Aus QC-Copter

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Technik


Inhaltsverzeichnis

QuadroControl-Copter (kurz: QC-Copter)

Was ist das?

Der QC-Copter ist ein Eigenbau-Quadrocopter auf Basis der QuadroControl. Ein Quadrocopter ist ein Hubschrauber mit vier Rotoren, welche paarweise gegenläufig drehen. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Steuerung völlig ohne Servos und aufwendige mechanische Komponenten wie z.B. Taumelscheibe oder Paddelstange auskommt. Die einzigen mechanischen Baugruppen sind die 4 Motor-Propellereinheiten, was die Konstruktion sehr robust macht. Die Bewegungen werden nur über unterschiedliche Drehzahlen gesteuert. Eine "intelligente" Elektronik mit drei Gyroskopen (QuadroControl) sorgt dabei für die Stabilisierung der Fluglage.


Funktionsweise

Funktionsweise am Beispiel eines Quadrocopters in +-Formation

Die QuadroControl Bordelektronik dient der Steuerung eines Hubschraubers mit mehr als zwei Rotoren, eines Multicopters.

Die Kontrolle der Flugrichtung und der Flughöhe erfolgt dabei lediglich über die Drehzahldifferenzen der einzelnen Rotoren. Die Drehmomente der Rotoren sind bei Multicoptern stets ausgeglichen, es gibt immer gleich viele linksdrehende wie rechtsdrehende Rotoren. Eine Ausnahme bildet der Tricopter: Er benötigt ein Schwenkservo, damit ein Rotor so gekippt wird, dass er seinem Drehmoment selbst ein Gegendrehmoment entgegensetzt.

Drehen die hinteren Rotoren schneller als die vorderen, wird sich der Multicopter nach vorne bewegen. Drehen die linken Rotoren schneller als die rechten, wird das Modell nach rechts fliegen, usw. Soll der Multicopter um die Gierachse (Hochachse) z.B. nach links gesteuert werden, werden die links drehenden Rotoren verlangsamt, und die rechts drehenden Rotoren beschleunigt.

Damit das Modell überhaupt stabil fliegen kann, ist eine permanente Regelung der Rotorgeschwindigkeiten erforderlich. Das erledigt die QuadroControl Bordelektronik. Sie misst mit Hilfe von drei Drehratensensoren (Gyros) die Bewegung des Modells um alle drei Achsen im Raum und wirkt einem Abdriften entgegen. In der QuadroControl III sorgt ein Beschleunigungssensor zusätzlich dafür, dass der Copter immer die Waagerechte wiederfindet. Weiterhin verfügt die QuadroControl über insgesamt 5 Open – Collector Ausgänge, mit denen man Zubehör wie eine z.B. Kamera oder die Beleuchtung über die Fernsteuerung steuern kann. Einer der Ausgänge steuert die LoBat - LED mit zwei Warnstufen (unterschiedliche Blinkfrequenzen) an und dient der Warnung bei zu niedriger Akkuspannung.


Benötigte Komponenten

Für den Aufbau eines QC-Copters benötigt man verschiedene Komponenten:

  • Steuereinheit:
    • QuadroControl II/XS oder QuadroControl III (Zum Aufbau der Platine sind neben der Platine noch die folgenden Elektronikteile erforderlich)
    • Gyroskope
      • 3x ENC-03(R) - Tipp für Lötanfänger: Am besten auf Adapterplatine bestückt kaufen!
      • oder 3x ADXRS610/ z.B. vonSparkfun
      • oder eine Wii MotionPlus - Siehe Einbauanleitung
    • Elektronikteile siehe öffentliche Reichelt-Stückliste
    • Nur beim Betrieb mit Bürstenmotoren (z.B. beim X-UFO) sind zwei MOSFETs IRF7313 erforderlich.
  • Empfänger: Dieser muss ein Summensignal ausgeben.
    • bei einem Empfänger ohne Summensignal, einem 2,4GHz oder PCM Empfänger ist eine QuadroPPM erforderlich
  • Motorregler: Nur beim Betrieb mit Brushless-Motoren erforderlich.
  • Motoren:
    • Brushless-Motoren (empfohlen) als effiziente Antriebe mit geringen Verschleiß oder
    • Bürstenmotoren, wenn beispielsweise ein X-UFO mit einer QuadroContro getunt werden soll. Eigenbauten auf Basis von Bürstenmotoren sind nicht empfehlenswert.
    • Propeller mit Propellermitnehmer
  • Rahmen: Ob gefräster Hightech-Rahmen oder simples Alukreuz: Hier ist fast alles möglich. Wichtig bei der Konstruktion ist, dass der Rahmen sehr steif ist, damit sich der Copter im Flug nicht verwindet und/oder Eigenschwingungen entstehen.
  • Akku: Kapazität ist abhängig von der Größe des Copters. Bei Coptern mit EPP1045er Propellern und einem Abfluggewicht bis etwa 1Kg sind Dreizellige Lithium-Polymer-Akkus (LiPo) mit Kapazitäten zwischen 2000mAh und 3000mAh empfehlenswert.

