Long-Range-Quadrocopter Part 1

So, wie bereits angekündigt, hier das – vorläufige – Setup für den Long-Range FPV-Quadcopter mit mindestens 60 Minuten Flugzeit. Ich sags gleich, das Zusammenstellen der Komponenten ist eine Sisyphusarbeit… 🙁

Für die Lesefaulen HIER ein direkter – immer in Überarbeitung befindlicher – Link zur aktuellen Komponenten-Liste.

Also, was sind die wichtigsten Punkte?

1. Gewicht
2. Gewicht !
3. Gewicht !!

Nein, im Ernst: Klar ist, dass der Copter in Wirklichkeit quasi nichts anderes werden darf als ein fliegender Akku, sonst ists nix mit Streckenflug. Dank der inzwischen frei auf dem Markt erhältlichen Sony US18650NC1 LiPozellen, bzw. dem Pendant hierzu von Panasonic, ergibt sich die Möglichkeit bei z.B. einem Akkugewicht von rund 500 Gramm gegenüber den Standard-LiPos mehr als die doppelte Wattleistung unter den Copter zu hängen .

Aber: Die üblicherweise im Modellbau genutzten LiPos sind auf Hochleistung ausgelegt, will heißen: Ich möchte 5-10 Minuten lang die maximale Kraft aus meiner Motor-Propeller-Kombination rausholen. Ist für einen Streckenflieger natürlich uninteressant, hier geht es um eine maximale Kapazität bei einer Vergleichweise geringen C-Stärke. Hier kommen die neuen Sony und Panasonic-LiPos ins Spiel. Sie bieten bei deutlich weniger Gewicht mehr als die doppelter Leistung bei !Vorsicht!: gerade mal 2C !

  • Randnotiz: Was ist “C”? Dieser Wert zeigt an, wie viel Strom der LiPo maximal liefern kann. Der Wert C bezieht sich auf die LiPo-Kapazität.
  • Beispiel: Ein LiPo wird mit 3000mAh und 20C angegeben. Die maximale Stromstärke wird nun wie folgt errechnet:
  • (3000mAh/1000) x 20C = 60 Ampere Ein solcher LiPo kann also 60A Leistung abgeben.

Ergo müssen wir dafür sorgen, dass ein Copter mit gut 80cm bis 1m Spannweite vernünftig bewegt werden kann, obwohl ihm nie mehr als max. rund 15-20 Ampere Leistung zur Verfügung stehen dürfen. Und selbst das ist dann schon mehr als grenzwertig für die “kleinen” Zellen.

Auf eine genaue Dimensionierung der neuen Akkus gehe ich später noch mal gesondert ein…

Warum überhaupt 80-100cm Spannweite? Ein Blick auf die Leistungsdaten der Brushless-Motoren zeigt recht schnell, welche Art von Motoren überhaupt in Frage kommt: Wir brauchen einen kräftigen Motor, mit geringer kv-Leistung (*internationale Bezeichnung für Umdrehung / Volt), damit der Verbrauch so gering wie möglich ist, die Propeller aber mit der zur Verfügung stehenden Leistung so dimensioniert werden können, dass wir hier auch in der Luft gefahrlos agieren können, bzw. der dicke Hintern überhaupt abhebt… 😉

Heißt nichts anderes als: Möglichst unter 400kv – und landen damit bei einer Motoren-Baugröße im 5000er Bereich (5,x cm Durchmesser), die für 17” Propeller ausgelegt ist.

Und 17” Propeller – also Props mit einer Länge von je 43cm (!) – passen natürlich nicht an einen Mini-Quad mit 25cm Spannweite… 😉

Gut, die Randbedingungen stehen. Da ich nach zig verschiedenen DIY-Copterbauten unseren Baumarkt so langsam nicht mehr von innen sehen kann, greifen wir für das Setup des geplanten Long-Ranger ausschließlich auf Stock-Items zu – sprich auf Komponenten, die jeder im Internet bei Händlern bestellen kann.

