Tricopter - Shrediquette

Beim Surfen im Netz bin ich auf den Gedanken gekommen, mir mal nähere Informationen über selbst zu bauende Multicopter zu besorgen bzw. zu erlesen, denn diese Teile haben es mir angetan.

Irgendwann kommt man zu einer Tabelle, in der alle zur Zeit bekannten Multicopter-Modelle aufgeführt sind, zusammen mit dem Status (aktiv, eingestellt), OpenSource oder nicht und technischen Informationen, also Anzahl der Rotoren, Art der Steuerung und Regelung usw. Sieht man sich am Besten selbst an...

Ich bin nach einer Exkursion durch die verschiedenen Setups bei dem Tricopter von William Thielicke hängen geblieben, dem er den Namen Shrediquette gegeben hat. Zum Einen liegt dessen angegebene Preisspanne in vertretbarem Rahmen, zum Anderen hat mich die Tatsache fasziniert, dass William sich alle Einzelheiten der Hardware und der notwendigen Software selbst erarbeitet hat. Nicht zuletzt hat er einige fantastische Filme über die Flüge seiner Shrediquette ins Netz gestellt, die letztlich ebenfalls meine Entscheidung beeinflusst haben.

William führt einen Blog über sein Projekt, zusätzlich existiert (mindestens) ein Forum, in dem der Fortschritt der Entwicklung der Shrediquette dokumentiert ist. Hier stellen auch Nachbauer Informationen und Erfahrungen in regem Austausch zur Verfügung.


Die Arbeiten für den Nachbau sind vielfältig, weshalb ich die Beschreibungen auf mehrere Seiten aufgeteilt habe.

Elektronik, Mechanik, Sendererweiterung, Empfängerumbau


Nachdem ich mich entschlossen hatte - wie bereits viele Andere - einen Tricopter nach dem Vorbild von Williams Shrediquette zu bauen, habe ich mich im Forum entsprechend “geoutet” und bin in die Startlöcher gestiegen, die Steuerungsplatine Strom sparender auszulegen, einseitig zu entflechten und den Arduino als Gehirn des Ganzen einzusparen (indem der Microcontroller Mega328 direkt auf dem Grundboard entflochten wird).

Bei der Mechanik werde ich mich ebenfalls ein wenig von Williams ursprünglichem Ansatz trennen und den Servo für den Motor am Heckausleger in den Grundkörper des Tricopters, also nahe an den Schwerpunkt, verlegen. Ich hoffe, auf diese Weise sowohl die bewegten Massen für den Servo als auch die um den Schwerpunkt des Tricopters zu minimieren, was ebenfalls in Richtung Strom sparen gehen soll.

Nicht verschwiegen werden soll, dass sowohl der Ersatz des Arduino durch den “nackten” Mega328 als auch die Verlagerung des Servo bereits von anderen Nachbauern durchgeführt wurde. Lediglich der Schaltregler mit nachgeschaltetem Low Dropout Regler für die Elektronik ist nach meinen Informationen neu. Der Hinweis auf den möglichen Einsatz eines Schaltreglers kam von William.


Nachdem die Elektronik der Einstieg in das Thema war, hier also zuerst die Ergebnisse meiner Forschungen in Richtung Schaltregler und einseitiges Platinenlayout.

Ich habe den Umriss und die Befestigungslöcher von Williams erstem Design gewählt - wer weiß, vielleicht spart ja die modernere Schaltung soviel Strom ein, dass William selbst auf den Geschmack kommt und aufrüsten will. Da möchte ich natürlich die Hemmschwelle so niedrig wie möglich ansetzen ;-)

Leider haben die Steckkontakte in der SMD-Ausführung durch die abgewinkelten Anschlussbeinchen einen “riesigen” Footprint, die Schaltung wird also durch die nicht unerhebliche Menge solcher Stecker auf dem Board recht luftig.

TriGUIDE_SMD_sw2_brd, Click auf das Bild zeigt die volle Auflösung

Das zugehörige Schaltbild

TriGUIDE_SMD_sw2_sch_klein, Click auf das Bild zeigt die volle Auflösung

William hat seiner Schaltung den Namen “TriGUIDE” gegeben, ich führe diese Namensgebung für mein Design fort indem ich die Umstellung auf reines SMD-Design und den verwendeten Schaltregler (switch mode converter im Englischen) im Namen unterbringe.

