Der Nano-Quadrocopter

Oder mit minimaler Anzahl an Bauteilen in die Luft – Update 18. April 2013

Einen Quadrocopter kennen vielleicht viele von euch, aber kennt ihr auch einen Nano-Quadrocopter, der nur aus einer einzigen Platine und aus vier Motoren besteht? Wahrscheinlich eher nicht :) Die Idee ist nicht ganz neu und auch nicht meine eigene, trotzdem ist dieser Quadrocopter eine Selbstentwicklung von mir. Der Schaltplan, das Layout, die Lötarbeit und letztendlich die Software; eben alles was dazugehört.

Mein Ziel war es mit möglichst geringem Aufwand und mit sehr wenigen Bauteilen einen Low-Budget Quadrocopter zu bauen, der seinen großen Brüdern in nichts nachsteht. Im Verlauf des Projekts stellte es sich dann allerdings heraus, dass ich mich mit den Ausgaben ein bisschen verschätzt hatte. Es summierte sich im Laufe der Entwicklung schon so einiges auf, was auch daran lag, dass ich mir für dieses Projekt einen Programmier- und Debug-Adapter kaufen musste um eine Möglichkeit zu haben schnell und effizient Fehler im Programmcode zu finden.
Das teuerste Bauteil ist der 4x4mm große Beschleunigungs- und Gyrosensor mit 25€, dementsprechend groß war die Anspannung, als ich die 24 haarfeinen Lötpins des QFN-Gehäuses verlötet habe.

Mit meinem Quadrocopter-Projekt habe ich im Juni 2012 angefangen, als ich ein paar spektakuläre Videos von diversen Quadrocoptern auf Youtube gesehen habe. Hier zum Beispiel ein kleines Video von Nanocoptern, die die Titelmelodie zu James Bond spielen:

Ab da ging es mit dem Projekt langsam aber stetig voran. Ich schaute mich bei ebay nach einem geeigneten RC-Sender und Empfänger um und machte die ersten Entwürfe für die Schaltung. Währenddessen erkundigte ich mich in unterschiedlichen Foren oder bei verschiedenen Webseiten über schon bestehende Quadrocopter-Projekte.

RC-Line Forum
Pi’s Website
Shrediquette
Harald Sattler

Dumm nur, dass mir kein Projekt, bei dem sowohl Software als auch Hardware frei zugänglich war, so richtig auf Anhieb gefiel. Und Projekte, die ich richtig cool fand und bei denen mir auch das Layout und die Einfachheit des Quadros gefielen, waren leider kommerziell, weshalb der Schaltplan und das Platinenlayout nicht für jedermann verfügbar waren.
Also musste der Eigenbau her.

Ich entschied mich für einen 32MHz ATxMega-Prozessor und den Beschleunigungssensor MPU6050 von Invensense, der zwar nicht ganz billig war, aber sehr gute Ergebnisse liefert. Normalerweise wird dieser Beschleunigungs- und Gyrosensor in Smartphones oder Navigationssystemen eingebaut.

Die Eckdaten des Nanocopters im Überblick:
- ATxMega32A4U, 32MHz (er kann alles was das Mikrokontrollerherz begehrt ;))
- MPU6050, 2000 deg/sec Samplingrate
- 340mAh Lion Akku, damit erwartete Flugdauer von etwa 8min
- 4 Miniatur Bürstenmotoren aus Ersatzteilen von einem kommerziellen Nanocopter (Walkera Lady Bird)

Nach vielen, vielen Arbeitsstunden am Computer stellte ich den Schaltplan und das Layout fertig.

Layout des Nano-Quadrocopters

Layout des Nano-Quadrocopters

Die Firma Seeedstudio stellte die PCB Platinen innerhalb eines Monats her, weshalb ich viel Zeit hatte in Ruhe die benötigten Bauteile bei Digikey zu bestellen. Als mir nach etlichen Anlaufschwierigkeiten endlich die Bauteile geschickt wurden, konnte ich den Nanocopter nach meinen Fertigungsplänen zusammenlöten.
Das Ergebnis sieht denke ich ganz passabel aus:

Als nächstes wurden die ersten Versuche gestartet für dieses Ding eine Software zu schreiben. Eine I2C Kommunikation zwischen Mikrocontroller und IMU (Beschleunigungs- und Gyrosensor MPU6050) musste aufgebaut, die Motoren über PWM angesteuert und eine PID Regelschleife programmiert werden. Alles nicht so einfach, wie ich mir das am Anfang vorgestellt hatte, aber das folgende Video zeigt, dass mein Projekt doch sehr vielversprechend ist:

In den nächsten Tagen muss ich noch den Empfänger auf den Nanocopter montieren und das Programm für den Empfang der Empfängerdaten erweitern. Wenn alles gut geht, dürfte der Nanocopter in wenigen Wochen flugbereit sein :)
(Aber ich kenne diesen Satz langsam von mir, und aus den Wochen werden Monate…)

Sobald die Software fertig ist, werde ich sie hier veröffentlichen, da ich mich mit der Software nahe an ein schon bestehendes Quadrocopterprojekt (MultiWii) gehalten habe, das ebenfalls unter der GNU-Lizenz steht.

