QR1 - Quadcopter

Aug 2011

Ik ben in augustus 2011 samen met Stef van Itterzon begonnen aan het ontwikkelen en bouwen van onze eigen quadcopter. Een quadcopter is een vliegend voertuig die vier propellers gebruikt voor de lift en het sturen. Er zijn veel verschillende quadcopters te koop, compleet of als bouwpakket, maar de uitdaging zit hem in het zelf ontwikkelen en bouwen hiervan.

Als basis is er gekozen om vier motoren, vier regelaars en een aantal propellors bij de welbekende internet winkel HobbyKing te halen. De door ons gekozen componenten worden door veel anderen eveneens gebruikt, en blijken goed geschikt voor een Quadcopter.

Motor: hexTronik DT750 Brushless Outrunner 750kv
ESC: TURNIGY Basic 18A Speed Controller
Prop: 10X6 Propellers (Standard and Counter Rotating) (6pc)
Accu: Turnigy 3000mAh 3S 20C Lipo Pack

Voor het brein en de zintuigen zijn wij zelf bezig met het ontwerpen van een ‘moederbord’. Het hart van deze print zal een Atmel AtXmega128A3 microcontroller zijn. Deze controller heeft (standaard) een interne klok van 32Mhz, 128kb aan interne opslag en zes interne PWM uitgangen. Voor de sensoren hebben wij meerdere modules bij SparkFun besteld, namelijk de volgende:

Gyro: ITG-3200
Acceleratiesensor: adxl345
Druksensor: BMP085
Kompas: HMC6352

De gyro en acceleratiesensor zullen gebruikt worden voor het stabiliseren van de Quadcopter. We zullen gebruik maken van een PID loop als regelkring voor de aansturing. De druksensor wordt gebruikt om de hoogte van de Quadcopter te bepalen. We willen hem nog voorzien van een extra ultrasone sensor welke naar beneden gericht is, zodat tijdens de landing zeer nauwkeurig zijn hoogte te bepalen is. Het kompas zal in het begin niet gebruikt worden, maar zal later in combinatie met een GPS module autonome vluchten mogelijk maken. Mocht het blijken dat de gyro en acceleratiesensor te veel ruis of drift hebben, kan het kompas altijd gebruikt worden als alternatieve manier van ‘heading hold’

De besturing van de Quadcopter zal gebeuren met zelf geschreven software in Visual Studio 2010. Dit programma zal via een USB kabel en een USB > FT232 omvormer praten met een Xbee Pro zendmodule met een zendvermogen van 60mW. Het moederbord is eveneens voorzien van een Xbee Pro, en volgens de specificaties is deze link goed voor overdracht tot 1500m (line of sight). De Xbee Pro modules kunnen zowel zenden als ontvangen. De Quadcopter zal dus relevante informatie terug sturen naar de software. Hierbij moet men denken aan de LiPo cell voltage’s, de stroom, percentage gas per motor en hoogte.

Het frame zal eveneens van de grond af opgebouwd worden. Wij kwamen laatst in de Praxis een mooie kunststof ring tegen, een koppelstuk voor een afzuiginstallatie. Deze vonden wij een mooie vorm en de juiste maat hebben, waardoor wij besloten dit als middenstuk voor de Quadcopter te gebruiken. De rest van het frame is hier dus omheen ontworpen.

Het ontwerp

Ons doel was het frame, de basis, zo slank mogelijk te houden. Het moest er niet alleen goed uit zien, het moest functioneel zijn en uit praktisch oogpunt fabriceer baar blijven.

De bouw van het prototype

Nadat het ontwerp voltooid was, zijn wij begonnen met de bouw van de QR1 quadcopter. Om voorlopig de kostprijs wat te drukken zijn de twee prototypes gemaakt uit 2mm staalplaat, in tegenstelling tot het composietmateriaal wat in het ontwerp meegenomen is. Dit scheelt niet alleen in materiaalkosten, maar ook in de fabricagekosten. Hierdoor is het geheel wel 600 gram zwaarder dan wanneer het uit composietmateriaal gemaakt zou zijn. Echter zal dit geen probleem vormen tijdens de test vluchten, de quadcopter zal alleen meer stroom verbruiken.

De elektronica

De elektronica is ook geheel zelf ontwikkeld, al heeft Stef van Itterzon hier wel het meeste werk verricht. Zodra het schema en de printplaat lay-out in orde waren, hebben wij om te beginnen één print geëtst.

Board layout geprint op een transparante sheet. Vervolgens bewerkt met oost-indische inkt om hem donkerder te krijgen voor het belichtingsproces. Tijdens het belichten wordt een lichtgevoelige laat op de printplaat aangetast door de ultraviolet licht stralen uit de belichtingsbak. Echter, door de bedrukking op de transparante sheet blijven sommige stukken onaangetast.

Vervolgens wordt de print ontwikkeld. De lichtgevoelige laag welke bloot gesteld is aan ultraviolet licht wordt door dit chemische goedje opgelost, de rest blijft staan.

Nu gaat de print in het etsmiddel. Dit is een chemisch goedje welke koper en andere ijzers ‘oplost’. Als de lichtgevoelige beschermlaag door het ontwikkelaar opgelost is, wordt op die plek ook het koper van de print opgelost. Daar waar de print niet belicht is, zit nog een bescherm laag, en daar zal het koper blijven zitten.

Na het etsen is de print op maat gezaagd, en zijn de gaten doorgeboord. Helaas was de boor erg bot, waardoor deze lelijke bramen achter liet.

Vervolgens kon de print gesoldeerd worden. Er is begonnen met de AtXmega128 microchip. Een kleine SMD chip met 64 poten, welke allemaal kortsluitingsvrij gesoldeerd moeten worden.

De testopstelling

Na het maken van de elektronica was het noodzakelijk een testopstelling te maken voor de quadcopter. Het programma werd van de grond af aan opgebouwd, en dit gebeurd door simpelweg te testen. Er is dus een standaard gemaakt waar de quadcopter ingeklemd wordt, hij kan hierdoor niet opstijgen, maar wel over één van zijn assen kantelen.

De voortgang

Er wordt nog druk aan deze quadcopter gewerkt, kom gerust later terug om te kijken of er meer informatie geplaatst is.