Die Bauteile liegen hier auf dem Tisch und harren der Lieferung der bei MME georderten Leiterplatten.

Die Schaltunterlagen zu diesem Entwurf stehen dem geneigten Nachbauer natürlich zur Verfügung.


Gleiches gilt für die ebenfalls notwendigen I²C-PWM-Wandler, die die von der TriGUIDE gelieferten Drehzahlsollwerte für die Motoren vom I²C-Format in das von den Stellern (ESC, electronic speed controller) verstandene PWM-Format wandeln. Es gibt einige wenige ESCs auf dem Markt, die von Hause aus I²C verstehen, die sind jedoch - auf Grund dieses Alleinstellungsmerkmals - recht teuer.

Natürlich hat William dafür bereits eine Lösung erarbeitet, nur die Leiterplattengröße hat mir nicht ganz gefallen, weshalb ich sein Design etwas überarbeitet habe. Im gleichen Zug sind die Bauteile auf die Oberseite der Platine gewandert, was Gehirnakrobatik beim Umdenken vermeidet. Vielleicht haben Andere damit kein Problem, in meinem Alter darf ich das (Probleme mit sowas haben, meine ich ;-)


Nach diesen Vorbereitungen in Sachen Elektronik möchte ich den weiteren Verlauf meiner Forschungen in dieser Richtung auf einer eigenen Seite beschreiben.

Auf dieser Seite geht es mit den mechanischen Einzelheiten weiter.


Der zweite Teil des Projekts besteht im Wesentlichen aus Alurohren und -Klötzen, GFK-Platten, ein paar Kugellagern und Gewindestangen. Hier habe ich schon einen kleinen Erfolg vorzuweisen, der Rohbau ist fast fertig.

Zuerst habe ich mich an den wunderschönen Dymond Motoren erfreut (von denen ich hoffe, dass sie den Anforderungen im Tricoptereinsatz gewachsen sind). Die Teile kommen in einer Blechkiste mit Zubehör und das Blau gefällt (mir zumindest ;-)

Verpackung des Dymond Motors
Innenleben der Blechkiste
Motor und Zubehör

Die Rumpfdecks habe ich aus Williams Anleitung übernommen, aus GFK Platinenmaterial zuerst grob mit einer Blechschere ausgeschnitten, anschließend mit dem Trennschleifer (Dremel) etwas feiner und zum Schluss mit einem Korund-Schleifstein endgültig geformt.

Hier nach der ersten Stufe (Blechschere). Gleichzeitig der erste Versuch, ein Gefühl für die Befestigung und Lagerung des Heckauslegers zu bekommen. Die Lagerböcke und Alurohre sind noch lose, die Schieblehre hält das Gleichgewicht.

Ein Deck mit Lagerung des Heckrohrs

Mehrere Stunden dremeln, bohren und Gewinde schneiden später

Heckausleger fast funktional

Ein close up des Lagers zeigt die ersten Versuche, ein (bzw. acht) M3 Gewinde in 3 mm durchmessende Sacklöcher zu schneiden :-(

2010-11-13_IMG_5816_klein

Irgendwo in meinem Hirn geisterte die Zahl 3,2 mm zum Vorbohren rum, leider habe ich die passende Assoziation zu M4 verschusselt, so dass Üben angesagt war. Mit 2,5 mm vorgebohrt klappte das Gewinde schneiden dann prima. Gut, dass die Lager quadratisch sind :-)

Und noch etwas später der fertige Rohbau:

fertiger Rohbau

Als nächstes steht auf meiner Wunschliste die eine oder andere M3 Gewindestange, um die doch recht weit voneinander entfernten Platten ober- und unterhalb der Lagerböcke miteinander zu verbinden.


