Konstruktion der Gondel

 

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Unsere Gondel musste folgende Kriterien erfüllen:

  1. passgenaue Anbringung der Aktorik
  2. ausreichende Verwindungssteifheit
  3. geringes Gewicht
  4. Möglichkeit zur übersichtlichen Anbringung der Elektronik
  5. zweckmäßiges, aber zugleich fesches Aussehen

Wir haben uns für eine Antriebskonstruktion entschieden, bei der zwei, fest an einer Querstange fixierte Motoren für den nötigen Vortrieb und zugleich durch Bewegung der Achse durch einen Servomotor für den nötigen Auftrieb sorgen. Folglich ist das einzige Teil, das fest mit der Gondel fixiert sein kann, der Servo. Dieser soll so angebracht sein, dass er möglichst fest mit der Gondel verbunden ist. Desweiteren soll eine Bewegung des Servos oder eine Richtungsänderung der Motoren keine Auswirkungen auf die Gondel haben. Das heißt, die Gondel muss durch Verstrebungen ausreichend stabil konstruiert sein.

 

1. Konstruktion des Antriebs

Der finale Aufbau sieht folgendermaßen aus:

An einer 64cm langen Vierkant-Karbostange (leicht und verwindungssteif) sind an den beiden Enden je zwei Motoren angebracht. Die Anschlussdrähte wurden verdrillt (Kupferlackdrähte zwischen Schraubstock und Bohrmaschine einspannen) und in die Karbonstange verlegt. In der Mitte ist die Stange durch einen kleinen Abstandshalter mit dem Servo verbunden. Dieser besteht aus einem Stück Platinenrest, an dem mit kleinen Schrauben das Servo-Kreuz befestigt ist. An diesem Adapter zwischen Servo und Vierkant-Stange befindet sich außerdem der Haken (gebogener Silberdraht), an dem das abzuwerfende Päckchen angehängt werden kann. Verklebt wurden sämtliche Bauteile mit je einem Tropfen aus der Heißklebepistole. Das hält ausreichend, lässt sich aber zur Not auch leicht ablösen.

Vorstadien:

- zunächst Verwendung einer Karbonstange mit einer Länge von etwa 40 Zentimeter; Grund für längere Stange: größere Beweglichkeit des Zeppelins (Motoren sitzen weiter außen und haben somit einen größeren Hebelarm).

- zunächst Verwendung zweier größerer und deutlich schwererer Motoren; Grund für vier kleinere Motoren: insgesamt größere Antriebskraft, wesentlich leichter.

 

2. Konstruktion der Gondel

Der finale Aufbau sieht folgendermaßen aus:

Die Gondel ist praktisch komplett aus Balsaholz gefertigt. Das Grundgerüst besteht aus einer quadratischen, kleinen Balsa-Platte, die das Verbindungsstück zum Ballon bildet und einem darauf senkrecht angebrachten, nach unten zeigenden Balsa-"Schwert". Am unteren Ende dieses "Schwerts" wurde ein rechteckiges Loch hineingeschnitten, in das genau der Servo passt. Der Servo, und damit auch der gesamte Antrieb ist darin auf einfache Art mit zwei Maschinenschrauben (M2) befestigt und kann so auch leicht wieder ausgebaut werden. Der große Vorteil der Verwendung von Balsaholz gegenüber künstlicher Materialien, wie Depron oder Styropor (die zwar etwas leichter wären), ist seine Stabilität und Verwindungsfestigkeit. Um auch der gesamten Elektronik einen sicheren Platz geben zu können, wurde an dem senkrechten "Schwert" zusätzlich eine längere Balsaleiste angebracht. So finden Motortreiber, Akku, Arduino und X-Bee ihren Platz. Zur Befestigung des Ultraschallsensors wurde ein kleines, würfelförmiges Stück Styropor angeklebt, wodurch gewährleistet wird, dass der Ultraschallsensor stets senkrecht auf den Boden zeigt. Optisch immens aufwertend ist ein äußerst liebevoll gestaltetes Balsa-Herz mit der eingebrannten Inschrift "FAT" und die am Heck der Gondel aus dem Nachbrenner quellenden Flammen.

