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Ein MultiWiikopter Baubericht

Angeregt durch den Bau meines ersten Quadrokopters der fast komplett in Eigenregie entstanden ist möchte ich hier einen neuen Quadrokopter mit MultiWii Flugsteuerung bauen. Es sollen diesmal nur bewährte und bereits (von anderen Piloten) getestete Komponenten zum Einsatz kommen. Das gibt einerseits mir eine direkte Vergleichsmöglichkeit mit meinem Eigenbaukopter, zum anderen aber auch interessierten Nachbauern die Möglichkeit sich hier Schritt für Schritt einen spitzenmässig fliegenden Kopter preiswert selbst zu bauen.

So in etwa soll der Kopter mal aussehen: Klick mich

Und so könnte der Kopter mal fliegen:  Klick mich

Wir beginnen mit der Auflistung der geplanten Eigenschaften die der fertige Kopter haben soll und der Aufstellung der Komponenten die zum Einsatz kommen werden.

Geplanter Einsatzzweck: 

  • Ein Spassflieger der sowohl Anfänger als auch kunstflugtauglich ist. Die späteren Flugeigenschaften hängen extrem von der Einstellung in der Software und vom können des Piloten ab.
  • Der Kopter soll in quadratischer Ausführung gebaut werden und in X-Konfiguration fliegen. Das heißt alle 4 Ausleger stehen im rechten Winkel zueinander und sind gleich lang.
  • Die symmetrische Ausführung verspricht gleichmäßige Steuerreaktionen auf allen Achsen und erhöhte Wendigkeit beim Kunstflug. Diese Form macht allerdings auch das Erkennen der Fluglage in bereits geringer Entfernung schwierig.
  • Gesteuert wird der Kopter mit einer handelsüblichen Fernsteuerung die mindestens 6, besser mehr Kanäle hat. Der Empfänger soll  mindestens 5 Kanäle haben.


Einkaufsliste:

Der Einfachheit halber wurden alle hier aufgeführten Artikel im Flyduino Shop bestellt.

 
  • Die Rahmenplatten sind ein fertiges Produkt mit integrierter onboard Stromverteilung. Das spart uns schon mal die Herstellung einer separaten Stromverteilerplatine oder einer gelöteten Kabelspinne.
  • Die Auslegerarme sind aus 10x10 mm 4-kant Aluminiumrohren die als Meterware im Baumarkt erhältlich sind.
  • Die Fahrtregler sind von Suppo und vertragen maximal 25 Ampere Strom. Sie sind (software)kompatibel mit Hobbywing-Reglern und können mit einer solchen Programmierkarte eingestellt werden.
  • Die Motoren sind ebenfalls von Suppo, haben die Bezeichnung A 2212-13 und drehen mit 1000 U/V. Genau richtig für 10 x 4.5 Zoll Propeller  die wir hier verwenden werden.
  • Diese  Hauptplatine auf der die gesamte Flugsteuerungselektronik aufgebaut wird.
  • Einen Arduino Pro Mini 5 Volt, 16 Mhz. Das ist das Herz unseres Kopters. Diese kleine Platine enthält einen Atmega 328 Microprozessor auf dem das gesamte Steuerungsprogramm läuft.
  • Einen Programmieradapter mit USB Kabel um den Arduino programmieren zu können. Die benötigte Software gibt es kostenlos im Internet. Dazu später mehr.
  • An Sensoren brauchen wir die Platine aus einem Nintendo Wii-Motion+ Modul. Die enthält einen 3-achsigen Gyroskopischen Sensor. Der wird gebraucht damit der Kopter seine Lage im Raum erkennen kann. Ohne den können wir nicht fliegen. Wie die Platine sauber ausgebaut und abgelötet wird erfährt man hier im Detail.  Zunächst nur die Kabel ablöten wie gezeigt!
  • Als Zusatz verbauen wir noch einen 3-achsigen Beschleunigungssensor. Der auf einer kleinen Platine aufgebaute  Sensor BMA020 kann den Kopter selbstständig in einer waagerechten Lage halten. Das ist zum fliegen nicht unbedingt notwendig, erleichtert aber gerade Kopter Anfängern das fliegen sehr. Dieser Sensor wird per Schalter am Sender zuschaltbar sein.
  • Zusätzlich brauchen wir doppelseitig klebendes Moosgummi zur Vibrationsdämpfung der Sensorplatinen. Gut geeignet dafür ist ein dauerelastisches Fensterdichtband der Marke CMI (Hausmarke von OBI) zum aufkleben. Das Band ist braun, klebt aber nur auf einer Seite und hat die Maße 9x4mm, auf 5 meter Rollen. Auf die zweite seite kommt doppelseitiger Tesa.
  • M3 x 16 mm Inbus und Senkkopfschrauben mit Muttern und Beilagscheiben.
  • Dünnes Litzekabel, zb. die Adern aus einem defekten USB-Kabel, einen Lötkolben mit feiner und dickerer Spitze und Elektroniklötzinn, sowie Schrumpfschlauch und eine ruhige Hand.
  • 2,5 mm² Silikon Litzekabel und ein XT 60 Stecker/Buchsenpaar um das Akkuanschlusskabel zu löten.
  • Als Antriebsakku sind dreizellige Lipos mit ca. 2100 mAh und einer Entladerate von 35 - 40 C vorgesehen. Damit werden etwa 15 minuten Schwebeflug erreicht, bei Kunstflug entsprechend weniger. Akkus mit geringerer Entladerate werden die hohen Ströme bei 4 gleichzeitig laufenden Motoren nicht lange überleben.