Eine Anmerkung noch zu den Preisen und Gewichtsangaben: Das sind Tagespreise und Gewichtsangaben von diversen Händlern im Internet. Ob und in welchem Umfang dann noch Versand und Steuer fällig werden – falls eine Bestellung zum Beispiel beim Zoll hängen bleibt – ist hier nicht berücksichtigt. Auch unterscheiden sich die Angaben zum Gewicht eines Bauteils von Händler zu Händler, da manche nur das Gewicht der Platine angeben, andere wiederum das Gewicht der Platine mit Anschlusskabeln und wieder andere schlicht einfach das Versandgewicht. Hier ist nicht immer einfach rauszufinden, was gerade gemeint ist…

Motoren, Kosten für 4 Stück ca. 55,- €:

Diese sind nun schnell gefunden, denn hier haben die ganzen Pro´s aus den USA und China bereits in verschiedenen YouTube-Videos gezeigt, welcher Motor sich hier “anscheinend” am besten eignet. Anscheinend deshalb, weil die Erfahrungen damit noch deutlich auseinandergehen. In Sachen Qualität, aber auch in Sachen Verbrauch und erzielter Flugzeit. Es handelt sich um den 5010-14 360KV Multicopter Brushless Motor von RCTimer. Der Motor mag 17” Propeller und bietet eine Direktaufnahme der Propeller auch ohne Adapter. Denn: Ab jetzt geht es darum, jedes Gramm zu beachten! Laut der letzten aktuellen Videos auf YouTube, reden wir hier bei vernünftiger Konfiguration von immerhin machbaren 70-120 Minuten Flugzeit!

Die Motoren bekommen also 17×5.5 Carbon Fiber Propeller, die ebenfalls zwei Bohrungen zur direkten Befestigung auf dem Gehäuse vorlegen. Damit wiegt jeder Motor mit Propeller – und ohne die dann obsoleten mitgelieferten Adapter – gerade mal 104 Gramm.

5010-14+17x5.5 prop

 

ESCs (Fahrtregler), Kosten für 4 Stück ca. 40,- €:

AFROs von HobbyKing. Punkt. Nach den Erfahrungen mit meinem aktuellen Copter, kommt mir erst mal nichts anderes ans Moped. Außerdem: HK hat mitgedacht und bietet die neuen AFRO-ESCs inzwischen in einer neu überarbeiteten “Slim-Variante” an. Abgespeckt auf 20A – was für uns ja locker reichen sollte – sind die Platinen deutlich schmaler, dank wegoptimierter Kühlkörper deutlich leichter und dank des Designs aerodynamisch unauffällig. Sie sind mit 12mm Breite sogar so schmal, dass die ESCs direkt in die Carbon-Arme (Innendurchmesser 14mm) versenkt werden können. Das Gewicht pro Motor erhöht sich mit diesen Fahrtreglern jeweils also gerade mal um 14 Gramm.
afro 20A

Grundplatte / Arme:

Ja, wundes Thema. Natürlich kann man hier mit entsprechend schicker Ausstattung im Hobbykeller einfach Carbon-Platten und -Rohre passend designen und damit einen ultraleichten Frame auf die Beine stellen. Aber ich habe weder Lust mir händisch via CAD einen Rahmen zu beplanen, noch habe ich eine vernünftige Wasserstrahlsäge im Keller um mir das Ganze auch noch perfekt zu schneiden. Deshalb wie gesagt: Stock-Items.

Bestehenden Rahmen (50,- €) tunen und umbauen, Kosten ca. 25,- €

Ich greife also auf den bestehenden Copter zurück und werde ihm mit der Waage zu Leibe rücken. Allein 16 Verbinder im Rahmen sind eckige, schwere Metallverbinder. Die kommen raus und werden durch Nylonspacer ersetzt. Die beiden zusätzlichen kleinen Carbonplatten – eine Receiver-/Flugsteuerungshalterung und eine Akkubasisplatte -, angebracht mit Alurohren und Metallschrauben werden Ersatzlos gestrichen. Die Technik wird in dem großzügig bemessenen Copterbauch schon irgendwie Platz finden, da die Fahrtregler ja jetzt komplett in den Armen verschwinden. Die original-Arme kommen ab und werden durch neue Carbonrohre in gleicher Stärke (16mm Außendurchmesser) aber mit einer jeweiligen Länge von ca. 35-38cm ersetzt. Die Motorhalterungen passen auch für die angedachten Motoren und liegen mit 16gr. pro Halter in einem sehr guten Schnitt. Im Endeffekt wird sich das Gewichtsverhältnis wie folgt ändern:

520 gr. original HK Alien 560 Carbon Frame mit 50cm Spannweite

92 gr.
23 gr.
Landegestell / NAZA + Receiverhalterung und KleinteileHalterung für Gimbal
+ 60 gr. Tausch: Carbon Fiber Booms (Arme)
+ 10 gr. Nylon Spacer / Befestigung / Kleinteile
= 475 gr. Gesamtgewicht nach Umbau auf 80cm Spannweite

Damit liegt der Rahmen trotz der neuen Größe auf jeden Fall in einem sehr guten Bereich was das zu erwartende Gesamtgewicht anbelangt.