Vorstadien:

- provisorische Gondel aus Styropor: Der Aufbau ähnelte bereits der finalen Version, nur dass anstelle von Balsaholz Styropor verwendet wurde. Dieses Material hatte jedoch den Nachteil, dass sich der Servo nicht fest anbringen ließ und dadurch der gesamte Antrieb stark schwanken konnte.

- erste Gondel aus Balsaholz ("Der Elefant"): Der Styroporgondel folgte eine erste Konstruktion aus Balsaholz. Das Prinzip blieb erhalten, nur war diese Gondel aufgrund mehrerer geleimter Verstrebungen deutlich stabiler. Allerdings war diese Version der Gondel auch etwas wuchtig geraten und war somit um die Hälfte schwerer als ihr Styropor-Vorgänger.

 

3. Aufbau der Elektronik

Die komplette an Board befindliche Elektronik wurde mit kleinen Stücken von doppelseitigem Klebeband angebracht. So können die Bauteile zur Not einfach abmontiert werden. Die IMU wurde mit einem extra Klett-Punkt auf der Vorderseite des Ballons angebracht, was durch die vergrößerte Entfernung zu den Motoren etwaige Störeinflüsse auf den in der IMU verbauten Magnetsensor reduziert. Aus diesem Grund wurden auch sämtliche Drähte, durch die ein relativ hoher Strom fließt, verdrillt. Das zur IMU führende Verlängerungskabel (natürlich auch verdrillt) ist absteckbar.

3.1. Stromversorgung

Die finale Stromversorgung sieht folgendermaßen aus:

Ziel war es so wenig und so leichte Bauteile wie möglich zu verbauen. Aus diesem Grund entschieden wir uns, einen einzelligen LiPo-Akku, der im vollen Zustand eine Leerlaufspannung von etwa 4,1V aufweist. Mit einer Kapazität von 1000mAh ist zudem eine ausreichend lange Flugdauer gewährleistet. Das einzige nachgeschaltete Bauteil ist eine gewöhnliche Diode: Diese befindet sich vor dem X-Bee, wodurch dieses direkt mit etwa 3,3V versorgt werden kann. Alle übrigen Bauteile (Ultraschall, Servo, Arduino, IMU, Motoren) werden direkt vom Akku gespeist. Diese Methode bringt zwar den Arduino zum Übertakten, was dieser jedoch problemlos verkraftet, ist aber mit Abstand die einfachste und leichteste Möglichkeit die Elektronik mit Strom zu versorgen.

Vorstadium:

Verwendung eines zweizelligen Akkus mit 7,4V: Mit einem einfachen Spannungsregler (LM317) wurden 5V generiert. Diese Spannung ist erforderlich für: Arduino, Ultraschall-Sensor, Servo und X-Bee mit Adapter. Von den 5V ausgehend wurde mittels zweier seriell verschalteter, gewöhnlicher Dioden zusätzlich eine Spannung von 3,4V erzeugt, da an jeder Diode im belasteten Zustand etwa 0,7V abfallen. Diese 3,4V wurden gebraucht für die Versorgung der Motoren. Im Grunde wäre diese Stromversorgung (2 Zellen mit Spannungsregler) die zuverlässigste Methode, um die benötigte Elektronik zu versorgen. Allerdings brachte die Gondel damit satte 25 Gramm zu viel auf die Waage.

3.2. Motortreiber

Auch beim Aufbau des Motortreibers wurde darauf geachtet, dass dieser so wenig Gewicht wie möglich hat. Aus diesem Grund entschieden wir uns den Motortreiber "in der Luft" zusammenzulöten, das heißt ohne Verwendung einer Platine als Grundplatte. Das zentrale Bauteil unseres Motortreibers ist das IC L293, eine vierfache H-Brücke, die es ermöglicht zwei Gleichstrommotoren unabhängig voneinander anzusteuern. Dabei wurde der Schaltplan aus dem Datenblatt des L293 verwendet, der zusätzlich zum IC lediglich 8 gewöhnliche Dioden benötigt. Da bei unserem Antriebssystem bestehend aus vier Motoren sich je zwei Motoren in die gleiche Richtung drehen, wurden diese beiden Motoren je parallel verschaltet. Die benötigte Spannung bleibt dadurch die gleiche, nur der Strombedarf verdoppelt sich, was der Motortreiber aber aufgrund der recht kleinen Motoren locker verkraftet.

