Throttle des Empfängers an. Vorsichtshalber kann man noch die Propeller vom Motor abnehmen. Der Motor muss aber angeschlossen sein, da darüber die Töne erzeugt werden.

1. Fernbedienung einschalten und Vollgas geben
2. Akku an den ESC anschließen
3. Nun wird ein Menü mit Pieptönen signalisiert: 1b 1b p 2b 2b p 3b 3b p und dann wieder von Anfang an. b steht für einen Piepton, p für eine größere Pause und die Zahl davor für die Anzahl der beeps.
4. Um einen Modi einzustellen zieht man zwischen zwei b den Gasknüppel nach unten.
5. Der ESC piept einmal lang und danach nochmal (eventuell zum verifizieren der geänderten Einstellung)
6. Akku entfernen

Zum Ändern der anderen Einstellungen, die Prozedur erneut durchführen. Die möglichen Einstellung sind: 1b [LiPo] 1b p 2b [NiMH] 2b p 3b [Motorbremse] 3b

Es kann entweder LiPo oder NiMH ausgewählt werden. Die Motorbremse wechselt bei jeder Prozedur den Zustand (also aus wird an und vice-versa). Den Zustand der Motorbremse erkennt man am besten im Betrieb. Wenn man das Gas abrupt wegnimmt kommt der Motor mit Bremse schneller zum Stehen. Ob das auch ohne Stillstand des Motors Auswirkungen hat, ist mir noch nicht bekannt.

Die Cut-Off Spannung mit einem 3 Zellen Akku liegt bei 9,0 Volt. Es spielt keine Rolle ob LiPo oder NiMH ausgewählt wurden. Bei dieser Spannung schaltet der Regler den Motor aus. Sollte die Spannung wieder über 9,0V steigen, muss das Gas erst komplett weggenommen werden. Da Akkus unter plötzlicher Laständerungen einen Spannungseinbruch haben, ist diese Konfiguration äußerst kritisch. Mit einem fast leeren (oder vielleicht auch älterem Akku), sollte man es tunlichst vermeiden gegen Ende des Akkus nochmal Vollgas zu geben. Der Absturz ist garantiert! Ich weiß nicht, ob dieses Verhalten nur für HK-20A gilt oder ob das ein generelles Problem mit Reglern ist. Sollte ersteres der Fall sein, kann ich den HK-20A ESC nur bedingt empfehlen. Einen Low-Voltage-Warner sollte man auf jeden Fall einsetzen. Warum es dann die beiden Modi gibt ist mir auch nicht klar...

Weitere Tests haben ergeben, dass der ESC auch unter 9.0V arbeiten kann. Dann steigt allerdings der Strombedarf an. Nachdem heute wieder bei Last plötzlich ein ESC ausgefallen und der Copter abgestürtzt ist, habe ich dieses Problem Live am Copter untersucht. Ich habe geschafft, dass 2 Regler nacheinander ausfallen - wiederum egal ob LiPo oder NiMH gewählt ist. Zuerst fällt generell der hintere ESC aus, bei dem auch BEC für die NanoWii verwendet wird. Der vordere ESC ist dann der nächste der ausfällt. Den linken und sowohl den rechten ESC habe ich nicht geschafft ausfallen zu lassen. Spielt eventuell die Drehrichtung eine Rolle? BEC lief nach Ausfall des ESC weiter, da ich noch die Motoren abschalten konnte. Es kann durchaus auch am etwas älteren Akku liegen, aber sowas darf nicht passieren. Low-Voltage Alarm hat bei den ersten Aussetzern auch noch nicht gepiepst...

SimonK Firmware flashen

Auf den Reglern befinden sich:

• Atmega8L mit 16MHz
• 2x 7805
• LM78L05ACM
• 6x FDS7764A (FET N Kanal)
• 6* TPC8103 (FET P Kanal)

Wenn der Resetpin nicht deaktiviert wurde, besteht eine große Chance, dass sich die SimonK Firmware flashen lässt. Der Regler ist baugleich zu HK-SS18A, wie im SimonK compatible sheet zu finden.

Ich sehe erstmal davon ab, diese Regler zu flashen, da ich (aus angenommener Einfachkeit) neue bestellt habe :)

In der MultiWii FAQ ist auch etwas zu diesem Problem geschrieben, allerdings glaube ich, dass dies hier nicht zutrifft.

