Hexakopter XL V2

Hexakopter XL

Hexakopter XL

Der Hexakopter XL entstand mit dem Ziel, eine digitale Spiegelreflexkamera mit hochwertigem Objektiv in die Luft zu bringen und mindestens 6 – 7 Minuten Flugzeit mit einem 4S Akku zu erreichen. Der Kopter sollte zudem dem über eine (einfache) Kamerastabilisierung für die Roll- und Nickachse verfügen und autonom Höhe und Position in der Luft halten können. Natürlich ist es auch notwendig, die Kamera um bis zu 90 Grad nach unten zu neigen.

Der Kopter besteht aus zwei durch eine Entkoppelung voneinander getrennte Baugruppen: Frame und Gimbal.

Der Frame

Der Rahmen des Hexakopter XL besteht fast ausschließlich aus CFK und POM. Im Grunde handelt es sich um zwei runde CFK-Platten mit diversen Aussparungen zur besseren Kabelverlegung und Gewichtsreduzierung. Dazwischen befinden sich Schellen aus POM-Kunststoff, jeweils zwei klemmen dabei ein CFK-Rohr mit 22 mm Außendurchmesser. Die CFK-Rohre werden dabei mithilfe von Gewindestiften zusätzlich auf Position gehalten und gegen Verdrehen gesichert. Zum Schutz der Komponenten und für eine bessere Optik ist eine Kuppel montiert. Sie wurde aus 0,5 mm starkem PET-G tiefgezogen und anschließend mit schwarzer Lexanfarbe von innen lackiert.

Am äußerden Ende jedes Auslegers wird mit je zwei POM-Schellen eine Motorplatte befestigt, diese ist ebenfalls mit einem Gewindestift gesichert. Für den Auftrieb sorgen Hacker A30-18L UAV Motoren mit XOAR 14×7 Zoll Precision Pair Propellern, angesteuert von Mystery 40A ESCs. Die Drehzahlsteller wurde nachträglich mit einer für Multikopter optimierten Firmware mit sogenanntem Active Freewheeling bespielt. Active Freewheeling, oder auch Synchronous Rectification bedeutet, dass der Steller jederzeit die exakte Kontrolle über die Motordrehzahl hat und diese im Gegensatz zum konventionellen ESC auch definiert durch Abbremsen verringern kann. Somit kann ein stabileres Flugverhalten gerade bei großen Luftschrauben erreicht werden. Ich verwende hier die WiiESC-Firmware, da mir diese in einigen Details besser gefällt als das Pendant von SimonK.

Hexakopter Elektronik

Im Zentrum der CFK-Platten sitzt eine Verteilerplatine, mit der alle ESCs, die FlightControl, sowie ein eigenes BEC für die Gimbalservos mit Strom versorgt werden. Zwischen der  Platine und der Steckverbindung zum Akku wurde noch ein Unisens-E – Modul verbaut. Das Modul ist perfekt für Multikopter, es misst u.a. Strom, Spannung, verbrauchte Kapazität, Temperatur und Flughöhe und stellt diese der Jeti-Telemetrie zur Verfügung. Eine tolle Sache, da man nur noch ein Modul für alle wichtigen Parameter braucht.

Eine Etage höher wurden auf einer zusätzlichen Platte die Komponenten der Wookong-M von DJI sowie ein Jeti-R9 Empfänger montiert. Die Wookong-M ist meiner Meinung nach einer der zuverlässigsten und mit am einfachsten einzustellenden FlightControls auf dem Markt. Die Steuerung arbeitet u.a. mit einem Luftdrucksensor für das Halten der Flughöhe sowie einer GPS-Antenne, die zusammen mit einem 3-Achs-Kompass für das Halten der Position in der Luft zuständig ist. Durch einen ausgeklügelten Algorithmus funktioniert dies erstaunlich gut, sodass man den Kopter problemlos in der Luft “parken” und sich auf die Ausrichtung der Kamera konzentrieren kann.

Hexakopter Wookong-M

Hexakopter Wookong-M

Auf den Bildern ist zudem eine kleine selbstgeätze Platine zu sehen. Diese ist nichts anderes als ein kleiner vom Empfänger angesteuerter Fernauslöser für die Kamera. Ein Microcontroller wertet das PWM-Signal vom Empfänger aus und schaltet je nach Schalterposition erst einen (Scharfstellen), dann den zweiten (Auslösen) Transistor. In der Praxis hat sich gezeigt, dass man die besten Ergebnisse sowieso mit manuellem Fokus auf “Unendlich” erzielen kann.

