Flying Circus

 

Inhaltsverzeichnis

1 Überblick

2 Zeitplan

3 Projektstruktur
  
3.1 Konzept
  
3.2 Gondelaufbau
  
3.3 Kommunikation
  
3.4 Navigation
  
3.5 Regelung

 

 

Überblick

In dem dreimonatigen Projektpraktikum soll ein Luftschiff konstruiert werden, welches autonom einen vordefinierten Hindernis-Parcours abfliegt und an einer markierten Stelle ein Rettungspaket abwirft. Dazu müssen folgende Kriterien und Aufgaben eingehalten werden:

  •  Das Team hat während der Mission keinen Zugriff auf das Steuerungssystem des Luftschiffes
  •  Das Luftschiff soll ein Rettungspaket an einer zuvor definierten Position abwerfen
  •  Das Luftschiff darf während der gesamten Mission nicht höher als 2m und tiefer als 0,5m fliegen
  •  Die Dauer eines Durchlaufs zum Absolvieren der Mission beträgt maximal 15 Minuten, wobei zwei Durchgänge erlaubt sind
  •  Sowohl die Gondel, als auch der Ballon dürfen Hindernisse im Raum nicht berühren

Bei der Entwicklung des Luftschiffes sind Umwelteinflüsse, wie Luftzug, IR-Störung, Helligkeits und Temperaturänderungen zu beachten. Zusätzlich ist eine gewisse Toleranz in der Tragkraft des Zeppelinballons zu berücksichtigen.

Unser Team hat sich für einen Ansatz mit drei Motoren entschieden, einen zur Höhenregelung und zwei für die Ausrichtung um die Gierachse. Das Grundgerüst der Gondel soll aus Carbonstangen gefertigt werden, woran der Ausleger für die Motoren befestigt wird.
Verwendet wird ein IMU-Board zum Messen von Höhe, Luftdruck, Magnetfeld und Richtung; drei Motortreiber zur Steuerung und das Arduino-Board zur Berechnung der Steuerbefehle. Ein den Projektangaben entsprechendes Paket kann abgeworfen werden, indem der haltende Draht kurzgeschlossen und somit durchgeschmolzen wird.
Das Gesamtkonzept sieht vor, die Wegfindung am PC zu berechnen. Die aktuellen Positionsdaten sowie die nächsten anzufliegenden Wegpunkte werden am PC berechnet und dann zum Arduino übertragen. Am Arduino wird dann durch die Regelsoftware die notwendige Kursänderung berechnet, die notwendig ist, um den nächsten Wegpunkt, ausgehend von der aktuellen Position, anzufliegen.
Für das Projekt stehen uns die Dokumentationen der letztjährigen Teams zur Verfügung, sowie das über die Jahre entwickelte Indoor-Positioning-System (IPS).

 

Zeitplan

 

 

Projektstruktur

 

Konzept

 

 Unser Team hat sich für einen Ansatz mit drei Motoren entschieden, eine zur Höhenregelung und zwei für die Ausrichtung um die Gierachse. Das Grundgerüst der Gondel soll aus Carbonstangen gefertigt werden, woran der Ausleger für die Motoren befestigt wird. Verwendet wird ein IMU-Board zum Messen von Höhe, Luftdruck, Magnetfeld und Richtung; drei Motortreiber zur Steuerung und das Arduino-Board zur Berechnung der Steuerbefehle.

Für das Projekt stehen uns die Dokumentationen der letztjährigen Teams zur Verfügung, sowie das über die Jahre entwickelte Indoor-Positioning-System (IPS).

Das Gesamtkonzept sieht vor, die Wegfindung am PC zu berechnen. Die aktuellen Positionsdaten sowie die nächsten anzufliegenden Wegpunkte werden dann zum Arduino übertragen. Am Arduino wird dann durch die Regelsoftware die notwendige Kursänderung berechnet um den nächsten Wegpunkt, ausgehend von der aktuellen Position, anzufliegen.