Wie hoch, wie weit und wie lange fliegt der?

Das sind die häufigsten Fragen, die ein QC-Copter-Pilot am Rande des Flugfeldes zu hören bekommt.

  • Wie hoch: Beim QC-Copter handelt es sich um ein ferngesteuertes Fluggerät. In der Praxis wird die Flughöhe eher durch die Sichtweite als durch die Funkreichweite begrenzt. Die Sichtweite liegt je nach Bauweise, Größe (und Erkennbarkeit) in einem Bereich bis 100m.
  • Wie weit: Hier gilt auch das unter wie hoch gesagte.
  • Wie lange: Je nach Gewicht /Akkukapazität /Motorisierung liegt die Flugdauer im Bereich von 10..25 Minuten.


Allgemeine Bauanleitung für den QC-Copter

Wenn du dir selber einen QC-Copter bauen möchtest, schaue bitte in die

Sy-bauanltg.gif
Bauanleitung QC-Copter im Wiki


Da der Aufbau eines Multicopters sehr viele Freiheiten erlaubt, wird dort allgemein beschrieben, wie man vorzugehen hat.


QuadroControl III

QuadroControl III MEMS
  • Mit ADXRS610 bestückt


QuadroControl III mit MEMS-Gyros
QuadroControl III mit Piezosensoren
  • Mit ENC03 SMD bestückt
  • Gier-Gyro wird auf Abbrech-Adapterplatine bestückt.
QuadroControl III mit Piezo-Gyros



Aufgaben

  • Verarbeiten der Fernsteuerungssignale
  • Verarbeiten der Signale der Drehratensensoren (Gyroskope)
  • Verarbeiten der Signale des 3D-Beschleunigungssensors
  • Ansteuern der Motoren / Motorregler
  • Berechnen der Motorstellwerte aufgrund der Fernsteuersignale und der Sensordaten mit 500Hz bzw. 1000 Hz (Brushless- / Bürstenmotoren)
  • Ansteuern der Beleuchtung / Schaltkanäle
  • Überwachen der Akkuspannung
  • Stromverteilung für die Motorregler


Technische Daten / Features

  • Hardware
    • Mikrocontroller: ATmega328P
    • Sensorik:
      • Gyroskope flexibel bestückbar, 3 Gyroskope ENC-03, ENC-03 SMD, ADXRS610 oder Wii MotionPlus alternativ bestückbar
      • Beschleunigungssensor: 1x LIS3LV02DQ (optional verwendbar, sorgt für Lagestabilität)
    • Empfänger: alle, die ein Summensignal ausgeben oder an die man QuadroPPM anschließen kann
    • Unterstützung von Bürsten- und BL-Motoren
    • Leistungsteile für Bürstenmotoren sind bereits integriert
    • Ansteuerung der BL-Regler via PPM (1,0ms..1,92ms)
    • Serielle Schnittstelle z.B. für Debugausgaben oder Darstellung des Konfigurationsmenüs via Terminal
    • Zusätzlicher Spannungsregler für externe Beschaltung bestückbar
    • Schaltkanäle: 5
      • 4 frei belegbar (z.B. für Kameraauslösung, Landeleuchten, etc.)
      • 1 fest vergeben für Statusausgaben, Batteriespannungswarnung, etc.
    • Akkuspannungsüberwachung mit Warnung (2-stufig) über LED und Signalgeber
    • Platinengröße: ca. 70 x 70 mm
  • Software
    • Reglertakt: 1 kHz im Bürstenmodus, 500 Hz im PPM-BL-Mode (wg. PPM-Ansteuerung - Kompatiblität zu Kaufreglern möglich.)
    • Reglerart: 3x Software-PID-Regler (für Roll, Nick und Gier), Datenfusion Gyro/Beschleunigungssensor über Komplementärfilter
    • Steuert Quadrocopter in X- und +-Flugformation sowie Tricopter mit Schwenkmotor/Ruder
    • 8 verschiedene Settings mit Regelparametern und Knüppeleinstellungen
    • Parametrierung mit PC (oder anderem Terminalgerät) möglich
    • Kontrolle der Parameter und Einstellungen je nach Firmware per Terminalsoftware (z.B. Hyperterm) möglich
    • Jede Standard-PPM-4-Kanal-Fernbedienung per Programmiermodus anlernbar! Zuordnung Knüppel <> Kanal ist egal! (Anlernen dauert weniger als eine halbe Minute!)


