Projekt 86: Low-Cost-Drohne mit Ardunio
Autoren: Sergej Vogel, Janis Ostermann
Betreuer: Prof. Schneider
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Einleitung
Im Rahmen des Moduls "angewandte Elektrotechnik" aus dem Studiengang "Business and Systemsengineering" der Hochschule Hamm-Lippstadt in Lippstadt konnten die Studenten ihr bereits erlerntes Wissen unter Beweis stellen und praktische Erfahrungen sammeln, indem sie eine elektrotechnisches Projekt realisieren. Thema dieses Projekts soll die Auslegung und Konstruktion einer kostengünstigen Drohne bei Zuhilfenahme eines Arduino Mikrocontrollers sein. Über die Entwicklung der Hardware hinaus soll zusätzlich ein rudimentäres Programm zur Präsentation der Funktionsweise der Drohne entwickelt werden. Genauere Anforderungen sind unter dem Punkt "Erwartungen an die Projektlösung" einsehbar.
Erwartungen an die Projektlösung
- Recherche bisheriger Lösungen
- Entwurf der Drone, deren elektrischer Schaltung (Sensoren, Aktoren), Konstruktion und Beschaffung der Bauteile
- Realisierung des Aufbaus
- Darstellung der regelungstechnischen Theorie
- Systemidentifikation (Übertragungsfunktion der Regelstrecke bestimmen)
- Vergleichen und bewerten Sie verschiedene Regleransätze (P, PI, PID und andere).
- Test und wiss. Dokumentation
- Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
- Live Vorführung während der Abschlusspräsentation
Kür: Modellbasierte Programmierung der Hardware via Simulink
Projekt
Zielsetzung
Das Ziel des Projektes war es die Drohne von Null auf zu konzipieren und zusammenzubauen. Dabei sollte der Kostenaspekt mit beachtet werden. Ein weiteres Ziel stellt das geregelte Schweben der Drohne auf einer bestimmten Höhe dar.
Projektplan
Das Projekt „Low-Cost-Drohne“ sollte in einer Zeitspanne von 16 Wochen realisiert werden. Um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten, wird das Projekt in folgende Projektschritte gegliedert, die in bestimmten Zeitspannen zu bewältigen sind. Daraus resultiert der Projektplan (siehe Abbildung 1).
Verwendete Komponenten
In der Tabelle ? werden alle Komponenten aufgeführt, die für den Zusammenbau der Drohne, sowie für einen Bau einer Sicherungsfläche (Erläuterung folgt) benötigt werden.
Kosten der Drohne
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Projektdurchführung
Die Recherche rund um den Bereich "Drohne" stellt den Start in das Projekt dar. Da die Studenten seitens der Hochschule finanziell unterstützt wurden, gab es eine zeitliche Vorgabe zur Erstellung einer Einkaufsliste, mit den Teilen die für das jeweilige Projekt benötigt werden. Deshalb war es wichtig, die Hauptrecherche (zur Realisierung der Drohne) schnell abzuschließen. In dieser Phase haben sich mehrere Lösungen zur Realisierung der Drohne angeboten. Diese waren zwar einzeln für sich nicht überzeugend, aber durch die Entnahme einiger Teilbereiche und Indizierung eigener Ideen ist ein individueller Realisierungsplan entstanden. Dabei dient das YouTube-Video[1] als Inspiration und zentrale Grundlage für den technischen Bereich. Im Softwarebereich stehen ebenfalls viele Beispiele und Bibliotheken zur Verfügung. Doch auch da gibt es keine ideale Lösung für die Steuerung und Regelung der Drohne. Somit besteht auch hier die Aufgabe, Bibliotheken/Teillösungen mit einander zu kombinieren bzw. aufeinander abzustimmen.