 

Gondelaufbau

Als Aufbau unseres Grundgerüsts haben wir uns für einen Skelettaufbau aus Carbonstangen entschieden. Die Stift-/Buchsenleisten werden entsprechend mit den Carbonstangen per Epoxidklebstoff verklebt, um so ein stabiles und dennoch sehr leichtes Grundgerüst für die Gondel zu erhalten. Der Großteil der Elektronik kann somit einfach aufgesteckt und bei Bedarf getauscht werden, sollten Defekte auftreten.
Die zwei Motoren zur Richtungsregelung werden an einem Ausleger aus Carbon fixiert. Die Ultraschall-Sender für das IPS werden jeweils am Ende des Carbonauslegers montiert. Der Infrarotsender wird mittig positioniert. Der Motor zur Höhenregelung wird mittig auf einem kurzen Carbonausleger platziert. Sollten wir aus technischen Gründen (Ausgleich des Drehmoments bei nur einem Motor) auf zwei Motoren für die Höhenregelung umsteigen, werden diese auf dem großen Carbonausleger jeweils auf einer Seite  montiert.
Um die Trägheit um die Gierachse zu minimieren werden die schwersten Bauteile möglichst nah am Schwer-/Drehpunkt angebracht.

 

Kommunikation

Funkverbindung
Um eine Funkverbindung mit dem PC zu erhalten, wird ein NRF24-Funkmodul verwendet. Über diese Kommunikationsverbindung werden dann die Koordinaten von der Basisstation an den Ballon übertragen. Für Tests können damit auch manuelle Steuerungen übernommen werden. Zusätzlich können vom Ballon verschiedene Statuswerte an den PC  übertragen werden.

 

Aufbauend auf den Positionsdaten des IPS wird auf der Basisstation der optimale Weg durch den Hindernisparcours berechnet. Um Kollisionen mit den Hindernissen zu vermeiden wird ein Sicherheitsabstand um die Hindernisse festgelegt, welcher ungefähr dem doppelten Ballonradius entspricht. Die vollständige Flugroute des Luftschiffes im Slalom um die Hindernisse ergibt sich dann aus Kreissegmenten dieser Radien, welche tangential miteinander verbunden werden.

Der Wegfindungsalgorithmus wird bei Flugbegin zunächst einmalig ausgeführt und erzeugt Wegpunkte, welche der Gondel übermittelt werden und von der Regelungssoftware auf der Gondel weiter verarbeitet werden. Der Flug der Gondel wird laufend von der Basisstation auf Kursabweichungen überprüft. Für den Fall dass die Gondel das Ziel verfehlt und somit ein Toleranzwert für das Einhalten des vorgegebenen Kurses überschritten wird, wird der Wegfindungsalgorithmus erneut ausgeführt und die neuen Wegpunkte der Gondel übermittelt.

Zur Veranschaulichung der laufenden Prozesse der Navigationssoftware, der Position der Gondel sowie dem Zustand des IPS-Systems soll eine graphische Oberfläche verwendet werden. In der dargestellten Karte werden Hindernisse und spezielle Wegpunkte (z. B. Abwurfort, Ziel) per Eingabe festgelegt. Für Notfälle soll auch eine manuelle Steuerung in die Software integriert werden.

 

Regelung

Sowohl Höhen- als auch unsere Richtungsregelung werden mittel PID-Regler gesteuert.

Die Höhenregelung wandelt per PID-Regler die gemittelte Höhenangabe unseres Ultraschalls und die angegegebenen Sollhöhe in Schubwerte für den Höhenmotor um.

 Zur Richtungsregelung werden sowohl IPS als auch das IMU-Board eingebunden, dabei wird die Richtung gemittelt um einen möglichst genauen Wert zu erhalten, da das IMU-Board sehr störanfällig ist. Zuvor werden die erhaltenen Werte sowohl vom IPS als auch von der IMU gefiltert und überprüft ob sinvolle Werte geliefert wurden. EIn PID-Regler verarbeitet dann diese Daten und gibt den Schub für die Motoren aus