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. Das geregelte Schweben der Drohne auf einer bestimmten Höhe stellt ebenfalls ein Ziel dar.

Projektplan

Das Projekt „Low-Cost-Drohne“ sollte in einer Zeitspanne von 16 Wochen realisiert werden. Um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten, wurde das Projekt in folgende Projektschritte gegliedert, die in bestimmten Zeitspannen zu bewältigen waren. Daraus resultierte der Projektplan (siehe Abbildung ?).

Kurze Bildbeschreibung

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.

Tabelle ß: Verwendete Komponenten

Anzahl	Bauteilbezeichnung	Link	letzter Zugriff
1	Arduino Uno R3	https://www.amazon.de/gp/product/B006H06TVG/ref=oh_aui_search_asin_title?ie=UTF8&psc=1	14.01.2019
1	HC-SR04 Ultraschallsensor	https://eckstein-shop.de/HC-SR04-Abstandsmessung-Ultraschall-Ultrasonic-Sensor-Module	14.01.2019
1	MPU-6050 Gyroskop Beschleunigungssensor	https://www.ebay.de/itm/GY-521-MPU-6050-Gyroskop-Beschleunigungssensor-3-Achsen-Raspberry-Pi-Arduino/162449468153?hash=item25d2be2af9:g:fdcAAOSwxtVcL0g2:rk:2:pf:1&frcectupt=true	14.01.2019
2	Brushless Motor CW	https://hobbyking.com/de_de/brushless-motor-d2205-2300kv-cw.html	14.01.2019
2	Brushless Motor CCW	https://hobbyking.com/de_de/brushless-motor-d2205-2300kv-ccw.html?wrh_pdp=7	14.01.2019
1	Lipo-Akku	https://www.amazon.de/gp/product/B071GNHDC2/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o00__o00_s00?ie=UTF8&psc=1	14.01.2019
1	Rotoren-Pack	https://hobbyking.com/de_de/kingkong-5045-black.html	14.01.2019
4	Afro Mini	https://hobbyking.com/de_de/afro-30a-race-spec-mini-esc-w-bec.html	14.01.2019
1	XT60 Stecker (male) Anschlusskabel für LiPo, Quadrocopter	https://www.ebay.de/itm/XT60-Stecker-male-3-5-mm-mit-10-cm-Anschlusskabel-fur-LiPo-Quadrocopter/273090940709?hash=item3f957d0f25:g:t24AAOSw4zdcNzYc:rk:1:pf:1&frcectupt=true	14.01.2019
1	Ladekabel XT60 für Lipo Akku	https://www.ebay.de/itm/Ladekabel-4mm-Bananenstecker-Goldstecker-XT60-Gold-Stecker-Lipo-Akku-30-37cm/321786509309?hash=item4aebf877fd:g:sEoAAOSw~gRVhZJY:rk:1:pf:1&frcectupt=true	14.01.2019
1	USB-Platte	Globus Baumarkt, Lippstadt	-
4	Schraubhacken	Globus Baumarkt, Lippstadt	-
4	Ketten	Globus Baumarkt, Lippstadt	-
4	Low-Cost-Karabiner	Globus Baumarkt, Lippstadt	-

Projektdurchführung

Recherche

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 ergaben sich mehrere Lösungen zur Realisierung der Drohne, jedoch war keine der Lösungen für sich überzeugend. Aus diesem Grund wurden Teilbereiche aus den Lösungen entnommen und zu einem individuellen Realisierungsplan verknüpft. Als Grundlage und gleichzeitig Inspiration diente uns dabei das Youtube-Video.

Entwurf der Drohne

Kurze Bildbeschreibung

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 verwendet, bei der die Größenverhältnisse anzupassen sind, da:

1. der 3-D-Drucker nur einen begrenzten Druckraum besitzt, weswegen die Gesamtkonstruktion verkleinert werden muss und
2. 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 min. 2cm messen kann. Aus diesem Grund werden längere Standbeine benötigt, die aus einer weiteren CAD Konstruktion entnommen und auf unserer Konstruktion angepasst werden. Das Ergebnis ist die CAD-Konstruktion in der Abb.???.

Systemidentifikation

Dr. Angela Merkel, CDU/CSU – Biografie. Website des Deutschen Bundestags. Abgerufen am 6. Januar 2019.</ref>

Literatur

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