Entwurf der Drohne
In der Recherchephase war es zunächst geplant, den Rahmen der Drohne selbstständig mittels CAD zu entwerfen und mit dem 3-D-Druckverfahren zu fertigen. Da sich die Realisierung des Rahmens als enormer zeitlicher Aufwand herausgestellt hat, wurde die Idee verworfen. Stattdessen wird eine vorgefertigte CAD Konstruktion eines Drohnenrahmen [2] verwendet, bei der die Größenverhältnisse anzupassen sind, da:
- der 3-D-Drucker nur einen begrenzten Druckraum besitzt, weswegen die Gesamtkonstruktion verkleinert werden muss und
- die Bauteile wie Rotoren und Akku bereits bestellt sind, weswegen die Auflageflächen nochmals angepasst werden müssen.
Um den Abstand der Drohne zum Boden zu messen, soll ein Ultraschallsensor zum Einsatz kommen, der mittig der Drohne, mit der Ausrichtung nach unten zum Boden, angebracht werden soll. Das Problem liegt darin, dass der Sensor erst einen Abstand von mindestens 2cm messen kann. Aus diesem Grund werden längere Standbeine benötigt, die aus einer weiteren CAD Konstruktion [3] entnommen und auf unserer Konstruktion angepasst werden. Das Ergebnis ist die CAD-Konstruktion in der Abb.???.
Umsetzung der Drohne
Für die Realisierungsphase wird das Drohnengerüst benötigt. Hierzu wird die Drohne innerhalb der CAD-Konstruktion in ihre Einzelkomponenten zerlegt. Nun können die einzelnen Komponenten so positioniert werden, dass sich das Drucken von Hilfsstrukturen reduziert. Das hat den Vorteil, dass die Komponenten eine bessere Struktur erhalten und sich zusätzlich die Druckzeit, sowie die Nachbearbeitung reduziert. Sind die Einzelteile fertig, so werden sie von der Hilfstruktur befreit und geschliffen. Im letzten Schritt werden die Komponenten zu einem Drohnenrahmen zusammengeschraubt (siehe Abb. ?). Gut zu erkennen sind die nutzbaren Flächen, die im weiteren Verlauf mit den Bauteilen wie Motoren, Akku, Arduino und Sensoren bestückt werden. Doch zuvor werden einige Richtlinien bzw. Punkte für den Zusammenbau aufgestellt, die dabei helfen sollen, die Drohne direkt beim ersten Versuch so zu fertigen, dass weitere Veränderungen vorgebeugt werden. Hier einige Richtlinien:
- Die Komponenten wie den Arduino, den Lipo-Akku und die Sensoren so anordnen, dass sich der Gewichtsschwerpunkt in der Mitte der Drohne befindet
- Rotoren haben dadurch in etwa dieselbe Belastung
- Im Hinblick auf die Bestimmung der Drohnenlage und die Messung des Abstandes zum Boden ergibt es einen Vorteil, wenn sich die Sensoren zentral an der Drohne befinden
- Verkabelung kurz halten (sieht ordentlich aus und keine Gefahr das die Kabel in die Rotoren geraten)
- Der Startknopf soll so positioniert sein, dass beim Drücken des Knopfes keine Gefahr für die Hände entsteht
- Komponenten so anbringen, dass diese schnell und problemlos ausgetauscht werden können
Die Struktur des Gerüstes ist für die Einhaltung der Richtlinien bestens geeignet. So gibt es in der Mitte des Gerüstes eine obere und eine untere Auflagefläche, wo die weiteren Bauteile angebracht werden können, um den Schwerpunkt der Drohne zentral zu halten. Dies ist auch der Plan.
Der Arduino soll einfach zugänglich sein, da die meisten Kabel dort zusammenlaufen und somit ein einfacher bzw. schneller Zugriff von Vorteil ist. Aus diesem Grund wird der Arduino auf die obere Ablagefläche positioniert und mit einem Kabelbinder fixiert (siehe Abb.?)