Ich habe natürlich auch meinen Kollegen erzählt, dass ich einen Tricopter bauen werde. Einer der Kollegen hat meine Bilder gesehen und spontan den gleichen Gedanken wie William gehabt: Die Alu-Klötze als Lagerböcke sind doch viel zu schwer!... und hat spontan angeboten, die Dinger aus Kunststoff zu fräsen. Habe ich natürlich dankend angenommen ;-) Vielen Dank Thomas!

Lageböcke in Kunststoff

Dabei ist es aber nicht geblieben, das sieht man ja schon in der Mitte.

Ich hatte bisher keine so rechte Idee, wie ich die Anlenkung des Heckauslegers bewerkstelligen soll, aber gestern ist mir spontan was eingefallen und ich habe eine kleine Zeichnung aufs Papier (bzw. auf meinen Tablet -PC) geworfen, die der nette Kollege in der darauf folgenden Nacht sofort umgesetzt hat. Vielen Dank nochmals an dieser Stelle!!

Tricopter Anlenkung des Heckauslegers

Die Umsetzung sieht man ja schon im oberen Bild, hier noch einmal größer:

Anlenkungen für Heckausleger

Die Dingerchen haben noch Verbesserungspotential. So soll der Klemmteil noch etwas länger werden, damit eine Schraube zum Klemmen verwendet werden kann.

Die Lagerböcke will er ebenfalls noch einmal optimieren, so dass die Bohrungen von der Seite wegfallen, was die Bearbeitung auf der Fräse vereinfacht. Ich bin gespannt, was da noch kommt...

...und wurde nicht enttäuscht :-)

Nach einer weiteren durchfrästen Nacht überraschte mich Thomas mit einer Hand voll weiterer Kunststoffteile, diesmal in schickem Weiß. Das Grundmaterial ist 30% leichter als das schwarze, also ist theoretisch eine weitere Optimierung des Gewichts in Reichweite.

Allerdings war der Grundgedanke für diese Art des Herangehens an die Aufgabe “Lagerbock für Kugellager” das Ziel, den Fräsvorgang von einer (immer der gleichen) Seite durchzuführen.

HighTech-Version der Lagerböcke

Er hat dazu den Lagerbock in der Mitte geteilt und Vertiefungen für Stoppmuttern eingefräst. In der linken Lagerhälfte (im Bild unten) sind M3 Gewinde eingeschnitten.

So sehen sie von innen aus

Montiert sieht das komplette Lager für den Heckausleger jetzt so aus.

Fertig montiert

Ich habe die drei Varianten der Lagerung mal auf der Küchenwaage gewogen. Erwartungsgemäß ist die Alu-Version mit 22 Gramm am schwersten, das schwarze, einfache Pendant aus Kunststoff und die weiße HighTech -Lösung sind hingegen mit jeweils 14 Gramm gleich schwer, da zwar das weiße Material ein geringeres spezifisches Gewicht hat, aber 4 Muttern und zwei bis vier Schrauben zum Zusammenhalten der beiden Hälften hinzu kommen. Das Kugellager war jeweils mit an Board.

Beim Festschrauben am Deck des Tricopters muss man mit Gefühl arbeiten und die beiden Lagerhälften zusätzlich fest zusammen drücken, da sich sonst die Muttern in ihren Taschen mit drehen. Der Kunststoff ist leicht flexibel.

Die Anlenkung für den Heckausleger ist auch etwas erwachsener geworden, jetzt ist am unteren Ende Platz für die Klemmschraube (wobei ich momentan noch keine M2-Schrauben mein Eigen nenne, aber das wird... ;-)

Anlenkung des Heckauslegers

(Die Bildqualität der letzten drei bis vier Bilder bitte ich zu entschuldigen. Mit Blitz sind die Teile zwar korrekt in Weiß abgelichtet, die Bilder aber viel zu hell. Ohne Blitz habe ich, trotz manuellem Weißabgleich, nur diesen leicht grauen Farbton hinbekommen. Aber das tut dem Design an sich ja keinen Abbruch)


Mit dem Klemmteil aus dem Bild oben wird der Heckausleger zum Einen mit dem Servo hin und her bewegt, zum Anderen dient dieses Teil dazu, den Ausleger in seiner Lagerung zu fixieren.