Jetzt gehts los!

Alle Maße die ich hier nenne beziehen sich natürlich nur auf die vorher genannten Komponenten. Wenn jemand andere Teile nutzen möchte, muss er die Maße entsprechend anpassen.

Als erstes sägen wir das 10x10 mm Aluvierkantrohr in 4 gleichlange Stücke mit jeweils 245 mm Länge. So bleibt nur ein kleines Stück einer 1 Meter Stange als Verschnitt übrig. Die Schnittkanten sauber entgraten.

Dann bohren wir die Befestigungslöcher für die Rahmenplatten und Motoren nach dieser Zeichnung in die Ausleger. Die Zeichnung ist eine .pdf Datei und hat die Möglichkeit verschiedene Ansichten (Layer) ein oder auszublenden. Bitte drauf achten: Da wo die Motoren hinkommen gibt es unterschiedliche Löcher auf der Ober und Unterseite! 

Die fertig gebohrten Arme sollten dann  so aussehen::

Als nächstes können die Motoren auf den Armen mit den mitgelieferten M3 Senkkopfschrauben montiert werden. Das Mittelloch ist so bemessen daß der Wellenstummel und die Sicherungsscheibe der Motorwelle freidrehend reinpasst. Die Anschlusskabel sollten alle auf der selben Seite liegen. Zur Orientierung kann man sich immer die passenden Bilder in der Gallerie anschauen. Dann werden die Auslegerarme mit den Rahmenplatten verschraubt. Die Seite mit den Lötpads kommt nach oben. Auf der Unterseite der Rahmenplatten müssen die inneren Löcher soweit angesenkt werden daß die Schrauben nicht mehr herausstehen. Hier liegt später der Akku auf und der mag keine rausstehenden Schraubenköpfe.

Jetzt haben wir zum ersten Mal den Kopter in seiner ganzen Grösse vor uns liegen.

Bereits jetzt wird festgelegt was später in Flugrichtung gesehen vorne und hinten ist. Wichtig hierbei ist die Drehrichtung der Motoren und der Anschlussplatz des Reglers auf der Hauptplatine. Man sieht auf diesem Bild wie die Drehrichtung sein muss und wo die Regler angeschlossen werden müssen. Ich habe mir diese Werte mit Edding auf den Armen notiert. Ein vertauschen der Arme und damit auch der Drehrichtungen oder Anschlussplätze führt zu einem unkontrollierten Flugverhalten, wie ich selbst schon feststellen durfte ;-)

Der nächste Schritt ist das anfertigen und anlöten des Akkuanschlusskabels auf der Rahmenplatte. Ich benutze dazu diese XT60 Stecker und Buchsen und ein 2,5mm² dickes Silikonkabel. Das Anschlusskabel sollte nicht dünner sein weil hier schonmal locker 40- 50 Ampere bei Vollast durchfließen. Die verwendeten Stecker sind dafür ausgelegt, lassen sich sehr gut löten und man bekommt sie bei Ebay für wenig Geld im 10er Pack.

