Redundantes System

In einigen Ländern sind Kopter seit neuestem nur mit redundantem Aufbau zugelassen.

So gibt es seit dem 01.01.2014 z.B. in Österreich ein Gesetz das erhöhte Anforderungen an die Betriebssicherheit von Kopter stellt.

Wir haben hierfür ein Konzept entwickelt und getestet, das einen redundanten Aufbau eines MikroKopter's erlaubt.

Mit diesem Konzept wurde eine Zulassung in Österreich bei der Austro Control bis hin zur höchsten Anforderungskategorie D erreicht !

Redundanz bedeutet, dass wichtige Komponenten ersetzbar sein müssen und der MK bei Ausfall einer (einzelnen) Komponente (z.B. Motor, Empfänger, FlightControl usw.) nicht abstürzen darf.

In Bezug auf Sicherheit und Zuverlässigkeit wurden die Systeme immer weiter entwickelt und verbessert.

Die Einführung des Oktokopters mit 8 Motoren brachte einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit.

Video

Hier ist das Redundante System im Video beschrieben:

Punkt 1: Ausfall Sender

• Ausfall Sender
• z.B. Stromversorgung Sender,Antenne unterbrochen, Elektronik Fehler.
• Verbindung Sender zum Kopter ist unterbrochen.
• Pilot hat keine Möglichkeit mehr in die Steuerung einzugreifen

MikroKopter-Lösung

• Fällt die Verbindung zum Sender aus, wird das erkannt und es wird automatisch die Funktion "FailSafe" aktiviert.

• Hierbei steigt (oder sinkt) unser Kopter dann automatisch auf eine vorher eingestellte Höhe, fliegt zurück zum Startpunkt und landet dann automatisch.

• Hier gibt es ein Video dazu: https://vimeo.com/32788915

Punkt 2: Ausfall Empfänger

Das selbe wie in Punkt 1.

Punkt 3: Gestörte Datenverbindung

Das selbe wie in Punkt 1.

Punkt 4: Triebwerksausfall

• z.B. Ausfall eines Motors,Propellerverlust, Rotorverlust, Ausfall der Antriebsbatterie

MikroKopter-Lösung

• Verliert der OktoKopter einen Propeller oder es fällt ein kompletter Motor aus, kann der Kopter trotzdem weiter fliegen. (Siehe Video).

• Der Ausfall eines Motors oder Antriebsstranges wird sofort erkannt und ausgeregelt.
• Bei Überlastung des Motors bzw. BL-Reglers (Überstrom oder Übertemperatur) wird der entsprechende Motor abgeregelt, geht aber nicht aus.
• In allen Fällen wird der Pilot per Telemetrie informiert. Z.B. per Sprachausgabe "Fehler Motor"

• Im Logfile lässt sich später sehen, welcher BL-Regler einen Fehler gemeldet hat -> falls sich ein Motordefekt langsam über die Laufzeit ankündigt.

Punkt 5: Kurzschluss

• z.B. in eingebauter Kamera oder Messsensoren, Betrieb bei Regen/Feuchtigkeit

MikroKopter-Lösung

• Vermeidung eines Kurzschlusses: Unsere Elektronik ist gekapselt unter einer Haube gegen Regen und äußere Einflüsse geschützt montiert.
• Kurzschluss an einem Motor: Die Motorregler erkennen das und schalten den Motor ab
• Kurzschluss in einem Motorregler: Die Motorregler sind über eine definierte Leiterbahn (Shunt) abgesichert, sodass dieser dann vom Stromkreis getrennt wird.
• Kurzschluss in der Steuerungselektronik: Die Steuerungselektronik ist redundant ausgeführt (siehe Punkt 7)
• Mitgeführte Kameras nutzen eine Eigenversorgung oder strombegrenzte Spannungsregler und haben keinen Einfluss auf die Elektronik.

Punkt 6: Ausfall der Bord - Stromversorgung

• z.B. Kabelfehler in der Stromversorgung, Batteriefehler

MikroKopter-Lösung

• Es werden am Kopter zwei gleichwertige LiPos mitgeführt die jeweils an der Stromversorgung angeschlossen sind.

• Sollte einer der LiPos ausfallen, übernimmt der zweite die Versorgung. Ein * Absinken der Spannung wird automatisch erkannt und per Telemetrie signalisiert.