Schnittstellen/Anschlüsse der QuadroControl III

Während des Fluges gibt die QuadroControl II / III permanent Flugdaten per serieller Schnittstelle aus. Diese können per Logview und z.B. einer Bluetooth-Datenverbindung sichtbar gemacht werden. Das Protokoll wird hier beschrieben:

Sy-bedienanltg.gif
Protokoll der QC II/ QC III ab 2.0


JP1 - Schaltausgänge. LED1 ist reserviert für Statusmeldungen

JP2 - Hier wird ein Summensignalempfänger oder die QuadroPPM12 angeschlossen

JP9 - ISP und serielle Daten

EXT - Schnittstelle für Anwendungen des I²C-Bus

Nachbauanleitung

Die aktuelle Nachbauanleitung findet sich hier:

Sy-bauanltg.gif
Bauanleitung QuadroControl III Wiki


Bedienungsanleitung

Info: Die QuadroControl III wird ab Firmwarestand 2.0 unterstützt.

Sy-bedienanltg.gif
Bedienungsanleitung QuadroControl Firmware 2.x im Wiki


Firmware-Download

Die aktuellen Firmware-Archive finden sich auf der Download-Seite.

Sy-fwdownl.gif
QuadroControl III Firmware Download

Fuse-Bit Einstellungen für myAVR-Progamm: [[1]]


QuadroControl II/XS

Aufgaben

  • Verarbeiten der Fernsteuerungssignale
  • Verarbeiten der Signale der Drehratensensoren (Gyroskope)
  • Ansteuern der Motoren / Motorregler
  • Berechnen der Motorstellwerte aufgrund der Fernsteuersignale und der Sensordaten mit 500Hz bzw. 1000 Hz (Brushless- / Bürstenmotoren)
  • Ansteuern der Beleuchtung / Schaltkanäle
  • Überwachen der Akkuspannung


Versionen

QuadroControl II
  • Maße: ca. 78 x 94 mm
  • Bestückung ausschließlich mit bedrahteten Bauelementen
  • Mit integrierter Akkuhalterung
  • Freier Platz für den Empfänger direkt auf der Platine
Ansicht der bestückten QuadroControl II - Platine
QuadroControl II XS
  • Maße: ca. 68 x 68 mm
  • Mischbestückung mit SMD- und bedrahteten Bauelementen
  • Passt direkt auf das bekannte X-UFO als Ersatz für den mechanischen Kreisel
  • Platine (unbestückt) im Shop erhältlich
Ansicht der bestückten QuadroControl II XS - Platine


Technische Daten / Features

  • Hardware
    • Mikrocontroller: ATmega168 oder ATmega328P (für Neuaufbauten empfohlen)
    • Sensorik: 3 Gyroskope ENC-03
    • Empfänger: alle, die ein Summensignal ausgeben oder an die man QuadroPPM anschließen kann
    • Unterstützung von Bürsten- und BL-Motoren
    • Leistungsteil für Bürstenmotoren bereits integriert
    • Ansteuerung der BL-Regler via PPM
    • Serielle Schnittstelle z.B. für Debugausgaben oder Darstellung des Konfigurationsmenüs via Terminal
    • Zusätzlicher Spannungsregler für externe Beschaltung bestückbar
    • Schaltkanäle: 5
      • 3 fest belegt für LED-Beleuchtung / Statusausgaben
      • 2 frei belegbar (Kanal 5/6, z.B. für Kameraauslösung, Landeleuchten, etc.)
    • Akkuspannungsüberwachung mit Warnung (2-stufig) über LED oder optionalem Signalgeber
  • Software
    • Reglertakt: 1 kHz im Bürstenmodus, 500 Hz im PPM-BL-Mode (wg. PPM-Ansteuerung - Kompatiblität zu Kaufreglern möglich.)
    • Reglerart: 3x Software-PID-Regler (für Roll, Nick und Gier)
    • Steuert Quadrocopter in X- und +-Flugformation sowie Tricopter mit Schwenkmotor/Ruder
    • 8 verschiedene Settings mit Regelparametern und Knüppeleinstellungen
    • Parametrierung je nach Firmware-Version mit oder ohne PC möglich
    • Kontrolle der Parameter und Einstellungen je nach Firmware per LED-Muster oder per Terminalsoftware möglich
    • Jede Standard-PPM-4-Kanal-Fernbedienung per Programmiermodus anlernbar! Zuordnung Knüppel <> Kanal ist egal! (Anlernen dauert weniger als eine halbe Minute!)


