Projekt 86: Low-Cost-Drohne mit Ardunio

Aus HSHL Mechatronik
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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, wurde das Projekt in folgende Projektschritte gegliedert, die in bestimmten Zeitspannen zu bewältigen waren. Daraus resultierte der Projektplan (siehe Abbildung ?).

Kurze Bildbeschreibung
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 -

Kosten der Drohne

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

Abb.? Drohne CAD-Konstruktion
Abb.? Fertigung des Drohnengerüsts




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 mindestens 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.???.

Realisierung des Aufbaus

Für die Realisierungsphase wird das Drohnengerüst benötigt. Dafür wird die Drohne in der CAD-Konstruktion in ihre Einzelkomponenten zerlegt, was die Hilfsstrukturen im Druckverfahren reduziert. Das sorgt zusätzlich zur Kürzung der Fertigungszeit. Sind die Einzelteile fertig, so werden die Komponenten von der Hilfstruktur befreit und geschliffen. Im letzten Schritt werden die Komponenten zu einer Drohne zusammengeschraubt (siehe Abb. ?). In der Realisierungsphase, werden vorerst einige Richtlinien bzw. Punkte für den Zusammenbau aufgestellt, die dabei helfen sollen, die Drohne direkt beim ersten Versuch so zusammen zu bauen, dass weitere Veränderungen vorgebeugt werden.
Richtlinien:

  • Die Komponenten wie der Arduino, der Lipo-Akku und die Sensoren so anordnen, dass sich der Gewichtsschwerpunkt in der Mitte der Drohne befindet
    • Rotoren haben dadurch in etwa die selbe Belastung
    • Vorteil wenn Sensoren sich zentral an der Drohne befinden (für die Bestimmung der Drohnenlage, für die Messung von Abstand zum Boden)
  • Verkabelung kurz halten (sieht ordentlich aus und keine Gefahr das diese in die Rotoren geraten)
  • Komponenten so anbringen, dass diese schnell und problemlos ausgetauscht werden können

Systemidentifikation

Softwareentwicklung

Tests & Vergleich der Regleransätze

Ergebnis

Zusammenfassung

Lessons Learned

Projektunterlagen

YouTube Video

Weblinks

Literatur

  1. How to build the YMFC-32 GPS hold quadcopter - With free Arduino code and schematics: [1]. Stand 16. Januar 2019.


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