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Flight-Ctrl V1.0: Schaltplan,Bestückung und Inbetriebnahme

Aufgaben

attachment:Flight-Ctrl_Anleitung_Foto_oben2.jpg

Diese Platine ist die Steuerungsplatine vom MikroKopter.

• Messen der Drehgeschwindigkeiten der drei Achsen
• Messen von Beschleunigungswerten der drei Achsen
• Messen des Luftdrucks für die Höhenstabilisierung
• Auswerten eines digitalen Kompass-Signals
• Messen der Batteriespannung
• Auswerten des Fernbedinungssignals (RC-Signal)
• Verarbeiten der Sensordaten und Berechnung der aktuellen Fluglage
• Ansteuern der vier BL-Regler zur Motoransteuerung

Sonstige Features:

• Abmessungen 50 * 50mm
• zwei LEDs (z.B. Okay und Error)
• zwei Transistorausgänge z.B. für externe Beleuchtung
• Batteriespannungsmessung mit Unterspannungserkennung
• Ein Empfänger kann von den 5V versorgt werden

Controller

Die Rechenarbeit und Sensorverarbeitung wird von einem Atmel – ATMEGA644 mit einer Taktrate von 20MHz geleistet. Es handelt sich hier um einen preiswerten und gängigen 8-Bit-Prozessor.

Die Kriterien bei der Auswahl des Controllers waren:

• ausreichende Performance
• gute Verfügbarkeit
• geringer Preis
• gut zu löten
• kostenlose Entwicklungssoftware verfügbar

Sensorik

Die Fluglage eine Quadrokopters muss elektronisch geregelt werden. Dazu sind verschiedene Sensoren notwendig.

Gyro-Sensoren

Sie messen die Winkelgeschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit) und jeweils eine Achse. Es werden drei dieser Sensoren benötigt, um alle drei Achsen zu stabilisieren. Diese Sensoren sind die elementarsten Bauelemente. ( --> GyroScope )

Beschleunigungs-Sensoren (ACC-Sensoren)

Die Hauptfunktion der Beschleunigungssensoren ist, die aktuelle Neigung des MikroKopters zu messen und die Höhenregelung zu unterstützen. Hier wird ein Drei-Achsen-Sensor verwendet.

Theoretisch kann auf diese Sensoren verzichtet werden, wenn der Quadrokopter im sog. Heading-Hold-Modus betrieben werden soll. ( --> BeschleunigungsSensor )

Luftdrucksensor

Er dient zur Stabilisierung der Flughöhe. Dieser Sensor ist optional. Die Drucköffnungen können mit Klebeband abgeklebt werden, in das mit einer kleinen Nadel ein kleines Loch gestossen wird. Das schützt vor Wind und Licht. (--> LuftdruckSensor )

Schnittstellen

Über die Schnittstellen kommuniziert die Steuerkarte mit der Außenwelt.

PPM-Anschluss

Hier wird der Empfänger angeschlossen. Über zwei Leitungen wird der Empfänger versorgt und über eine liefert er das RC-Summensignal zurück. Im Gegensatz zu einem normalen Servo-PPM-Signal sind in dem Summensignal alle von der Fernbedienung gesendeten Kanäle enthalten. In jedem Empfänger ist dieses Signal vorhanden, allerdings liefern nur wenige dieses Signal zum direkten Abgriff an einen Stecker (z.B. der RX3 Multi von ACT). ( --> RC-Empfänger )

I2C-Bus

An diesem Bus werden die BL-Regler angeschlossen, über den sie die Steuerbefehle erhalten. Die Flight-Ctrl erfordert unseren speziellen Brushless-Motor-Regler, damit eine schnelle Kommunikation per I2C-Bus möglich ist. Standard-Motor-Regler können nicht verwendet werden, weil sie zu langsam sind. Der I2C-Bus verfügt über eine Taktleitung (SCL) und eine Datenleitung (SDA). Im Bus werden alle SCL-Leitungen und alle SDA-Leitungen miteinander verschaltet.

Serielle Schnittstelle (asynchron)

Hier wird zum Testen und Parametrieren z.B. ein PC angeschlossen. Der Pegel ist TTL-Pegel und nicht V24. Aus diesem Grund muss ein Schnittstellenkonverter angeschlossen werden, falls mit der Standard Seriellen Schnittstelle des PCs kommuniziert werden soll. Später kann diese Schnittstelle auch zur Kommunikation (asynchron) mit anderen Controllern verwendet werden.