Update 18. April 2013
Endlich! Die Software womit ich auf die Daten meines Nanocopters zugreifen kann funktioniert!

Es war ein langer Weg bis zu dieser Software, vor allem weil ich mich bisher nicht mit Cocoa und Objective-C auskannte. Wie im Video zu sehen ist, werden die Winkel der Nick- und Rollachse auf einem Graph ausgegeben. Die Videoqualität ist zwar nicht so gut, aber ich glaube man erkennt so einigermaßen, was die Software macht. Geplant ist in nächster Zeit die Software für weitere wichtige Daten zu erweitern. Schlussendlich möchte ich mit der Software die PID-Reglerwerte für meinen Quadrocopter genau einstellen können.

Auf in die zweite Runde!

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Veröffentlicht am Oktober 8, 2012 in Elektronik, Nano Quadrocopter und mit , , , , , , , , , , , , , , getaggt. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink. 9 Kommentare.

  1. Hm, Fliegen sollte das dann aber auch können, ohne dass man mit dem Finger stabilisieren muss, oder?
    Sieht aber schon hübsch aus, du bist ja extrem fleißig bei allem dabei. Wie ich unten sehe, läuft auch das Fusionskraftwerk noch.
    Übrigens – wenn du nicht alles auf der Startseite angezeigt haben willst, muss du in das Textfenster des Editors den Befehl
    <!–more –>
    eingeben. Meiner Meinung nach sieht das in der Weise besser aus.

    • Hey Martin :) Danke für deinen Kommentar!
      Ne, nachher beim Flug muss ich ihn nicht mehr mit dem Finger stabilisieren :) das mach ich im Video ja auch nur um zu zeigen, dass er wieder in seine Ruhelage zurückkehrt. Die Lagestabilisierung funktioniert also.
      Danke für deinen Tipp, das werde ich bei nächster Gelegenheit ausprobieren.

  2. Das mit der James Bond Titelmelodie finde ich ja einfach nur klasse. Bemerkenswert was man mit mit diesen kleinen Fluggeräten alles machen kann. Die Anwendungsbereiche sind ja schier unendlich. Irgenwie scheinen die Qadrocopter in Moment überall Präsent zu sein, sogar in den
    “Nachrichten” wurde über sie berichtet. Ein Wunderwerk der Technik :)

  3. Hallo,

    dein QDC ist wirklich Klasse! Bin wirklich gespannt welche Miniaturisierung mann noch in diesem Bereich erreichen kann. Ich baue jetzt zwar keinen QDC, aber benutze auch ein XMega (genau den 16A4) und den MPU6050 in meinen Projekt. Hast du den eingebauten DMP vom MPU6050 benutzt, oder die Rawdaten gefiltert und berechnet? Ich habe leider zur Zeit Probleme den MCU mit den Sensor durch I2C zu kommunizieren. Die Daten kann Ich ohne Probleme vom Sensor ablesen aber das DMP Firmware zum MPU6050 zu schicken geht es leider nicht. Ich denke, dass ich etwas falsch in den I2C Funktionen geschrieben habe. Benutzt du TWI mit Polling oder Interrupts? Jeder Hinweis von dir wird mich sehr freuen! :)

    Alles gute!

    P.S.: Ist deiner QDC Code irgendwo zu sehen?

    • Hallo Jakob!
      Danke für deinen netten Kommentar. Ich hab dir gerade eine (längere) eMail geschrieben mit einigen Codeschnipseln, die für dich relevant sein könnten. Lass es mich wissen, ob du damit weiterkommst und ob damit dein Problem gelöst wird.
      Beste Grüße
      Matthias

  4. Ich bin total fasziniert was diese kleinen Minidronen alles können. Wahnsinn.

  5. Hallo Matthias,

    Dein Projekt ist ja genauso der Wahnsinn wie die kleinen Kopter, die die Titelmelodie von 007 spielen. Wirklich sehr sehr spannend zu verfolgen, was Du da geschaffen hast. Großer Respekt!

    Viele Grüße
    Marc

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