Vorstadium:

Zunächst verwendeten wir eine L293-Schaltung mit einer gefrästen Platine. Der Schaltplan entsprach genau dem der zweiten Version. Der gesamte Motortreiber fiel dadurch jedoch recht schwer aus, weshalb wir uns zum Verzicht auf die Platine entschlossen.

3.3. IR-Emitter

Für unser Navigationssystem, welches auf dem Prinzip der Lokalisierung eines Infrarot-Punktes durch ein Kamerasystem beruht, war es nötig, einen möglichst in alle Richtungen strahlenden IR-Punkt an der Gondel zu installieren. Erreicht haben wir dies durch die Verwendung dreier starker IR-Dioden mit einem großen Abstrahlwinkel. Diese wurden an einem aus Styropor geschnitzten Prisma (Grundfläche: gleichseitiges Dreieck) mit Heißkleber fixiert und seriell verlötet. Ein kleiner Vorwiderstand (2Ohm) begrenzt den Strom, mit einem Schalter kann die Dioden-Verschaltung von der Batterie getrennt werden. Dies ist durchaus sinnvoll, wenn der IR-Punkt nicht benötigt wird, da sonst der Akku sehr schnell entladen werden würde. Mit einem dünnen Karbonröhrchen wurde das Infrarot-Modul mit einigem Abstand unterhalb der Gondel platziert, was die Detektion durch die Kameras bei ungünstigen Winkeln verbessert. Die Anschlusskabel (verdrillter Kupferlackdraht) wurden in der Karbonstange verlegt.

 

3.4. Schaltplan der gesamten Elektronik

Rote Kanten: Spannungsversorgung

Schwarze Kanten: Signalwege

3.5. Anbringung der Elektronik an der Gondel

Der finale Aufbau sieht folgendermaßen aus:

 Bauteile:

  1. X-Bee
  2. IR-LED-Modul
  3. Haken für Abwurfvorrichtung
  4. Servo-Motor
  5. Arduino
  6. Motortreiber
  7. Ultraschall-Sensor
  8. Anschluss für IMU
  9. Zwei der Vier Gleichstrommotoren

3.6. Verwendetes Material

3.6.1. Für Gondelbau

  • 3mm starker Zuschnitt aus Balsaholz
  • kleiner, zurechtgeschnittener Würfel aus EPP
  • Karbonrohre: 4x4mm Rechteckrohr für Antriebsstange; 1,5mm Rundrohr für IR-Modul
  • zur Verbindung der Balsa- und Karbonelemente: Heißkleber
  • zur Befestigung der Antriebsstange am Servomotor: zurechtgeschnittener Platinenrest
  • zur Befestigung der Gondel am Ballon: Klettverbindungen
  • zur Befestigung der Elektronik an der Gondel: Doppelseitiges Klebeband

3.6.2. Für Stromversorgung

  • 3,7V Lithium-Polymer-Akku mit 1000mAh, trennbar durch Schiebeschalter
  • speziell für IMU: DC/DC-Wandler auf 5V
  • 2Ohm Vorwiderstand und Schalter für das IR-Modul

3.6.3. Für Antrieb

  • 4 Gleichstrommotoren
  • Servomotor
  • Motortreiber bestehend aus dem IC L293 (doppelte H-Brücke) und 8 Freilaufdioden
  • je ein 100nF Kondensator pro Motorpaar

3.6.4. Elektronik

  • Arduino Pro-mini
  • 2 X-Bee pro Funkmodule
  • Drotek IMU-Board
  • Ultraschallsensor: SRF02
  • IR-Modul bestehend aus 3 weitstreuenden IR-LEDs (HT-P178IRAQ)

 

4. Fazit

Wir haben bei jedem verbauten Teil versucht so wenig zusätzliches Gewicht wie möglich hinzuzufügen. Eine Ausnahme stellt der verwendete Akku dar. Hier waren wir recht großzügig, obwohl er mit knapp 22 Gramm bereits ein Fünftel des zulässigen Gesamtgewichts beschlagnahmt. Dies ist jedoch sinnvoll, da man so die wichtigen Testphasen übersteht, ohne nach jeder Runde den Akku wechseln zu müssen.

Balsaholz erweckt den Eindruck, ein altmodisches Material zu sein. Jedoch ist es durch seinen phasrigen Wuchs und der damit erhöhten Stabilität für unsere Zwecke künstlichen Materialen (depron und co.) deutlich überlegen.