Elektronik / Telemetrie:

Ganz wichtig für das Projekt ist eine absolut zuverlässige Telemetrie. Also ein kleiner Gedankenausflug: Wir müssen definitiv sehen können, welchen Verbrauch die Motoren aktuell haben und benötigen einen Live-Blick auf die verbleibende Kapazität des Akkus. Nichts dürfte ärgerlicher sein, als dass der Copter in einer Entfernung von 10km beschließt im Nirgendwo – geschweige denn auf einer dicht befahrenen Landstraße – zu Landen, weil die Spannung nicht mehr ausreicht und wir just in dem Moment nicht darüber informiert wurden.

Natürlich kommt zwar an die NAZA-Flugsteuerung ein iOSD-Mini, welches bereits in das Videosignal einige Werte einblendet. Aber leider ist das iOSD nicht in der Lage den momentanen Stromverbrauch zu erfassen, lediglich die verbleibende Akkuspannung. Hier gilt es ein Fallback zu haben, falls die Videoverbindung mal kurzzeitig unterbrochen sein sollte und um eine Erweiterung der Anzeige. Das heißt, wir greifen hier zusätzlich auf die ja bereits in der FrSky Taranis integrierte Telemetrie-Log-Funktion zurück. Dank der Neuentwicklung des FrSky X8R-Receivers mit Smart-Port, können wir endlich ohne zusätzlichen Telemetrie-Hub (Gewicht!) auf dem Copter arbeiten. Das Voltage/Ampere Modul wird jetzt einfach an den Receiver angesteckt und wiegt gerade mal 17 Gramm.

frsky_8xr+frsky 40A smartport

 

Flugsteuerung, Kosten ca. 220,- €:

Der Punkt lässt sich zum Glück schnell abhandeln: Die aktuelle NAZA von DJI. Das kleine Kästchen hat sich schon mehrfach bewährt und ist relativ flexibel in Konfiguration und Ausstattung. Zu beachten gilt hier allerdings: Die NAZA Lite bietet “out of the box” keinen Port für das iOSD-Mini zur Übertragung der Telemetriedaten im Videosignal, hier muss auf jeden Fall die NAZA M V2 verbaut werden!

naza_m_v2

Die Fernsteuerung und das Problem mit der Reichweite…

Wie bereits angedeutet wird zukünftig auf jeden Fall die FrSky Taranis zum Einsatz kommen.
taranis

Zig Kanäle, Telemetrie, Datenlogger, grafisches Display, Modulschacht, Sprachausgabe, OpenTX,… diese Fernsteuerung ist auf jeden Fall die nächste Anschaffung, gerade auch für so einen Copter. Jetzt wollen wir aber nicht weiterhin in “wenigen hundert Metern” stur im Kreis um uns herumrumfliegen, sondern die zur Verfügung stehende Technik an ihre Grenzen bringen, richtig?

Hier treffen jetzt mehrere Komponenten aufeinander: Das Problem der Reichweiten im 2,4 und 5,8 GHz Frequenzband. Salopp gesagt: Je höher die Frequenz, desto beschissener die Reichweite. Beispiel: Ein Radiosignal prallt von Hindernissen in seiner Umgebung in ähnlichem Winkel ab, wie es auf das Hinderniss aufgetroffen ist – ohne nennenswert zerstört zu werden. Ein Signal – ausgestrahlt mit 5,8GHz hingegen, verhält sich eher wie ein rohes Ei, dass ihr gegen eine Hauswand werft: Es zerplatzt in 1000 Einzelteile und driftet relativ unkoordiniert weiter.

Jeder, der sich einen neuen “DJI Phantom II Vision Ultra Plus irgendwas” gekauft hat, kann ein Lied davon singen. Das Wechseln der Sender-Frequenz von Seiten DJI auf das 5,8GHz Band hat nun zur Folge, dass die teuren Kisten nicht mehr als einen Steinwurf entfernt gesteuert werden können. Für einen “Long-Range-Copter” völlig witzlos und definitiv nicht das geplante Ziel.

Wer die Turnigy 9XR oder auch die FrSky Taranis kennt, weiß, dass auf der Rückseite ein Modulschacht ist, in den quasi beliebige Sendemodule einfach eingeklipst werden können. Dann geht man ins Menü und schaltet von intern auf extern und das Ding funkt zukünftig über das eingesetzte Modul. Hier reicht die Palette von 433MHz bis 5,8 GHz.