Vor dem Verlöten der Regler mit den Motoren werden die Regler entweder mit vorhandener Programmierkarte oder per Sender passend eingestellt. Folgende Einstellungen MÜSSEN gesetzt werden:

Bremse: AUS;   Batterie Typ: NiMH;  Start Modus: Normal;  Timing: High;  Abschaltspannung: Niedrig;  Governor Modus : AUS;

Hier noch eine Erklärung, warum der Batterietyp, obwohl wir LIPO Akkus verwenden, auf NiMh gesetzt werden muss. Der Grund dafür liegt in der unterschiedlichen Abschaltspannung der beiden Akkutypen. Eine Lipo Akkuzelle wird bei 3,7 Volt vom Regler als leer erkannt und dann abgeschaltet um die Zelle nicht zu beschädigen. Das wäre also bei einem 3-zelligen Lipo-Akku bei etwa 10,8-11,1 Volt der Fall. Ein NimH Akku dagegen wird erst bei 0,8 Volt pro zelle als leer erkannt. Wenn wir den Regler also auf Batterie-Typ LIPO stellen, würden die Regler bei erreichen von 10,8 Volt den Kopter komplett abschalten. Daraus resultiert dann eine sogenannte "Unkontrollierte Landung", das wollen wir nicht wirklich. Der Nachteil bei der NimH Einstellung ist, das der Regler jetzt nicht "weiß" daß wir LiPo´s verwenden und den Akku gnadenlos leerfahren würde. Das zerstört natürlich die LiPo Zellen. Um das zu verhindern müssen wir einen Lipo-Wächter wie zum Beispiel diesen hier  an den Balanceranschluss des Akkus anstecken. Wenn der Lipo-Akku seine normale Abschaltspannung erreicht fängt der Wächter lautstark an zu piepsen und signalisiert uns dadurch daß wir landen müssen.


Anlöten und Verkabeln der Fahrtregler: Die Fahrtregler werden mit dem Kühlkörper auf den Auslegerarm gelegt und mit einem Kabelbinder noch verschiebbar befestigt. Die Anschlussleitungen der Motoren werden nicht gekürzt. Wenn gekürzt werden muss, dann nur die Leitungen vom Regler kürzen. Zunächst also die Motoren und Regler miteinander verlöten. Ganz wichtig dabei:

Auf die Drehrichtung achten ! Den Motor provisorisch anlöten und die Drehrichtung mit einem Servotester prüfen. Wenn sie verkehrt ist müssen nur zwei (egal welche) Leitungen zwischen Motor und Regler vertauscht werden. Schrumpfschlauch nicht vergessen! Dann werden die Kabel sauber auf dem Arm mit Kabelbindern fixiert und erst dann werden die Akku Anschlussleitungen des Reglers gekürzt und auf der Rahmenplatte angelötet. Bei 2 Reglern müssen die Anschlussleitungen gekreuzt werden. Siehe Plus und Minus Aufdruck auf der Rahmenplatte. Bei allen Lötarbeiten darauf achten daß keine kalten Lötstellen produziert werden. Kalte Lötstellen sind eine häufige Ausfall oder Fehlerquelle. Zur Orientierung wieder die Bilder in der Galerie anschauen.

Als nächstes wird das Akkuanschlusskabel angefertigt und an den mittleren Lötpads der Rahmenplatte angelötet. Nicht mit Lötzinn sparen, denn hier fließt der gesamte Strom!

Dann werden durch die verbliebenen 4 Löcher der Rahmenplatte M3 x 16 mm Nylonschrauben von unten durchgesteckt und mit Kunststoffabstandshaltern verschraubt. Auf diese Abstandshalter kommt die Hauptplatine. Meine haben 12mm Länge. Ich möchte den "Turm" möglichst niedrig halten um bei einem Absturz auf den Kopf die Elektronik zu schützen. Solange die Motoren mit den Propellermitnehmern länger sind als der Turm hoch ist, wird das gehen.

Damit wäre der mechanische Aufbau zunächst erledigt, weiter geht´s auf der nächsten Seite mit dem Aufbau der Elektronik.



Aufbau der Hauptplatine

Die meisten Komponenten die jetzt gebraucht werden, haben wir bereits eingekauft. Wir brauchen noch Stiftleisten und Präzisionsbuchsenleisten im 2,54 mm Raster. Diese bekommt man für wenig Geld bei jedem freundlichen Elektronikhändler. Es dürfen ruhig ein paar mehr sein, kann man immer mal brauchen. Auf diese Stiftleisten passen auch ganz normale Servostecker drauf.

Auf der Hauptplatine wird der Arduino steckbar aufgebaut, damit er evt. auch in einem anderen Kopter eingesetzt werden kann. Als erstes löten wir eine abgewinkelte Stiftleiste an den Programmieranschluss des Arduino. Anschließend sind die beiden seitlichen Stiftleisten zu verlöten. Ich habe den Arduino voll bestückt auch wenn auf der Hauptplatine nicht alle Löcher durchgehend vorhanden sind. Der Arduino sitzt dann einfach stabiler in der Buchsenleiste. Fertig soll das ganze dann so aussehen: Unterseite und Oberseite.