ISP-Schnittstelle (synchron)

Der ATMEL Controller wird darüber mittels eines ISP-Interfaces programmiert. Später kann diese Schnittstelle auch zur schnellen Kommunikation (synchron Seriell) mit anderen Controllern verwendet werden.

Kompass-Anschluss

Ein digitaler Kompass kann an den PC4-Eingang des universellen Steckers angeschlossen werden

Allgemeine Sicherheitshinweise:

Wir garantieren nicht für fehlerfreies Verhalten der Elektronik oder Software. Trotz sorgfältiger Erstellung und Überprüfung, übernehmen wir keinerlei Garantie oder Haftung (direkter oder indirekter Art) für die Fehlerfreiheit der Software, der Hardware oder Informationen. Sie benutzen die Elektronik auf eigene Gefahr (dies gilt auch für dazugehörige PC-Programme). Weiterhin übernehmen wir keinerlei Haftung für Folgeschäden an Sachwerten oder Personen, die durch Anwendung entstehen. Es liegt in ihrer Verantwortung, einen vollständigen Systemtest durchzuführen.

Der MikroKopter ist kein Kinderspielzeug! Dafür ist er zu teuer und zu gefährlich. Nicht über Personen fliegen!

Eine Modellbauversicherung sollte auf jeden Fall vor dem ersten Flug abgeschlossen werden, weil die meisten Haftpflichtversicherungen nicht die Schäden abdecken, die durch Flugmodelle entstehen können.

Nutzungsbedingungen

Es gilt für das gesamte MikroKopter-Projekt (Hardware, Software und Dokumentation), dass eine Nutzung (auch auszugsweise) nur für den privaten (nicht-kommerziellen) Gebrauch zulässig ist. Sollten direkte oder indirekte kommerzielle Absichten verfolgt werden, ist mit uns Kontakt bzgl. der Nutzungsbedingungen aufzunehmen.

Inbetriebnahme der Platine

attachment:Flight-Ctrl_Bestueckung_oben.png

Schritt 1: Anschluss und Kontrolle der Betriebsspannung

Vor dem Anschluss der Betriebsspannung sollte ein weiteres Mal der richtige Einbau des Spannungsreglers IC4 (µA7805) und der Diode D1 überprüft werden. Die Betriebsspannung wird an den Anschlüssen J1 (Markierung „+“ am Schalter) und am Anschluss J2 (Markierung „-“ neben dem Schalter) angeschlossen. Es wird dringend empfohlen, ein strombegrenztes Netzteil zu verwenden, bis man weiß, dass alles richtig funktioniert. Ein Steckernetzteil mit Gleichspannungsausgang von ca.9-12V leistet hier bereits gute Dienste. 5,0V Test der Digitalversorgung Dazu misst man am Testpunkt TP1 gegen Masse. Die Spannung sollte zwischen 4,9 und 5,1 V liegen.

3,0V Test der Analogversorgung Dazu misst man am Testpunkt TP2 gegen Masse. Die Spannung sollte zwischen 2,9 und 3,1 V liegen.

Schritt 2: Gyro-Verstärker abgleichen

An den Ausgängen der Gyro-Verstärker (Pins 8, 7 und 1 des IC2) sollte im unbewegten Zustand eine Spannung von ca. 1,2-1,8V (idealerweise 1,5V) anliegen. Da das Ausgangssignal der Gyros werksseitig bereits leicht variiert, muss das Signal ggf. leicht justiert werden.

Dazu müssen die Widerstände R9 (für TP4), R13 (für TP5) und R17 (für TP3) zum Anheben des Signals nachbestückt werden (je niedriger der Widerstandswert, desto höher das Ausgangssignal). Oder die Widerstände R29 (für TP4), R20 (für TP5) und R15 (für TP3) zum Absenken des Signals (je niedriger der Widerstandswert, desto niedriger das Ausgangssignal).