Schnittstellen/Anschlüsse der QuadroControl II/XS

Todo: Evtl. hier noch eingefärbte Bestückungspläne der QC II / QC II XS einbinden. Die Beschreibung am besten in die Grafik, damit die Texte gleich farbig dargestellt werden können.


QuadroControl II

Schnittstellen der QuadroControl II

QuadroControl II XS

Schnittstellen der QuadroControl II XS

Akku Hier wird der Akku angeschlossen - Korrekte Polarität beachten!!!
Empfänger Hier wird der Summensignal-Empfänger angeschlossen - Polarität beachten (braun oder schwarz = "-")
Motorregler Hier werden die Motorregler angeschlossen - Polarität beachten (braun oder schwarz = "-")
Minuspole Bürstenmotoren (-DC) Beim Betrieb mit Bürstenmotoren werden hier die Minuspole der Motoren angeschlossen.
Pluspole Bürstenmotoren (+) Beim Betrieb mit Bürstenmotoren werden hier die Pluspole der Motoren angeschlossen. Diese werden direkt an die Akkuspannung angeschlossen. Somit sind alle vier Kontakte miteinander verbunden.
Programmierschnittstellen
  • JP9: Universalschnittstelle mit UART(serielle Schnittstelle), I2C und SPI
  • JP8: Programmierschnittstelle (nur ISP)
Schaltkanäle
  • -OC: einzelne Transistorausgänge, schalten den negativen Pol eines Verbrauchers (z.B. LEDs) ein- oder aus
  • +5V: Hier können 5V abgegriffen werden (alle 5 Kontakte der Reihe sind mit 5V verbunden)
  • +Akku: führt zum Pluspol des Akkus (alle 5 Kontakte der Reihe sind mit +Akku verbunden)
  • Statusanzeige: Die 1. LED (LoBatt) ist bei der QCII hinten, bei der QCIIXS rechts (in Flugrichtung)


In der folgenden Auflistung sind die wichtigsten Steckerbelegungen zusammengefasst.

Steckerbelegung-fuer-qc.jpg


Nachbauanleitung

Die aktuelle Nachbauanleitung findet sich hier:

Sy-bauanltg.gif
Bauanleitung QuadroControl II XS im Wiki


Bedienungsanleitung

Die Dokumentation wurde bis Firmware-Version 0.28 als PDF-Datei herausgegeben. Ab Version 1.00 wird die Dokumentation im Wiki gepflegt.

Sy-bauanltg.gif
Sy-bedienanltg.gif
Bau/Bedienungsanleitung QuadroControl II/XS bis Version 0.28 als PDF


Sy-bedienanltg.gif
Bedienungsanleitung QuadroControl Firmware 1.x im Wiki


Sy-bedienanltg.gif
Bedienungsanleitung QuadroControl Firmware 2.x im Wiki


Firmware-Download

Die aktuellen Firmware-Archive finden sich auf der Download-Seite.

Sy-fwdownl.gif
QuadroControl II Firmware Download

Fuse-Bit Einstellungen für myAVR-Progamm: [[2]]


QuadroUSB

QuadroUSB

Um die QuadroControl elegant über einen PC zu konfigurieren und um Updates einzuspielen (z.B. QuadroPPM12) wurde QuadroUSB entwickelt. Es handelt sich dabei um einen USB-Seriell-Wandler mit einer speziell für die QuadroControl zugeschnittenen Anschlussbelegung. Da QuadroUSB direkt in die USB-Buchse gesteckt wird, wird nur ein einziges Flachkabel benötigt.

Features

  • Kompakter USB-Seriell-Wandler
  • Abmessungen: ca. 12x42mm (mit Stiftleiste)
  • Versorgung der angeschlossenen Schaltung mit 5V möglich
  • Logikpegel von 5V und 3,3V einstellbar
  • Zwei Status-LEDs für Lesen und Schreiben


Bau-/Bedienungsanleitung

Die aktuelle Bau-/Bedienungsanleitung findet sich hier:

Sy-bedienanltg.gif
QuadroUSB Bau-/Bedienungsanleitung



Empfänger

Informationen zum Anschluss von Empfängern an die QuadroControl finden sich hier:

Sy-bedienanltg.gif
Empfänger


QuadroPPM / QuadroPPM12

Summensignal Adapter für konventionelle Modellflugempfänger.