Das Gegenstück, also die Buchsenleisten auf der Hauptplatine können auch eingelötet werden. Die nicht benötigten Pins einfach bündig abzwicken. Dann löten wir drei Reihen Stiftleisten in die Hauptplatine für die Empfänger Ein- und die ESC Ausgänge. Die Pins 9, 10 und 11 der mittleren Reihe (+5 volt) werden nicht bestückt. Die Stifte können einfach mit einer Zange aus der Leiste rausgezogen werden. Warum tun wir das? Ganz einfach: Die Hauptplatine wird über das BEC eines Fahrtreglers mit Strom versorgt. Jeder Fahrtregler hat aber ein eigenes BEC (Empfängerstromversorgung) an Bord. Damit jetzt nicht 4 Regler gleichzeitig in die Hauptplatine einspeisen und die BEC´s sich dadurch gegenseitig negativ beeinflussen, werden von 3 Reglern die 5 Volt Leitungen unterbrochen. Das geht am einfachsten durch das rausziehen der Stifte aus der Leiste. Das ganze sieht dann fertig so aus..

Hier eine Auflistung wie die Lötaugen auf der Hauptplatine belegt sind:

                                                                                

          A2                               Ausgang                     Kamera drehen                                                    
A1 Ausgang Kamera kippen
A0 Ausgang Kamera auslösen
11 Ausgang Fahrtregler hinten links
10 Ausgang Fahrtregler vorne rechts
9 Ausgang Fahrtregler hinten rechts
3 Ausgang Fahrtregler vorne links
Ail Eingang Querruder vom Empfänger
5 Ele Eingang Höhenruder vom Empfänger
6 Rud Eingang Seitenruder vom Empfänger
Aux 1 Eingang Schaltkanal vom Empfänger
Thr Eingang Gas vom Empfänger

 Als nächstes wird die WiiMotion plus Platine vorbereitet. Es werden 4 dünne flexible Litzekabel an die entsprechenden Lötpunkte gelötet. Da die Lötpunkte sehr klein sind muss hier mit einer feinen Spitze und ruhiger Hand gelötet werden. Darauf achten in welche Richtung die Kabel gehen und daß keine Lötbrücken oder Kurzschlüsse produziert werden. Die fertig gelötete Platine sieht dann so aus. Auf der Rückseite wird jetzt das Schaumband zur Vibrationsdämpfung aufgeklebt. Es wird nur der Chip in der Mitte ausgespart, der Rest der Fläche wird  beklebt. Etwa so.

Dann werden wir den Beschleunigungssensor BMA020 nach dieser Anleitung  ab Punkt 3. vorbereiten und verkabeln. Auch hier wird die kleine Platine auf der Rückseite flächig mit Schaumband zur Dämpfung beklebt. Ich habe drauf geachtet daß auf der Rückseite kein Kabel zu liegen kommt damit die eh schon kleine Fläche voll mit Schaumdämpfungsband beklebt werden kann. Der Sensor muss auf jeden Fall eine waagerechte Lage auf dem Mainboard haben. Ein Kabel auf der Rückseite würde das verhindern. Wer es sich zutraut kann die Verbindungen auch mit 0,5 mm Kupferlackdraht herstellen. Ku-Lackdraht ist aber schwieriger zu löten wegen des Polyurethanlacks auf dem Draht. Der Lack muss vor dem Löten mit einem scharfen Messer von den Drahtenden abgekratzt werden, damit sich der Draht überhaupt löten lässt. Das ganze sieht dann so aus.

Nun können die beiden fertiggestellten Sensorplatinen mit der Hauptplatine verbunden werden. Die WiiMotion Plus wird auf der Markierung der Oberseite aufgeklebt und die Kabel wie im Bild gezeigt angelötet. Die Kabel nicht durch die Lötaugen durchstecken, denn wir brauchen auf der Rückseite noch Platz um den BMA020 auch an den gleichen Augen anzulöten. Der BMA Sensor wird auf der Unterseite der Hauptplatine genau in der Mitte und gerade in Flugrichtung aufgeklebt und dann parallell zum WMP an den gleichen Anschlüssen verlötet. Zur Orientierung dieses und dieses Foto anschauen.

Die Bezeichnung der Anschlüsse auf der Hauptplatine bedeuten:

  • D12 =   +5 Volt Spannungsversorgung
  • SCL =    Die Taktleitung
  • SDA =   Die Datenleitung
  • GND =   Masseleitung

Die beiden Lötaugen mit der Bezeichnung  3V3 (3,3Volt) und 5V werden hier nicht gebraucht.

