Hardware

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Gondelaufbau

Als Aufbau unseres Grundgerüsts haben wir uns für einen Skelettaufbau aus Carbonstangen und Buchsenleisten entschieden. Die Buchsenleisten werden entsprechend mit den Carbonstangen per Epoxidklebstoff verklebt, um so ein stabiles und dennoch sehr leichtes Grundgerüst für die Gondel zu erhalten. Sämtliche Elektronik kann somit einfach aufgesteckt und bei Bedarf getauscht werden, sollten Defekte auftreten.
Die zwei Motoren zur Richtungsregelung werden an einem Ausleger aus Carbon jeweils an einem Ende fixiert. Die zwei Ultraschall-Sender für das IPS werden jeweils am Ende direkt vor den Motoren am Carbonausleger montiert. Die drei Stück Infrarot-LEDs werden mittig am Luftschiff positioniert. Der Motor zur Höhenregelung wird mittig auf einem kurzen Carbonausleger platziert.
Um die Trägheit um die Gierachse zu minimieren wurden die schwersten Bauteile möglichst nah am Schwer-/Drehpunkt angebracht.
Beim Verkleben der Gondel war besonders darauf zu achten, dass die Klebestellen vorher mit einem Schleifpapier oder einer Feile angeraut werden, um eine bessere Klebestelle zu erhalten.
Als Klebstoff wurde ein 2K-Epoxyd-Kleber verwendet. Es ist darauf zu achten, dass die Teile erst ca. 24 Stunden nach dem Verkleben beansprucht werden, da es sonst zu kleinen Rissen in der Klebestellen kommen kann, welche die gesamte Konstruktion schwächen können.
Die Motoren wurden nur mit Heißkleber befestigt, da diese bei einem Sturz relativ häufig abbrechen und der Heißkleber leichter zu ersetzen ist, als wenn man sie mit Epoxyd-Kleber befestigt.

Schaltplan

Hier ist die schaltungstechnische Verbindung der einzelnen Elektronikkomponenten zu sehen.
Als Draht wurde ein Lackdraht mit einem Durchmesser von 0,35mm verwendet. Dieser stellte sich als sehr robust heraus und man konnte durch die fehlende Kunststoffisolierung ein bis zwei Gramm an Gewicht einsparen. Wir haben uns für diesen doch recht großen Durchmesser entschieden, da dieser Draht deutlich angenehmer zu handhaben ist, als ein sehr dünner Draht und er auch eine gewisse mechanische Robustheit aufweist.
Es wurden immer nur die einzelnen Buchsenleisten verdrahtet. Die Komponenten werden dann einfach per Stiftleisten eingesteckt.

Komponenten

 

Arduino Pro Micro:
Das uns zur Verfügung gestellte Arduino-Board bildet das Herzstück unserer Gondel. Es dient der Regelung bzw. dem Ansteuern der Motoren. Der integrierte ATmega32U4 sowie die fünf vorhandenen PWM Pins stellten uns, aufgrund deren geringer Anzahl, vor einige technische Herausforderungen.

Akku:
Verwendet wird ein zweizelliger Akku mit 7,4V und einer Kapazität von 300mAh, der mit 16.5 Gramm eine der schwersten Komponenten unsere Gondel ist.

Motoren:
Wir haben uns für drei sehr leichte und kompakte Motoren entschieden. Davon verwenden wir einen Motor zur Höhenregelung und zwei zur Richtungssteuerung. Die Motoren werden mit 5V über die Motortreiber angesteuert.

Motortreiber:
Wir verwenden drei Stück TB6612FNG Breakout Motortreiber. Somit haben wir sechs voneinander unabhängige H-Brücken-Kanäle. Drei davon werden jeweils für einen Motor benötigt. Zwei Stück sind für die Ultraschallwandler vom IPS zuständig und ein Stück übernimmt die Ansteuerung der IR-LEDs für das IPS-System.

NRF:
Als Kommunikationsschnittstelle verwenden wir ein NRF-Modul (nrf24l01). Dieses Modul wird über die SPI-Schnittstelle mit dem Arduino-Board verbunden und angesprochen. Da das NRF-Modul eine Versorgungsspannung von ca. 3V benötigt und wir keinen eigenen Spannungswandler nur für dieses Modul einbauen wollten, haben wir uns für eine einfache Diodenschaltung entschieden. Zwischen der Versorgung vom NRF und den 5V haben wir eine rote LED geschaltet, die den notwendigen Spannungsabfall erzeugt. Parallel zum NRF wurde noch eine Zenerdiode mit 3V3 geschaltet, um eine Überspannung zu verhindern. Diese Schaltung vereint gleich mehrere Vorteile. Man erkennt durch das Leuchten der LED sofort, ob die komplette Hardware mit Spannung versorgt wird. Zusätzlich sieht man durch die unterschiedliche Stromaufnahme des NRF im Sende- und Empfangsmodus und das daraus resultierende Blinken der LED, ob aktuell eine Kommunikation mit dem PC stattfindet.

Ultraschall:
Explizit zur Höhenmessung verwenden wir einen eigenen Ultraschallsensor (SRF02), was zwar zusätzliches Gewicht bedeutet jedoch eine präzise Höhe liefert. Der Sensor wird per I2C mit dem Arduino-Board verbunden und kann mit diversen Befehlen (siehe Software) angesprochen werden.

Spannungswandler:
Um die benötigten Spannungen von 5V und 12V aus der Akkuspannung zu erzeugen, verwenden wir zwei Schaltregler-Module von Pololu. Diese Modul sind sehr klein und zuverlässig und sind auch günstig in der Anschaffung. Durch die Verwendung eines Schaltregler konnten wir auch die Verluste in Grenzen halten und konnten dadurch eine längere Akkulaufzeit als mit Linearreglern erreichen.

Inverterbaustein:
Der Inverterbaustein dient der Ansteuerung der Motortreiber. Um die verschiedenen Modi (Drehrichtung der H-Brücken) auszuwählen, benötigt man immer zwei inverse Signale. Im Normalfall müsste man dafür zwei Arduino Pins verwenden. Da die Pins aber nicht ausreichend sind, kann man durch einen Inverter jeweils einen Arduino Pin einsparen. Dadurch konnten wir sämtliche Funktionalitäten integrieren.

Abwurf:
Um das Paket abzuwerfen, wird der Draht an dem das Paket befestigt ist, einfach über einen Logic-Level-Mosfet mit der Akkuspannung kurzgeschlossen. Dadurch fließt kurzzeitig ein ausreichend hoher Strom, um den Draht zum verglühen zu bringen. Durch Verwendung eines Logic-Level-Mosfets konnte eine Vorschaltung eingespart werden, da dieser Mosfet direkt mit einem Arduino-Pin angesteuert werden kann.

IMU:
Als IMU kommt ein Breakout Board von Drotek mit einer integrierten MPU9150 zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um eine 9DOF-IMU. Das Board wird direkt über den I2C-Bus mit dem Arduino-Board verbunden.

 

Bodenstationen

Für die Realisierung unseres Doppel-IPS Ansatzes benötigen wir mindestens zehn Stück Bodenstationen. Ein Großteil der vorhandenen Stationen waren jedoch defekt. Wir mussten einige der alten Stationen reparieren bzw. haben uns dafür entschieden, neue Bodenstationen mit einem neuen, verbesserten Layout anzufertigen.
Sämtliche funktionsfähige Bodenstationen wurden dann auf der Unterseite mit einem Lötstopplack überzogen, um Fehler durch Verschmutzung oder Berührung zu verhindern. Dies stellte sich als sehr gute Lösung heraus.