Wir wollen im ersten Versuch lediglich die 10km Marke knacken, heißt also, das Videosignal und ebenso das Funksignal müssen zumindest für diese Reichweite ausgelegt sein. Jetzt gibt es die Taranis betreffend 2 Möglichkeiten. Man kauft für schlappe 200 Dollar ein 433MHz Modul von der Firma ImmersionRC (Receiver + Transmitter Combo) und erreicht damit sofort locker 20-80km Reichweite (Vorsicht: In Deutschland leider nicht zugelassen!),
ezuhf-jr-module

oder man ersetzt die Antenne der Taranis durch eine vernünftige WLAN-Antenne mit 9db Leistung und erreicht damit im 2,4GHz-Band schon mal +/- 10km.
24-GHz-WLAN-Rundstrahlantenne-9dBi

Denn das 433MHz Modul hat leider – trotz des enormen Reichweiten-Vorteils – einen für uns entscheidenden Nachteil: Es übermittelt (noch) keine Telemetriedaten. Und Vorraussetzung für das Projekt in Punkto Sicherheit war ja die doppelte Absicherung in der Übermittlung der Flugdaten.

Die neuen Module haben zwar einen USB-Anschluss für regelmäßige Updates, aber ich konnte leider noch nicht in Erfahrung bringen, wann ein Update mit Telemetriefunktion ansteht.

Wir begnügen uns also fürs Erste mit einer günstigen Aufwertung der Taranis durch das Ersetzen der Standard-Antenne mit einer Vernünftigen. Dafür liegen die Kosten bei nur ca. 10,- EUR + einem 5minütigen Einsatz Eures Lötkolbens um das Koaxkabel zu ersetzen und die Telemetriedaten werden weiterhin mit übermittelt.

 

Die Akkukapazität und die Übertragung des Videosignals:

Hier benötigt es doch einige Zeilen, um auf die neue Akkugeneration und die Möglichkeiten der Videosignalübertragung einzugehen. Deshalb verschiebe ich diesen Punkt schlicht auf den nächsten Beitrag… 😉

4 Kommentare

  1. Metzger Dieter sagt:

    Hallo,
    für die Antennenerweiterung der Taranis, was wird den hier für ein Koaxial Kabel Pigtail RG-178 angewendet? dies hier ?
    http://www.ebay.de/itm/like/221675299281?lpid=106&chn=ps
    Gruss
    Dieter

  2. Torsten sagt:

    Die Überlegungen zum Akku scheinen mir noch nicht wirklich zielführend. Mit den SonyAkkus würde ein Akkupack mit 6*6 Akkus eine Kapazität von 17400mah als 6S bei einen Gewicht von 1548g liefern. Da fehlt aber noch das gesamte Material zum verlöten und verbinden. Gewicht wird also noch höher liegen.
    Ein fertiger Akku für 16000maH wiegt 1745g. (erstbester den ich gefunden habe: MultiStar LiHV High Capacity 6S 16000mAh)
    Ab hier also ein Vorteil zu erreichen ist, wäre erst noch zu erweisen.
    Prizipiell gibt es Akkuzellen noch höherer Kapazität, beispielsweise Panasonic NC18650B (http://industrial.panasonic.com/lecs/www-data/pdf2/ACA4000/ACA4000CE417.pdf)
    Bei welchen ein vergleichbares Akkupack ein Gewicht von 1710g bei 20100mah ergeben würde.
    Warum die Sony-Zellen?

    Zweiter Diskussionspunkt wäre für mich die erreichbare Flugzeit von 120Minuten.
    Bei erster Überschlagsrechnung mit 16000mah/6s und dem vorgeschlagenen Setup, kommt man auf ca. ~60 Minuten
    Welche Akkukapazität wurde denn angenommen?

  3. Hubert Papst sagt:

    Hallo,

    habe soweit deine Vorschläge umgesetzt; nun bin ich am einstellen der Gains.
    Mit welchen Gain-Einstellungen in der Naza fliegt du den Copter?

    Gruß, Hubert

  4. Rudolf Huvar sagt:

    Hallo,
    alles nach Plan gefertigt,1064g ohne Akku bin beim Fliegen bei vollem Akku gerade mal 35 Mim. und 10,1V. kann den Akku nicht bis 2,5V pro zelle herunterfliegen der Copter landet von selbst.Fliege Naza mV2 und RCtimer Motore 3510/350KV
    Der akku ist 3S 11,1V 11600mAh 610g. FLUGGEWICHT 1674g

    Gruß Rudolf

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