Damit kommen wir auch schon zum Kameragimbal. Dieses ist mit vier Gummipuffern vom Rahmen entkoppelt. Die Gummipuffer sind dabei auf Druck gelagert, da sie auf diese Weise eine wesentliche bessere Wirkung haben als auf Zug.

 

Das Gimbal

Hexakopter Gimbal

Hexakopter Gimbal

Auch das Gimbal besteht zum Großteil aus CFK, hier sind allerdings noch einige Aluminium-Drehteile verbaut.

Die Kamera ist an einer Art Wippe so aufgehängt, sodass sie sich exakt im Schwerpunkt befindet. Die Montageplatte für die Kamera wurde nocheinmal mit vier Gummipuffern entkoppelt, damit wirklich die letzten kleinen Vibrationen vom Frame eliminiert werden. Das Schwenken der Wippe übernimmt ein Savöx Digitalservo über eine mit Riemenantrieb realisierte Untersetzung. Um auch die gewünschte Position anfahren zu können, wurde das interne Poti im Servo durch ein externes Zehngangpotentiometer mit entsprechender Untersetzung ersetzt.

Auch die Rollachse wird mit einem durch ein mit Riemen untersetzes Savöx Digitalservo angetrieben. Hier arbeitet ebenfalls ein Zehngangpoti, das direkt vom Riemen angetrieben wird. Präziser geht die mechanische Ansteuerung fast nicht mehr. Die Auslenkung der Rollachse erfolgt über einen symmetrischen Bogen, der unten durch jeweils vier Bundkugellager exakt geführt wird. Somit ist eine absolut spielfreie und leichtgängige Ausgleichsbewegung gewährleistet.

Hexakopter XLBeide Servos werden direkt von der FlightControl angesteuert, die Wookong-M bietet hierfür mit ihrer integrierten Gimbalansteuerung perfekte Vorraussetzungen. Für die Stromversorgung habe ich ein zusätzliches BEC, also einen 5V Festspannungsregler verbaut, das ausschließlich die beiden Servos versorgt. Der Hauptgrund dafür ist die höhere Betriebssicherheit. Sollte ein Servo versagen, brennt im schlimmsten Fall das BEC durch, die FlightControl wird davon nicht beeinträchtigt.

Auch für den Videotransmitter, der das Livebild der Kamera zur Bodenstation funkt, gibt es einen 12V – Festspannungsregler, der direkt vom Flugakku gespeist wird. Damit wird eine konstante Stromversorgung und somit ein zuverlässiges Videobild auf dem Monitor der Bodenstation erreicht.

Die Akkuhalterung wurde ebenfalls direkt am Gimbal angebracht. Dies hat neben der besseren Erreichbarkeit für den Akkuwechsel auch noch den Vorteil, dass mehr Masse am Gimbal montiert ist. Massenträgheit macht es den feinen Vibrationen, die selbst bei perfekt gewuchteten Propellern und Motoren noch entstehen können extrem schwer sich bemerkbar zu machen.

Hexakopter GimbalFür die Stromversorgung kommen Hacker Eco-X 4S-Akkupacks mit einer Kapazität von 5.000 oder 5.800 mAh zum Einsatz. Diese kommen perfekt mit den Dauerströmen im Kopter zurecht und halten ihre Spannungslage sehr gut, was widerrum für lange sorgenfreie Flugzeit sorgt. Meist ist meine Canon EOS-550D Kamera mit Canon EF-S 10-22mm 1:3,5-4,5 Objektiv montiert. Trotz dieser nicht gerade leichten Kombo sind damit Flugzeiten von etwa 6 – 7 Minuten bei 20% Restkapazität im Akku problemlos möglich. Meiner Erfahrung nach wird mehr beim Fotografieren auch in den seltensten Fällen benötigt.

Zusammen mit der Jeti – Telemetrie, mit der jederzeit alle aktuellen Flugparameter abgerufen werden können ist der Kopter das perfekte Einsatzgerät für hochwertige Luftbilder. Dank der Wookong-M steht er auch bei Wind stabil in der Luft und kann zum Ausrichten der Kamera (Blick auf die Bodenstation) auch bedenkenlos “geparkt” werden. Die Kamerastabilisierung mit der Wookong funktioniert sehr gut und ist zum Fotografieren vollkommen ausreichend.

 

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