Ich habe dazu zwei weiße Schlauchstücke mit 10 mm Innendurchmesser so abgeschnitten, dass diese direkt links und rechts der Klemme bis zu den Lagerschalen der Kugellager reichen. Das Schlauchmaterial ist steif genug, dass das Rohr - ohne Anwendung brachialer Gewalt - nicht verrutschen kann.

Anlenkung Heckausleger_1

Rechts im Hintergrund liegt noch ein weiterer Schlauchabschnitt.

Anlenkung Heckausleger_2

Durch die Klemmung kann der Heckrotor leicht senkrecht ausgerichtet werden, wenn die Trimmung am Servo auf Mittelstellung steht.


Mit einem Haufen Schrauben, Gewindestangen und Muttern werden die verschiedenen Decks mit den Auslegern und den Lagerböcken verbunden. Hier fehlt noch das unterste Deck, die Aufnahme für den Akku.

Rohbau fertig - Blick von vorn

Die Lagerung des Heckauslegers in seiner endgültigen Form:

Heckausleger Lager

Der Rohbaurumpf (Ausleger, Drehlager und Decks aus 1 mm starkem GFK) wiegt in diesem Stadium 186 Gramm, die notwendigen Schrauben und Muttern sowie das unterste Deck sind dabei eingerechnet. Kein Ausbund an Leichtgewicht, vergleicht man mit Williams DLXm.
Die brachte es beim gleichen Baustand auf gerade mal 81 Gramm! Allerdings ist der Abstand der Motorachsen bei dem Winzling nur ca. ein Drittel so groß ;-)
Warten wir mal auf das große Finale, wenn alle Teile eingebaut sind.

Die Rohre liegen zwischenzeitlich übrigens ebenfalls in Version 2.0 vor. Die Löcher für die Befestigungen fluchten jetzt alle auf einer Linie in der Mitte der Rohre und zusätzlich hat jedes Rohr einen (sauber entgrateten) Eingang für die Leitungen des Motors. Das alles dank des selbstlosen Einsatzes von Thomas und seiner Fräse :-)


Die ganzen Goodies aus Thomas Werkstatt zusammen getackert, ergibt sich folgendes Bild des Rohbaus:

Alle 4 Decks sind montiert

In diesem Zustand bringt das gute Stück 436 Gramm auf die Waage.

Die Lage des Servo für die Bewegung des Heckauslegers stelle ich mir in etwa so vor:

Servo für den Heckausleger

wobei Servoarm und Klemmstück versetzt zueinander liegen (siehe Bild unten), so dass sich ein Z-förmig gebogener Draht ohne weitere Maßnahmen selbst sichert.

Flucht von Servo und Anlenkung am Heckausleger

Die Stecker am Motor habe ich abgelötet, die Drähte werden verlängert, mit Schrumpfschlauch isoliert und durch das Loch im Rohr geführt. So kommen sie schön zentral im Grundkörper des Tricopters an. Hier werden dann wieder die Stecker angelötet um die Verbindung zum ESC trennbar zu haben.

Ohne Stecker


In den vorausgehenden Bildern kann man es erahnen, richtig deutlich sehen kann man es nicht. Am beweglichen Heckausleger habe ich den Motor auf die gleiche Weise befestigt, wie im Bild oben an einem der beiden vorderen Ausleger. Der Motor sitzt mit seinem Motorträger (das kreuzförmige Alu Frästeil) auf dem Alurohr. Das ist für die beiden feststehenden vorderen Motoren sicher in Ordnung und ich habe mir die ganze Zeit, seit der Rohbau des Tricopters fertig ist, nicht wirklich was dabei gedacht.

Als ich aber erstmals den Servo in die Nähe des Hebels gehalten habe, mit  dem der Heckausleger bewegt werden soll, ist mir aufgefallen, dass der Heckausleger sehr kopflastig ist. Ich habe mir dann vorgestellt, wie der winzige Servo versucht, über einen Hebel von ca. 9 mm den Motor senkrecht über dem Rohr zu halten. Das kam mir irgendwie ungerecht dem Winzling gegenüber vor und ich habe mir einen Trick ausgedacht, wie ich dem Servo das Leben etwas erleichtern kann.