SimonK Firmware und nanoWii

dana0099 cheap ebay 30A ESC

Nothing is easy.

Nachdem mit einiger Verspätung endlich die neuen Regler (von ebay dana0099) angekommen waren, musste ich feststellen, dass sie nur endlos piepsen, sobald die nanoWii dran hängt. Sind sie direkt am Empfänger, funktionieren sie einwandfrei. Nach ein paar Stunden Analyse und Flashen der nanoWii mit verschiedenen MINCOMMAND und MINTHROTTLE Einstellungen, habe ich rausgefunden, dass es wohl am zu langsamen Bootloader meiner nanoWii liegt und die ESCs kein Signal bekommen. Die PWM Signale sind zwar die ersten die eingestellt werden, allerdings sind die ESCs wohl erheblich schneller im Überprüfen. Zudem verlassen die ESCs den Zustand auch nie wieder. Wenn das Board vor den Reglern mit Spannung versorgt wird, funktioniert alles einwandfrei.

Folgende Lösungen bieten sich an:

1. Startkabel um die nanoWii zuerst mit Spannung zu versorgen
2. Leonardo Bootloader abschalten
3. Leonardo Bootloader optimieren
4. ESCs mit Verzögerung per SW einschalten

Die 1. Lösung wurde jetzt als temporärer Fix benutzt. Ist aber umständlich immer zuerst mit einem Anker Astro 3E zu starten. Für die 2. und 3. Lösung müsste man ISP an die nanoWii löten, zudem könnte man Updates nicht mehr so einfach einspielen bzw. müsste sich mit dem Bootloader auseinandersetzen und gegebenenfalls noch die Software von Arduino anpassen. Die 4. Lösung soll die dauerhafte Lösung werden. Hierfür bietet es sich an, die ESCs über das Servokabel zu flashen. Dabei tritt aber ein neues Problem auf: Die passende Firmware für die ESCs ist nicht bekannt. Das Layout lässt sich nicht im Netz finden, genauso wie der String auf dem Board MLSP-BL3 v1.0. Entweder sucht man sich jetzt anhand der FETs raus, um welche FW es sich handeln könnte oder man versucht die geflashte FW auszulesen. Für zweiteres braucht man einen passend geflashten Arduino, einen Turnigy USBLinker oder die nanoWii selbst. Der einfachste Weg dürfte der Arduino sein.

1k am Servokabel

Den ArduinoUSBLinker mit dem Leonardo (das USB da drauf und das Java RXTXSerial Handling suckt) lauffähig zu bekommen, gestaltete sich als eine mehrstündige erfolglose Sache. Mit einem Arduino UNO lief es out-of-the-box in wenigen Sekunden. Allerdings lassen sich die neuen Regler, wie vom Verkäufer bestätigt, nicht per Bootloader flashen. Abhilfe sollte ein Schalter für die nanoWii schaffen. Allerdings passiert genau das gleiche sobald man die nanoWii einschaltet. Irgendwann ist da ein sehr kleiner 'Glitch' der die Servoleitungen auf 5V zieht und das erkennen die Regler leider auch. Nun habe ich alle Servoleitungen aufgetrennt und einen 1k Widerstand (sozusagen als Pulldown) zwischen Masse und Signal verbaut. Endlich funktioniert es so, wie es soll :-)

Spektrum DX5e

Mit der Fernbedienung Spektrum DX5e gibt es mehrere Probleme. Einmal reicht die Range der Sticks, wie oben bereits geschrieben, nur von 1100 bis 1900 statt von 1000-2000. Wenn man den LowRange Schalter betätigt von 1200-1800. Zudem hat mein Roll Stick Probleme in der Centerposition. Jed nachdem ob man den Stick von lnks oder rechts loslässt, liegt der Mittel wert bei 1525 bzw. 1560 - das ist schon ein großer Unterschied. Um den Mittelwert von 1500 zu erreichen, muss ich die Trimmung um 6 Ticks nach links verändern. Lässt man die Fernbedienung unberührt liegen, ändert sich der Mittelwert innerhalb weniger Minuten um 10 (Erwärmung der Elektronik?).

Insgesamt kann man von der Funke zum Gebrauch mit einem Copter nur abraten.