Wichtig ! Die beiden Sensorplatinen sind lageabhängig! Hier ist nur die WMP richtig herum eingebaut. Beim BMA Sensor haben wir absichtlich einen "Fehler" bei der Montage gemacht, der aber zugunsten der besseren Verlötbarkeit der Kabel in Kauf genommen wird. Der BMA Sensor ist nämlich jetzt auf dem Kopf stehend und um 180° verdreht zur Flugrichtung montiert. Dieses Problem lösen wir später, indem wir beim Einstellen der Software im Programmcode die Wirkrichtungen des Sensors verändern werden.

Damit wäre auch die Hauptplatine mit der gesamten Flugelektronik fertiggestellt und der noch leere Arduino kann jetzt schon programmiert werden.


Software und Programmierung

 

Um die soeben fertiggestellte Hauptplatine zu testen brauchen wir zwei Programme die es kostenlos im Internet zum Download gibt.

 

  • Die Arduino Software in der Version 022 brauchen wir um das Programm zu bearbeiten und auf den Mikrochip zu laden.

 

  • Die grafische Oberfläche "MultiWiiconf"  wird dazu gebraucht um anschliessend die Steuerfunktionen, Regelparameter, Kanalzuordnungen usw. einzustellen und zu prüfen.

 

Es gibt inzwischen neuere Versionen der Arduino Software und der MultiWii GUI (grafische Oberfläche),die aber nicht mit dem hier genutzten Flugsteuerprogramm harmoniert und deshalb nicht verwendet werden kann. Ich werde der Einfachheit halber ein fertiges Softwarepaket in unserem Downloadbereich bereitstellen. Das enthält dann zum einen den fertig konfigurierten Code-Sketch (das eigentliche Flugsteuerprogramm) für den Arduino und zum anderen die passende GUI dazu. Die Arduino Software bitte wegen der Grösse von 220 Mb auf der Herstellerhomepage runterladen.

 Der Sketch wurde von mir bereits in wesentlichen Teilen angepasst an die hier verwendete Hardware. Auch die Wirkrichtungen der Achsen unseres "falsch" herum montierten BMA 020 Sensors sind bereits geändert. Da man das Rad ja nicht zweimal erfinden muß, möchte ich an dieser Stelle auf eine Anleitung verweisen die das Programmieren und Konfigurieren des MultiWiikopters mit Bildern schrittweise beschreibt. Diese Anleitung befindet sich hier. Ab dem Punkt 5 "Programmierung des Arduino" kann dieser Anleitung gefolgt werden. Hier wird auch das anlernen der Regler und das einstellen des Senders beschrieben. Nehmen Sie sich Zeit die einzelnen Schritte durchzuführen und vor allem zu verstehen.

An dieser Stelle möchte ich Ihnen nochmal das Forum FPV-Community.de wärmstens ans Herz legen. Im Forum gibt es unter anderem die Kategorien  "Quadrocopter"  und  "Wiicopter" und eine Suchfunktion. Hier werden viele Fragen und Probleme die auftreten können gelöst.

Wer jetzt noch Probleme oder Fragen hat kann sich gerne mit mir oder unserem Experten für Elektronik und Mikrocontroller Programmierung Bernd Rothaas in Verbindung setzen. Wir helfen dann gerne weiter.

Eine Sache noch zu Ihrer Sicherheit.

Unterschätzen Sie die Kraft eines solchen Kopters nicht !

Ein plötzlich unkontrolliert quer durchs Wohnzimmer schießender Kopter kann erheblichen Sach und Personenschaden anrichten!

Deshalb gilt bei allen Einstellarbeiten mit angeschlossenem Akku auf dem Tisch:


Immer die Propeller abschrauben !

 

Damit wären wir am Ende unseres Bauberichtes MultiWiikopter. Ich wünsche viel Freude beim Bauen und erfolgreiches Fliegen Ihres neuen außergewöhnlichen Fluggerätes.

 

Stefan Köhler


Zum Probeflug!

 

Die ersten erfolgreichen Schwebe und Rundflüge wurden ohne Schaden absolviert. Ausführliche Rund und Testflüge haben auf unserem Flugplatz stattgefunden.

Der Kopter hat seine Flugtauglichkeit unter Beweis gestellt. Mit einem 2100 mAh 3-zellen Lipo Akku kann man etwa 12 -15 Minuten fliegen.Die Motoren und Regler werden höchstens lauwarm. Das zeigt daß die Komponenten gut zueinander passen. Die Hard und Software läuft fehlerfrei. Hier ein paar Bilder........

 
 
  

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