Das Rohr des Auslegers wurde um die Länge des Motorträgers gekürzt, an Stelle dessen ein Alustreifen am Motorträger angebracht und dieser Streifen dann mittels Abstandsröhrchen so weit unter den Heckausleger gebracht, dass dessen Drehachse in etwa durch die Mitte des Motors verläuft. Das Ganze ist jetzt mehr oder weniger ausgewogen, die Masse des Motors bringt kein Moment mehr um die Längsachse des Heckauslegers allein durch die Schwerkraft in das System ein, der Servo muss also wirklich nur noch den Motor schwenken und ihn nicht auch noch gegen die Schwerkraft über dem Rohr halten.

geänderte Motorhalterung

Der im Bild oben gezeigte Alustreifen hatte übrigens nicht das Potential, die Kraft des Motors zu bändigen. Bei einem Probelauf im Freien - den Tricopter hielt ich dabei fest in der Hand - hat es den Streifen verbogen, als ich den Motor mal etwas schneller laufen ließ.

Ich habe daraufhin die Konstruktion überarbeitet und den flachen Streifen durch einen Abschnitt eines Alu-U-Profils ersetzt. Das macht jetzt einen sehr zuverlässigen Eindruck.

Neue Heckmotorhalterung

Im weiteren Verlauf wird man hin und wieder die alte Halterung (den Blechstreifen) sehen, diese Aufnahmen sind bereits älter, aber die neue Halterung hat thematisch hier gut rein gepasst, weshalb ich vom chronologischen Ablauf abgewichen bin.


Die Anschlüsse der Motoren kommen jetzt schön zentral in der Mitte des Chassis aus den Rohren der Motorträger. Durch das Loch in der Mitte des Decks wird der Anschluss des Akkus auf die Ebene der Leistungselektronik geführt.

Motoranschlüsse im Innern des Chassis

Im darüber liegenden Deck sind ebenfalls Löcher für die Steuerleitungen von der TriGUIDE smd zu den ESCs bzw. den I²C-PWM-Konvertern vorhanden.

Steuerungsdeck

Die Befestigung des Servo habe ich lange vor mir her geschoben, aber nachdem ich mich erst mal durchgerungen hatte, ein Loch in Thomas Edelfrästeile zu bohren, war der Rest recht einfach. Im Wesentlichen besteht die Halterung also aus der Anlehnung an den inneren Lagerbock für den Heckausleger und einem liebevoll von Hand gesägten und gebohrten Aluwinkel. Hier konnte ich dann auch zwei weitere M2 Schrauben und zugehörige Stoppmuttern verbauen, so dass der Hunderterpack nicht vollends überflüssig gekauft war ;-)

Servobefestigung - Draufsicht
Servobefestigung

Die ersten beiden ESCs sind jetzt an ihrer vorgesehenen Position gelandet. Auf diesem Deck fehlen noch der Sternpunkt des Akkuanschlusses, ebenso die I²C-PWM-Konverter und natürlich der dritte ESC für den Heckmotor. Der wird seinen Platz gegenüber dem Servo finden.

Zwei ESCs in Stellung

Den Stromverteiler habe ich aus einseitig kaschiertem Platinenmaterial angefertigt...

Stromverteiler

...und mehr oder weniger sinnvoll mit Kabeln beschwert ;-)

Stromverteiler verkabelt

Hier fehlt noch die Verbindung zur TriGuide, die ESC-Anschlüsse sind fertig gelötet, müssen nur noch mit Schrumpfschlauch isoliert werden.