QuadroPPM / QuadroPPM12 - Was ist das?

QuadroPPM12
QuadroPPM

Verschiedene Quadrocoptersteuerungen (z.B. die QuadroControl) verwenden als Eingangssignal von der Fernbedienungsanlage ein sogenanntes Summensignal. Das ist ein Signal, das alle Informationen aller Fernbedienungskanäle enthält. Das hat den Hintergrund, dass so nicht für jeden Kanal des Empfängers ein separates Kabel auf die Hauptsteuerung geführt werden muss. Leider unterstützen nur wenige PPM-Empfänger die Ausgabe des Summensignals. 2,4GHz- und PCM-Fernbedienungsanlagen arbeiten grundsätzlich nicht mit diesem (analogen) Summensignal, sondern mit eigenen digitalen Übertragungsverfahren.

Um solche Anlagen einfach und ohne Eingriff in die Empfangstechnik an einem Quadrocopter anzubinden, wurde die QuadroPPM / QuadroPPM12 entwickelt. Alle Servosignale des Empfängers werden mit der QuadroPPM verbunden und daraus wird dann ein Summensignal generiert.

Features

  • Umwandlung von bis zu 8/12 Servosignalen eines Modellbauempfängers in ein Summensignal.
  • Verwendung mit fast allen handelsüblichen Modellbauempfängern möglich.
  • Anbindung an Failsafe-Funktion einiger hochwertiger Empfänger garantiert das Funktionierender Notlandefunktion des Copters bei Empfangsausfall, obwohl am Empfänger dann
  • gültige Servosignale anliegen. Konfiguration über Lötbrücke.
  • Betriebszustandsanzeige per LED.

Geeignete Empfänger

Hier findet sich eine Liste der geeigneten Empfänger für die QuadroPPM.
Diese erhebt jedoch keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Bau-/ Bedienungsanleitung

Die aktuellen Nachbauanleitungen finden sich hier:

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Sy-bedienanltg.gif
Bau-/Bedienungsanleitung der QuadroPPM


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Sy-bedienanltg.gif
Bau-/Bedienungsanleitung der QuadroPPM12



Bluetoothmodul für den QC-Copter

Warum Bluetooth?

Wer zur Einstellung der QuadroControl seinen QC-Copter nicht immer mittels Kabel an den PC anschließen möchte, kann sich optional ein einfaches und günstiges Bluetooth-Modul zusammenbauen. Auch das Einstellen der Bluetoothmodules, damit es mit der QuadroControl zusammenarbeitet, ist mit einem RS232-UART Wandler kein Problem.

Bau-/ Bedienungsanleitung

Eine Anleitung für den Zusammenbau und die Programmierung des Bluetoothmoduls incl. eines Schaltbildes für einen einfachen RS232-UART Wandler kann hier heruntergeladen werden.

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Sy-bedienanltg.gif
Nachbau- und Programmieranleitung des Bluetooth-Moduls für die QuadroControl



Brushless-Regler

Multicopter im allgemeinen werden nur durch ständige Änderung der Rotordrehzahlen gesteuert. Damit die Lageregelung gut funktioniert ist eine hohe Wiederholrate der Eingangssignale der BL-Regler erforderlich. Die QuadroControl arbeitet mit 500Hz. Das ist 10x soviel wie im Modellbau üblich! Die BL-Ctrl. Regler von www.microcontroller.com verarbeiten diese hohe Frequenz. Andere BL-Regler müssen, damit sie im QC-Copter funktionieren, mit anderer Firmware versehen werden.

Wie die einzelnen Regler angeschlossen werden bzw. die Regler mit anderer Firmware geflasht werden können steht hier:

Brushless-Regler


Brushless-Motoren

Es gibt sehr viele Brushless-Motoren am Markt, allerdings ist nur eine begrenzte Auswahl auch für QC-Copter geeignet. Welche Motoren sich eignen, findet sich auf dieser Seite:

Brushless-Motoren


Propeller

Mit dem Propeller (Luftschraube) wird die Kraft des Motors in Schub umgesetzt.

Propeller


Rahmenbau

Der Aufbau eines geschlossenen Quadrocopter-Rahmens anhand des Bausatzes "Closed Quadro Frame" wird hier beschrieben: Closed Quadro Frame


Vibrationsdämpfende Motorhalter: Universal-Motorhalter


Akku