Es gibt verschiedene Stufen der Unterspannung:

Erste Stufe (z.B. 30% Restkapazität):

• Der Pilot wird per Telemetrie informiert: Sprachansage "Unterspannung"

• Ein akustisches Signal wird per Summer am MikroKopter ausgegeben

• Die LED-Beleuchtung blinkt

• In der Regel hat der Pilot dann noch 1-2 Minuten Zeit, den MikroKopter zu landen

Zweite Stufe (z.B. 20% Restkapazität):

• Der MikroKopter fliegt automatisch zurück zum Startpunkt, wenn der Pilot nicht manuell steuert

Dritte Stufe (z.B. 10% Restkapazität):

• Der MikroKopter geht in definierten Sinkflug, selbst wenn der Startpunkt noch nicht erreicht wurde. Das soll den totalen Absturz verhindern.

Punkt 7: Störung/Ausfall der Fluglageregler

• z.B. Elektronischer Fluglagenregler durch Störung ausgefallen

MikroKopter-Lösung

Sollten unsere Fluglageregler ausfallen, greift automatisch die zweite FlightControl ein (Siehe Video).

Funktionsprinzip der redundanten Fluglageregelung:

• Eine zweite FC (Fluglageregelung) wird 'von hinten' an die serielle Schnittstelle der einzelnen Motor-Regler angeschlossen.
• Der redundante Bus ist an jedem Regler per Widerstand entkoppelt, sodass ein einzelner defekter Regler diesen Bus nicht lahm legen kann.
• Die BL-Regler melden an die Haupt-FC, dass sie zusätzliche Daten bekommen. Im Sender-Display wird das dann als "Redundanz bereit" angezeigt.
• Wenn die BL-Regler eine Störung auf dem I2C-Bus haben, oder keine Daten von der Haupt-FC bekommen, schalten sie sofort auf die Daten der zweiten FC um.
• Das Umschalten funktioniert so reibungslos, dass der MK dabei nicht ins Schwanken kommt
• Dies funktioniert auch, wenn die Haupt-FC im Flug z.B. einen Reset macht oder die Versorgung der FC kurz unterbrochen wurde .

Punkt 8: Störung/Ausfall im Globalen Navigationssystems

• z.B. Satelliten Empfänger ausgefallen (GNSS-Global Navigation Satellite System)

MikroKopter-Lösung

• Die Anzahl der Satelliten des GPS-Empfängers wird überwacht und per Telemetrie angezeigt.
• Die Stärke und Inklination des Erdmagnetfeldes wird gemessen und dient so der Überwachung des Kompass-Signals.

• Eine eigenständige Einheit (NaviControl) ist für die GPS-Navigation zuständig.

• Ein Total-Ausfall dieser Einheit wird von der FlightControl erkannt, die dann auf manuelle Steuerung umschaltet und den Piloten per Telemetrie informiert.

Vor dem Start:

Der Pilot wird bei gestörtem Erdmagnetfeld oder fehlendem GPS-Signals informiert und kann den MikroKopter nicht starten.

Im Flug:

Fällt das Navigationssystem aus oder GPS oder Kompass sind gestört (Sonnenstürme, GPS-Abschattung usw.), schaltet der MikroKopter in den manuellen Modus und der Pilot wird über die Telemetrie informiert. Z.B. per Sprachansage: "Fehler GPS"

Zudem kann der Pilot jederzeit den GPS-Modus über den Sender ausschalten und dann manuell steuern.

Punkt 9: Störung/Ausfall in der Telemetrie

• z.B. Sensorfehler, Übertragungsfehler

MikroKopter-Lösung

• Die Telemetrieübertragung ist nicht für den Flug des Kopters relevant. So wird z.B. Unterspannung noch akustisch und optisch angezeigt.
• Sollte diese Übertragung ausfallen, hat dies keinen Einfluss auf das Flugverhalten des Kopters.

Punkt 10: Thermische Überlastung der Batterie

• z.B. interner LiPo Akkufehler oder Überlastung durch zu hohen Strom/Unbalance

MikroKopter-Lösung

• Am Kopter werden zwei LiPos mitgeführt die jeweils an der Stromversorgung angeschlossen sind.

• Sollte einer der LiPos plötzlich ausfallen, übernimmt der zweite die Versorgung.

• Überlastung der Batterie kündigt sich erfahrungsgemäß durch Unterspannung an. Dann greifen die unter Punkt 6 beschriebenen Mechanismen.

Punkt 11: Flugschreiber

• Aufklärung von Störungen oder Abstürzen

MikroKopter-Lösung

• Im MikroKopter werden alle Flugrelevanten Daten mit bis zu 5Hz auf SD-Karte geloggt

• Aufgezeichnet werden z.B.:
  • Flughöhe
  • GPS-Position
  • Spannungen
  • Temperaturen
  • Steuerbewegungen und Schalterstellungen
  • Fehlermeldungen z.B. Motorfehler (Stehen gebliebener Motor)
  • Motorströme (Einzelströme)
  • Magnetwerte des Kpompassensors
  • Anzahl GPS-Satelliten

Einbau einer redundanten FlightControl

Normaler Aufbau eines MikroKopters:

Redundanter Aufbau:

Das System wird jetzt um eine redundante FlightControl erweitert.

