Noktokopter

Der „Noktokopter“ ist eine Trägerplattform für eine GoPro Hero 3 . Verbaut ist eine Naza V2 mit iOS mini, acht MN1806 mit 2300 KV und UltraESCs und das Simple BLG von „Alex Moss“. Ferngesteuert wird der Noktokopter mit der DS-16 von JETI model.

Am Anfang stand die Idee, einen am Nanoquad angelehnten Oktokopter zu bauen, der allerdings in der Lage sein sollte, eine GoPro mitsamt Brushless-Gimbal tragen zu können. Es stellte sich allerdings schon im Entwurfsstadium nach ersten Gewichtskalkulationen heraus, dass die MT3106, die beim Nanoquad eingesetzt werden, nicht genügend Leistung haben. Selbst wenn jedes überflüssige Gramm vermieden wurde, war ein Gesamtgewicht von 800 g zu erwarten, wobei mit 5×3-Propellern nur etwa 1000 Gramm Schub zu erwarten waren. Mit 6-Zoll-Propellern wäre zwar ein Schub von 1400 g möglich gewesen, allerdings nicht ohne die Ausleger zu verlängern, was wiederum nicht ohne Überarbeitung der Centerplates möglich gewesen wäre, so dass sich in der Folge auch wieder das Gewicht erhöht hätte.

Daher werden stattdessen MN1806 mit 2300 KV eingesetzt, die mit den gleichen Propellern doppelt so viel Schub erzeugen und definitiv ausreichende Leistungsreserven haben werden.¹⁾ Der Rahmen soll für Propeller mit sechs Zoll Durchmesser ausgelegt werden.

Im Unterschied zu der ursprünglichen Idee, den Noktokopter eine Naze 32 zu spendieren, habe ich mich entschiedenen eine Naza V2 zu verbauen. Da die Naza V2 ziemlich groß ist, der Noktokoper aber klein bleiben soll, ist die Konstruktion des Rahmens eine Herausforderung. Dennoch spricht die gute Höhen- und GPS-Regelung für die Naza V2.

Alle Angaben auf dieser Seite sind vorläufig und werden ständig aktualisiert. Es handelt sich um ein laufendes Projekt.

Damit der Noktokopter gut steuerbar ist und lang in der Luft bleiben kann, sollte das Gesamtgewicht möglichst gering sein. Die vorgesehenen Motoren haben an 3S einen Maximalschub von über 4500 g und damit das mehr als 2,5-fache des Startgewichts.

• CFK-Platte, 1,5 mm: 0,25 g/qcm
• CFK-Platte, 1 mm: 17 g/qcm
• CFK-Rohr, 12 mm x 10 mm: 46 g/m

Die Ausleger sollen aus 12 mm dicken CFK-Rohren mit 1 mm Wandstärke aufgebaut werden.

• Gewicht pro Meter: 46 g
• Acht Ausleger wiegen etwa 70 g

Die Rohrschellen werden aus POM gefräst.

• Gewicht pro Paar: ca. 1,25 g
• 32 Rohrschellenpaare wiegen etwa 40 g (gemessen)

Die obere Centerplate wird aus 1 mm dickem CFK gefertigt, die untere aus 1,5 mm dickem Material.

• Annahmne: 6,6 cm Duchmesser = ca. 133 qcm x 0,25 = 33 g
• Zwei Centerplates wiegen etwa 70 g

Die Motorhalter sollen aus 1 mm starkem CFK gefertigt werden.

• 8 Motorhalter werden etwa 20 g wiegen.

Die Elektronik wird von einer Acrylglashalbschale geschützt, die etwa 15 g wiegt.

• 64 Muttern wiegen 24 g (gewogen)
• 64 Schrauben wiegen etwa 53 g (gewogen)

Auf dieser Grundlage dürfte der Rahmen etwa 350 g wiegen.

Das Gewicht weiterer Komponenten ist bekannt oder kann geschätzt werden. Daraus ergibt sich die folgende Kalkulation:

(Achtung: Die Angaben werden laufend aktualisiert. Da bei kleineren Änderungen nicht alle Summen korrigiert werden können - hoffentlich nur kleinere - Inkonsistenzen die Folge sein.)

• Rahmen: 350 g
• 8 x T-Motor MN1806 2300KV inkl. Schrauben à 20 g = 160 g
• 8 x UltraESC 20 A, eingeschrumpft à 7 g = 56 g
• 8 x T-Motor Carbon Fiber Prop 6×2 à 2 g = 16 g
• Naza V2 (inkl. GPS, PMU, LED, Kabel) = 110 g (gemessen)
• iOSD, 5,8 GHz-Sender (inkl. Antenne) = 40 g (gemessen)
• Jeti Duplex R7 = 10 g
• Step-Down-Spannungswandler = 3 g
• Stromverteiler = 3 g (geschätzt)

Zwischensumme: 750 g

• Kleinteile (Kabel, Stecker, Klettband, LEDs, Schrauben): 100 g (geschätzt)

Gesamt ohne Lipo: 850 g

Das Landegestell mit dem Gimbal und mit GoPro Hero 3 wird etwa 350 g wiegen. Den Strom liefern zwei S3-Lipo mit jeweils 3200 mAh, die etwa 550 g auf die Waage bringen. Insgesamt wird der Noktokopter also ca. 1700 g wiegen wird.