Richtwerte für die Widerstände zum Abgleichen:

Anheben des Verstärkersignals: Signal Wert < 0,8V : 150kOhm < 1,0V : 220kOhm < 1,2V : 470kOhm

Abschwächen des Verstärkersignals: Signal Wert > 2,2V : 150kOhm > 2,0V : 220kOhm > 1,8V : 470kOhm

Nach einem schweren Absturz oder bei ungleichmässigen Bewegungen des MikroKopters (z.B. er nickt in eine Richtung flüssiger als in die andere) sollten die Signale kontrolliert und ggf. nachjustiert werden.

Schritt 3: Einspielen des Programms mit dem MikroKopter-Tool (avrdude)

attachment:Screenshot_MkTool.jpg

Das Einspielen der Software geht am einfachsten mit unserem seriellen Konverter (SerCon), in dem die ISP-Schaltung bereits eingebaut ist. Zum Programmieren muss der PC über eine „echte“ serielle Schnittstelle verfügen. USB-auf-Seriell/Parallel-Wandler oder ähnliches gehen definitiv nicht! Der Seriell-Konverter wird über ein Flachbandkabel an den 6-poligen Stiftleisten verbunden. Die Betriebs-LED auf dem Konverter muss dabei nicht leuchten. Die Flight-Ctrl muss zum Programmieren mit Spannung versorgt sein.

Ab sofort gibt es einen Bootloader für die Flight-Ctrl. Eine Anweisung zur Programmierung gibt es unter MikroKopterTool...

Schritt 4: Test der Hardware

Test der Sensorwerte

Wenn der Controller erfolgreich programmiert wurde, können die Sensorwerte mit dem MikroKopter-Tool überprüft werden. Dazu wird der Seriell-Konverter über das breite Flachbandkabel angeschlossen. Das ISP-Kabel muss zum Debuggen abgeklemmt sein, oder der Jumper auf dem Konverter abgezogen werden.

Test von Gyro und Beschleunigungssensorwerte

Die Platine wird in die waagerechte Position gebracht und eingeschaltet bzw. resettet und die Scope-Funktion im MikroKopter-Tool wird gestartet. (falls sie schon lief, sollte sie kurz gestoppt werden, damit der Zoom-Bereich zurückgesetzt wird). Es werden hier zunächst nur die ersten fünf Analogwerte beobachtet. Die restlichen Analogwerte können über den Reiter „Scope“ im MikroKopter-Tool abgeschaltet werden, falls sie das Bild unübersichtlich machen.

Nun wird die Platine möglichst flüssig um ca. 45 Grad in der Nickachse gekippt. Auf dem Scope beobachtet man die Signale der Messwerte. Dabei sollte das Signal des Nick-Integrals und das des Nick-Beschleunigungssensors (hier rot und gelb). Wichtig ist, dass die Linien weitestgehendes deckungsgleich sind.

Das selbe prüft man auch auf der Roll-Achse (hier blau und grün):

attachment:Screenshot_Scope.png

Danach wird der Gier-Gyro überprüft. Dabei wird die Platine um die Gierachse gedreht und das Signal des Gyrosensors beobachtet. So lange sich die Platine dreht gibt es dabei einen Ausschlag, der wieder zu Null wird, wenn die Platine wieder stoppt.

Im virtuellen Display werden nun die Offsetwerte der Gyros überprüft (der Wert in Klammern):

attachment:GyroMenue.png

Dazu blättert man mit den Tasten in das entsprechende Menü. Die Offsets sollten etwa um 500 (+-100) liegen. In diesem Beispiel hat der Gier-Gyro ein Problem (178). Es muss entweder nachgetrimmt oder ausgetauscht werden.

Test des Empfangssignals

Im virtuellen Display lassen sich die Fernbedienungswerte ablesen:

attachment:Menue_Kanaele.jpg

Mit der Fernbedienung lassen sich die Werte im Bereich von ca. -120 bis +120 verändert.

Test der Spannungsmessung

In einem Menü kann der Wert der Spannungsmessung kontrolliert werden:

attachment:Anzeige_Menue.png

In diesem Beispiel ist das 11,3V.

Der Empfangspegel ist 0, weil kein Empfänger angeschlossen ist.