Anschlüsse für ESCs

Dieses Wunderwerk der Feinmechanik findet seinen Platz auf dem Elektrodeck des Tricopters:

Verteiler eingebaut

und nachdem die ESCs ebenfalls mit den passenden Goldsteckern versehen sind, wird das Kraftwerk verdrahtet

ESCs verkabelt

Das vorbereitete Steuerungsdeck. Ich habe dann doch entschieden, die I²C-PWM-Konverter auf das Steuerungsdeck und nicht auf dem Elektrodeck zu platzieren. Hier ist einfach mehr Platz und die Konverter sind sowieso eher Steuerung als Strombändiger :-)

Steuerungsdeck

Die Steuerungsebene wird eingebaut und angeschlossen, im gleichen Zug der IMU-Würfel platziert. Die Kabel der beiden im Bild rechten ESCs müssen noch gekürzt werden. Die zusätzliche Leitung vom I²C-PWM -Konverter ganz rechts im Bild zur TriGuide ist die Stromversorgung für den Servo. In dieser Version der TriGuide musste ich diesen Anschluss noch direkt am Stecker für den Servo anlöten, in der V3-Variante ist das bereits im Layout durch einen zusätzlichen Stecker berücksichtigt.

Tricopter komplett verkabelt

Der Empfänger liegt momentan noch provisorisch “so rum” und wird nur am Rand vom doppelseitigen Klebeband des I²C-PWM-Konverters an Ort und Stelle gehalten. Später wird er noch etwas weiter hinten platziert werden, so dass die Anschlüsse nicht über die Kontur des Tricopters hinausragen.

Tricopter komplett verkabelt

Adressen der I²C-PWM-Konverter und Updaterate sind per Lötbrücken festgelegt, jetzt sind alle Vorbereitungen getroffen, um den ersten Check der Motoren durchzuführen. Die Inbetriebnahme wirft ihre Schatten voraus :-)


Alles fertig montiert stemmt das gute Stück inzwischen 820 g auf die Waage, Akku und sonstige Zubehörteile die für den Flug notwendig sind inklusive.

Tricopter fertig 1

Nach Murphy waren natürlich alle drei Motore falsch herum angeschlossen, haben also einen erheblichen Abtrieb produziert, als ich den ersten Probelauf mit Propellern absolviert habe. Ok, das war zu erwarten und ist durch Tausch von jeweils zwei der drei Motorphasen leicht zu beheben.

Die Stecker zwischen den beiden Decks zu tauschen war ein wenig fummelig aber zu schaffen und kurz darauf durfte der Tricopter erneut Luft bewegen, diesmal Richtung Boden. Ich habe ihn dabei natürlich (sehr) fest in der Hand gehalten, eingedenk von Williams Anekdote übers “Armdrücken” im Forum ;-)

Hier noch ein paar Ansichten des fertigen Modells vor der ersten Gasannahme...

Tricopter fertig 2

Die schicke orange Schleife oberhalb des Heckauslegers führt die, in meinen Augen viel zu lange, Antenne noch ein wenig in der Gegend rum, bevor sie in dem grünen Rohr ihren endgültigen Platz einnimmt und hilft dem Auge im Flug, Vorne und Hinten zu unterscheiden - so zumindest der Plan.

Viel zu lang ist sie natürlich nicht wirklich, nur länger als ich es gemeinhin von meinen 40 MHz-Empfängern gewohnt bin. Aber das muss wohl so sein und stört nicht weiter - dachte ich jedenfalls.

Tricopter fertig 3
Tricopter fertig 4

...und eine Ansicht danach :-(

Nach 1. Probelauf

Was ist passiert?

Zum Einen musste ich die Antennenschleife schon am Heckausleger “anbinden” weil der Propeller sie beim normalen Drehen bereits berührte. Zum Anderen habe ich offenbar die Drehung des Heckauslegers um seine Längsachse vollkommen unterschätzt. Beim ersten Auslenken um die Gierachse hat sich der Propeller des Röhrchens angenommen und ihm und dem durchgezogenen Antennendraht einen Kurzhaarschnitt verpasst.
Sonst ist zum Glück nichts passiert.

Ach ja, das Auswuchten der Propeller hatte ich mir bis dahin gespart (die Propellerwaage ist noch nicht eingetroffen) da ich ja ohnehin nicht fliegen sondern nur ein bisschen probieren wollte. In Folge - das nehme ich jedenfalls an - hat der Heckmotor bereits bei kleinen Drehzahlen lustig hin und her gezappelt. Insgesamt fühlte sich der Tricopter aber nicht sehr unwuchtig an. Das Auswuchten findet aber natürlich auf jeden Fall statt, keine Bange :-)

 

 

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