Die beiden Auflageflächen sind durch kleine Balken mit einander verbunden und grenzen dadurch einen optimalen Raum für den Akku ein. So befindet sich der Akku in der Mitte der Drohne (siehe Abb.?) und kann durch kurze Leitungen sowohl den Arduino, die ESCs und die Rotoren oben, als auch die Sensoren unten mit Strom versorgen.
Wie bereits erwähnt sollen der Gyro-Sensor (Beschleunigungs- und Lagesensor) und der Ultraschallsensor (für die Messung des Abstandes zum Boden) unterhalb der zweiten Platte angebracht werden. Da sich dort aber bereits Versorgungsleitungen befinden, wird eine weitere Fläche benötigt, damit die Sensoren parallel zum Boden angebracht werden können. Dafür wird die obere Auflagenfläche aus der CAD-Konstruktion entnommen und nochmals mit dem 3-D-Druckverfahren angefertigt. Daraufhin werden die Sensoren mit Schrauben an der Platte befestigt und die Platte wird mit Kabelbindern mit der nun mittleren Auflagefläche verbunden (siehe Abb.?).
Die Rotoren haben bereits einen vordefinierten Platz und die dazugehörigen ESCs werden jeweils unterhalb des Drohnenarms mit Kabelbindern befestigt (siehe Abb.? und Abb.?).
Zum Schluss wird der Startknopf der Drohne neben dem Akku angebracht (siehe Abb.?), sodass kein Verletzungsrisiko besteht, sobald man die Drohne startet.
Durch die Zusammenführung der Komponenten entsteht eine vollwertige Drohne (siehe Abb. ?) deren Schwerpunkt sich im Zentrum befindet, die Komponenten leicht zugänglich sind und somit jederzeit ohne viel Aufwand ausgewechselt werden können.
Für den Softwareteil wird zusätzlich eine Sicherheitsplattform gebaut (siehe Abb. ?), die die Bewegungen der Drohne einschränken soll, falls diese nicht wie gewünscht reagiert.
Systemidentifikation
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Softwareentwicklung
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Tests & Vergleich der Regleransätze
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Ergebnis
Hardware
Die Zielsetzung zur Hardware wurde vollständig erfüllt. Es mag zwar klingen, dass eine 120€ teure Drohne keine „Low-Cost-Drohne“ ist, jedoch sollte bedacht werden, dass sich die Kosten der Drohne durch eine Massenfertigung deutlich reduzierten lassen. Des Weiteren wurde die Drohne so umgesetzt, dass sich einzelne Komponenten einfach austauschen lassen, falls diese beschädigt oder defekt sein sollten.
Software
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Zusammenfassung
Um eine gewisse Orientierung zu erhalten, wurde zunächst Recherche betrieben und der Projektablaufplan aufgestellt. Im Anschluss darauf gelang es die notwendigen Bauteile zu erfassen und zu bestellen. In der ersten Hauptphase wurde die Hardware anhand von recherchierten Unterlagen und eigener Ideen realisiert. Dafür gab es eigene Richtlinien die bei der Umsetzung zu beachten waren. In der zweiten Hauptphase ging es um die Entwicklung der Software.?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
Lessons Learned
Die Realisierung einer kostengünstigen Drohne stellte eine enorme Herausforderung dar. Dabei konnte und musste man bereits erlerntes Wissen mit neuen Erfahrungen kombinieren, während man durchgehend unter Zeitdruck stand. Das simuliert mehr oder weniger das Leben eines Ingenieurs wieder.
Im Detail:
- Teillösungen, mit einander kombinieren, aufeinander aufbauen und eigene Ideen einfließen lassen, um so eine neue Lösung zu erarbeiten
- Planung, wie die Hardware optimal umgesetzt werden kann
- Praktisches Arbeiten und Umgehen mit Werkzeugen z.B.: beim Sägen und Löten
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Projektunterlagen
YouTube Video
Weblinks
Literatur
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