Schritt 5: Einbau in den MikroKopter

Genauere Informationen auf unserer Homepage

Übersicht über den Anschluss der weiteren Komponenten

Kurzfassung:

• Der Pfeil auf der Flight-Ctrl zeigt nach vorn
• Motoradressierung: 1=Vorn 2=Hinten 3=Rechts 4=Links
• Die Drehrichtung der Motoren ist so, dass der linke und rechte Motor (Rollachse) links drehen (von oben betrachtet) und vordere und hintere Motor (Nickachse) rechts herum.

Anschluss

• Das Multisignal eines Empfängers über ein dreiadriges Servokabel
• Ein Lipo-Akku (11,1V ca. 1,5-2,5Ah mit mit 15-20C Belastbarkeit) über zwei Versorgungsleitungen (Plus=rot; Minus=schwarz; Querschnitt mind. 0,75mm2)
• Vier BL-Regler über zwei Versorgungsleitungen (Plus=rot; Minus=schwarz; Querschnitt mind. 0,75mm2)
• I2C-Bus als Kommunikation zu den BL-Reglern

Details zum Gesamtaufbau siehe ElektronikVerkabelung....

Schritt 6: Bedienen des MikroKopters (Kurzversion)

Einschalten

Der MikroKopter muss auf einer waagerechten stabilen Unterlage stehen. Die grüne LED der Flight-Ctrl leuchtet, die rote ist aus und der Summer ist still. Die grünen LEDs der BL-Regler sind an und die roten aus. Falls der Summer piept ist der Empfang gestört oder die Akkuspannung zu niedrig.

Sensoren abgleichen und Setting auswählen

Anmerkung: gilt für Gas nicht invertiert, d.h. Gas min. --> zum Piloten, bzw. unten

Zum Abgleichen der Sensoren wird der Gas/Gier-Hebel einige Zeit in die obere linke Ecke gedrückt, bis der Summer piepst und die grüne LED erlischt. Dabei übernimmt der Controller die aktuellen Sensorwerte als Null-Signale. Beim Kalibrieren der Messwerte kann das Setting (Anzahl der Piepser entspricht Setting-Nummer) per Nick-Rollhebel ausgewählt werden:

                2   3   4
                1   x   5
                 -   -    -
Bedeutet: Nick-Rollhebel Links Mitte = Setting:1 Links Oben = Setting:2  usw.

• Zum Einschalten wird der Gas/Gier-Hebel einige Zeit in die untere rechte Ecke gedrückt, bis die Motoren anlaufen.

Erst ab einem bestimmten Gaswert beginnt der Lage-Regler zu arbeiten.

Motoren ausschalten

Zum Ausschalten wird der Gas/Gier-Hebel einige Zeit in die untere linke Ecke gedrückt, bis die Motoren stoppen.

Verhalten beim Ausschalten des Senders oder Empfangsverlust

Bei Ausfall des Empfangssignals im Flug laufen die Motoren mehrere Sekunden nach, wobei der MikroKopter versucht, in waagerechte Lage zu kommen. Damit soll das Fluggerät (mehr oder weniger) kontrolliert in den Sinkflug gehen.

Bestückung

Die Bauteile sollten in der Reihenfolge eingebaut werden, wie sie in dieser Liste stehen. Dann hat man es mit der Bestückung einfacher.

Kursiv aufgelistet Teile befinden sich auf der Unterseite

Hilfsmittel

• Edsyn FL 22 SMD-Flussmittel
• Entlötlitze AA Entlötlitze 1,5mm
• Lötzinn AG 0,507 Lötzinn 0,5mm
• Temperaturgeregelter Lötkolben mit feiner Spitze
• Multimeter

Bestückung

Die Bestückung des Gier-Gyros sieht so aus:

attachment:GierGyro1.jpg attachment:GierGyro2.jpg

Die der Platine abgewandten Pins werden mit Draht (z.B. Reste der Elko-Beinchen) verlängert.

Der Gyro sollte zusätzlich verklebt werden.

• Dabei darf auf keinen Fall Klebstoff in den Gyro eindringen.

Bestückungsplan mit farblicher Unterstützung

(Gleichfarbige Bauteile sind gleich)

attachment:Bestueckung_oben.png

attachment:Bestueckung_unten.jpg

Schaltplan

ImageLink(FlightCtrl_Schaltplan_kl.gif,attachment:FlightCtrl_Schaltplan.gif)

(Klicken für hohe Auflösung) BR

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