Soweit die Flugzeit mit eCalc berchnet werden kann (der MN1806 ist noch nicht in der Datenbank erfasst) liegt die Flugzeit bei einem Gewicht von 1300 g und 5000 mAh bei etwas über 14 Minuten. Bei 1700 g und 6400 mAh sollten es ca. 12 Minuten sein.

Um jederzeit die Orientierung des Noktokopters vom Boden aus erkennen zu können, werden verschiedene LEDs angebracht:

• Je zwei Nichia Superflux in verschiedenen Farben an der Unterseite der Motorhalterungen,
• acht Nichia Superflux in weiß als Frontbeleuchtung und
• acht Nichia Superflux in rot als Rückbeleuchtung.

Die LEDs an den vorderen und hinteren beiden Auslegern werden über eine Aurora LCU angesteuert.

An den Auslegerenden werden jeweils zwei LEDs montiert.

Betriebsspannungen:

• Nichia Superflux, weiß: 3,2 V
• Nichia Superflux, grün: 3,5 V
• Nichia Superflux, rot: 2,5 V

Nun geht es darum die LEDs so zu kombinieren, dass man mit möglichst wenig Spannungsreglern und Vorwiderständen auskommt.

• Pololu Step-Down Voltage Regulator D24V6ALV: Rote LEDs an Auslegerenden und Rückbeleuchtung: 2 x 2,5 V = 5 V (2 Kreise parallel)
• Pololu Step-Down Voltage Regulator D24V6ALV: Grüne LEDs an Auslegerenden: 2 x 3,5 V = 7 V (2 Kreise parallel)
• Pololu Step-Down Voltage Regulator D24V6ALV: Blitzer: 2 x 3,2 = 6,4 V (4 Kreise parallel an Aurora LCU)
• Pololu Adjustable Boost Regulator 4-25V: Frontbeleuchtung: 4 x 3,2 V = 12,8 V (2 Kreise parallel)
• Pololu Adjustable Boost Regulator 4-25V: Rückbeleuchtung: 8 x 2.5 V = 20 V

Um das Gewicht des Noktokopters möglichst gering zu halten, sollen nur die absolut notwendigen Kabelquerschnitte verwendet werden. Das betrifft insbesondere die Kabel zu den Reglern, weil das a) 16, b) verhältnismäßig lange Kabel sind, die c) recht viel Strom leiten müssen.

• Plus und GND zu den Reglern: 0,5 qmm
• Verlängerung der Motorkabel: 0,5 qmm
• Steuerleitungen zu den Reglern: 0,14 qmm, verbunden werden Masse und die Steuerleitung

Es müssen acht Brushless-Regler miteinander verbunden werden. Außerdem muss die der Jeti Duplex Spannungsmesser, die Spannungsregler etc. angeschlossen werden. Um die vielen Kabel zu verbinden wird eine kleine Stromverteilerplatine verbaut (30,5 mm Lochabstand).

Die Motorhalterungen sind fertig konstruiert. Die obere Platte wird aus CFK, die untere Platte wird aus GFK gefertigt, um zwei Nichia Superflux-LEDs aufzunehmen. Durch die um 90° zueinander verdrehte Montage können die Nichia Superflux ohne großen Aufwand in Reihe geschaltet werden.²⁾

Die Motorachsen liegen auf einem Kreis mit 234 mm Radius. Die Ausleger stehen jeweils 16 mm über die Motorachsen über und beschreiben daher einen Kreis mit 250 mm Radius. Die vorderen und hinteren Ausleger müssen dann 210 mm lang sein, die seitlichen 220 mm.

Die Rohrschellen sind aus schwarzem POM gefräst. Gegenüber Schellen aus CFK dämpft dieses Material hochfrequente Schwingungen. Das erscheint mir insbesondere auch aufgrund der hohen Drehzahl der T-Motor MN1806 2300KV sinnvoll. Die Kanten der halbkreisförmigen Aufnahmen für die Auslegerrohre sind angefast, um auch bei stärkeren Vibrationen die Oberfläche der Auslegerrohre nicht zu beschädigen. Der Lochabstand beträgt 15,5 mm und nimmt Schrauben M 2,5 auf.