Lösung mit Okto-BL-V3.5

Lösung mit DoubleQuadro-Cool V3.5

• Shopartikel

Schaltplan

Funktionsprinzip:

• Eine zweite FC wird 'von hinten' an die serielle Schnittstelle der BL V3-Regler angeschlossen.
• Der neue Bus ist an jedem Regler per Widerstand oder Diode entkoppelt, sodass ein einzelner Regler diesen Bus nicht lahm legen kann.
  • Seit der Version 3.5 ist der redundante Datenbus bereits integriert
• Im Flug schickt die Backup-FC laufend Daten an die BL-Regler
• Die BL-Regler melden an die Haupt-FC, dass sie zusätzliche Daten bekommen. Im HoTT-Display wird das dann angezeigt.
• Wenn die BL-Regler eine Störung auf dem I2C-Bus haben, oder keine Daten von der Haupt-FC bekommen, schalten sie sofort auf die Daten der zweiten FC um
• Das Umschalten funktioniert so reibungslos, dass der MK dabei nicht ins Schwanken kommt
• Das funktioniert auch, wenn die Haupt-FC im Flug einen Reset macht oder die Versorgung der FC kurz unterbrochen wurde
• Im Grunde kann man die zweite FC auch mit NC und GPS ausrüsten

Hinweis: [[Redundant_old|Hier] eine Beschreibung, wie man ältere V3-Verteiler umrüstet

Schaltplan

Hinweis: die Schaltung des redundaten UART-Datenbusses ist bei V3.5-Verteilern bereits in der Leiterkarte integriert

Benötigt wird:

• BL-Regler ab V3.5 (z.B. Okto V3 oder Double-Quadro V3)

• eine zweite FlightControl (Ab FC 2.1)

• Redundantes Stecker-Set

Beispiel eines Aufbaus

Man sieht, dass der Aufbau nicht sonderlich kompliziert sein muss.

Firmware

Hier kann die Firmware herunter geladen werden:

http://mikrocontroller.com/files/Redundant/

Wichtig

• Die Mixer-Belegung der redundanten FC muss mit der Haupt-FC übereinstimmen
• Die Kanalbelegung beider FCs muss gleich sein.
• Die redundante FC hört auf die Stickstellungen und geht genau wie die Haupt-FC in die Zustände "Kalibrieren", "Starten", "Stoppen"

Test

Test der Redundanten FC

• Wenn beide FCs angeschlossen sind, Blinkt die grüne LED auf der redundanten FC schnell. Sie bekommt dann Daten von BL-Regler 1 und 5
• Wenn die Haupt-FC abgeklemmt wird (Molex-Stecker abziehen), blinkt die Grüne LED weiter und zusätzlich leuchtet die rote.
• Wenn die Haupt-FC abgeklemmt wird, leuchten die roten Fehler-LEDs auf allen BL-Reglern NICHT!

Test der Haupt FC

• Wenn die Motoren per Sender gestartet werden, erscheint nach kurzer Zeit im Display des HoTT-Senders als erster Buchstabe in der untersten Zeile ein "R" -> das bedeutet, dass die Redundanz aktiv ist

Im Jeti-Display steht ein "R" hinter der Flugzeit:

Simulation: I2C-Busausfall

Schalter auf UserParameter7 legen:

• Wenn dort der Wert > 150 wird, schaltet die Haupt-FC den I2C-Bus ab und simuliert damit den Busausfall

• Bedingung: Die FC schaltet nur dann den Bus ab, wenn Redundanz voliegt ('R' im Display)

Zum Test sollte man zunächst den MK bei laufenden Motoren am Boden absetzen und dann den I2C-Bus abschalten. Die Haupt-FC Piept dann wie bei I2C-Fehlern und die Motoren gehen nicht aus. Fliegen mit der redundanten FC ist dann möglich

Umschalten im Flug

Auch hier Schalter auf UserParameter7 legen: Die Haupt-FC schaltet dann den Bus ab und die redundante FC übernimmt automatisch.

Test Motorausfall

Wer einen Motoratsfall testen will, legt UserParameter6 auf einen Schalter. Das schaltet dann Motor 1 im Flug aus.

Achtung:

• Im Normalen Betrieb eine Null eintragen, damit das nicht versehentlich eintreten kann.

• Nur bei Oktos testen. Quadrokopter und HexaKopter werden bei einem Motorausfall instabil!