Die obere und die untere Centerplate sind fertig. Die Aussparung in der oberen Centerplate lässt Platz für die Naza V2, die auf einer mit Gummipuffern gedämpften Platte ca. 5 mm über der unteren Centerplate schwebt. Der Empfänger (Jeti Duplex R7) wird über der Naza V2 installiert. Naza V2 und Empfänger werden von einer Acrylglashaube geschützt. Die untere Centerplate hat eine Aussparung für ein Stromverteilerboard. Von unten werden die Regler für die Motoren sternförmig und das PMU hinter dem Stromverteilerboard montiert. Die Centerplates werden aus 1 mm (oben) bzw. 1,5 mm (unten) starkem CFK gefertigt.

Von der oberen Centerplate wird eine Plattform für die Naza V2 mit vier acht Millimeter hohen Gummidämpfern abgehängt, um die gröbsten Vibrationen zu dämpfen. Die Naza V2 wird mit doppelseitigem Klebeband befestigt. Außerdem werden vier Abstandhalter aus Kunststoff eingeschraubt, die wiederum die Plattform für den Jeti-Duplex-R7-Empfänger tragen.

Unter der unteren Centerplate werden die beiden Lipos und die Kamerahalterung befestigt. Die gesamte Konstruktion wird mit vier 15 Millimeter langen Gummidämpfern von dem oberen Teil des Rahmen getrennt. Der untere Teil des Rahmens besteht ebenfalls aus zwei Plattformen, die durch Abstandhalter zusammengehalten werden. Seitliche Bewegungen werden von einer Spantenkonstruktion aufgenommen, die gleichzeitig Befestigungsmöglichkeiten für die Gimbal-Elekronik und den Videosender zur Verfügung stellen.

Eine wesentliche Funktion der unteren Rahmenkonstruktion ist ein Klappmechanismus für das Auslegerrohr für das Gimbal. Der Ausleger kann um 90° geklappt werden. In den beiden Endstellungen wird das Auslegerrohr von jeweils einer Schnappschelle arretiert. Eingeklappt lässt sich der Noktokopter dadurch leicht transportieren, ausgeklappt befindet sich die GoPro so weit unter dem Rahmen, dass dieser nur in Ausnahmesituationen (starker Wind, heftige Steuerungsmanöver) in den Bildausschnitt ragt.

Längsseits der unteren Rahmenkonstruktion werden zwei Lipos mit jeweils etwa 3000 mAh befestigt. Die Lipos werden jeweils mit zwei Klettbändern an einer Halterung befestigt, die wiederum zwischen eine obere und untere Halterung eingespannt ist. Die Funktion der oberen Halterung besteht vor allem darin, die Elkos der Motorregler zu schützen. Die untere Halterung erleichtern vor allem die Befestigung der Lipos. Außerdem haben sie eine Markierung, die die optimale Justierung der Lipos erleichtert.

Die primäre Anwendung für den Noktokopter sind Luftbilder mit einer GoPro Hero 3. Bei der Konstruktion des Gimbals für diese Anwendung kann ich von den Erfahrungen profitieren, die ich mit dem Gimbal für den MK Y6 600 sammeln konnte. Mit 220 g (inklusive Kamera) ist dieses Gimbal relativ leicht. Neben der Kamera (80 g) fallen insbesondere die beiden Brushless-Motoren mit jeweils 38 g ins Gewicht.

Damit der Bildausschnitt nicht übermäßig von den Auslegern und Propellern verdeckt wird, muss die Bildachse der GoPro Hero 3 mindestens 20 unter der Centerplate montiert werden. Aus diesem Grund wird das Gimbal an einem senkrecht nach unten aus dem Kopter herausragenden Auslegerrohr befestigt. Damit der Noktokopter trotzdem leicht zu transportieren ist, kann das Auslegerrohr nach vorne geklappt werden.

Der Brushless-Motor für den Rollausgleich wird mit zwei POM-Rohrschellen an dem senkrechten Auslegerarm befestigt. Die Teile werden aus 1 mm bzw. 1,5 mm dickem CFK gefertigt. Alle Kabel werden durch das Auslegerrohr geführt.

Die Teile für den Roll- und Nickausgleich werden aus 1,5 mm starkem CFK gefertigt. Mechanismen zum Ausbalancieren sind nicht vorgesehen, das sich gezeigt hat, dass das Gimbal für den MK Y6 600, auf dem die Konstruktion dieses Gimbals basiert, sehr gut ausbalanciert ist.

Da eine GoPro ja ohnehin mit an Bord ist, soll das Video- und Audio-Signal der Kamera an eine Bodenstation übertragen werden, um den Bildausschnitt einschätzen zu können.

Der Noktokopter wird gesteuert mit meiner JETI model DS-16. Im Noktokopter ist ein Spannungssensor verbaut, so dass an der Fernsteuerung die Spannung der Lipos abgelesen werden kann.

• sa: Intelligent Orientation Control (off/Course lock/Home lock)
• sc: Failsafe Mode (on/off)
• se: Flightmode (Manual/Attitude/GPS)

Tags: #FPV #Multikopter #Noktokopter #Technik