Gondel Hardware

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Hardware

 

Aufbau

Die Gondel hat 3 Motoren. Einer ist für das Halten der Höhe zuständig, die anderen beiden für den Schub und die Richtung. Der Höhenmotor sitzt an einem Carbonhalter ca. 5cm unterhalb der Gondel, mittig unter dem Ballon. Die zwei anderen Motoren befinden sich jeweils auf halber Höhe des Ballons und damit nicht an der Gondel. Sie sind in dreieckförmige Styroporstege eingebettet um genügend Stabilität und Abstand zum Ballon zu haben. 
Die Gondel und die seitlichen Motoren sind mit Klettstreifen an den Ballon fixiert und leicht wieder abnehmbar.
Das Gewicht der gesamten Gondel beläuft sich auf 96,2g.

 

 Gonel mit Seitenmotoren  

 

Ballon bestücken (how to fly)

Wird ein "frischer" Ballon, also ohne irgendwelche Klettstreifen verwendet, dann sollte man zuerst die Klettsreifen für die seitlichen Motoren anbringen. Dies erleichtert eine gleiche positionierung der Motoren. Die bisher verwendeten Ballons hatten einen Ring mit schwächerer Farbe auf ihrer Oberfläche, an dem man die Motoren hervorragend ausrichten kann. Hat man die seitlichen Motoren angebracht, spannt man eine Schnur zwischen ihnen. In der Mitte der Schnur können jetzt die Klettstreifen für die Gondel aufgeklebt werden.

Wurden Motoren und Gondel angeklettet müssen nur noch die seitlichen Motoren an die Gondel gesteckt, die Positionssender und der Akku eingelegt werden.

 

Die diversen Schnittstellen

 

Wie stecke ich richtig die Batterie an

 

Wie stecke ich die Motoren richtig an:

 

Komponenten

Arduino

Vom Lehrstuhl für Datenverarbeitung wurde ein Arduino Pro Mini 5V 16 Mhz ATmega 328 zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe dieses Microcontrollers sollte die Regelung des Zeppelins realisiert werden. Weitere Informationen zum Arduino Pro Mini erhält man unter www.arduino.cc. Um sich mit dem Programmieren von Arduino-Microcontrollervertraut zu machen, wurden Tutorials von den Seiten www.adafruit.com und www.fritzing.org gemacht.

Das nachfolgende Bild zeigt die Verdrahtung auf der Gondel mit dem Arduino als zentralem Steuerorgan.

Layout 

 

 

Akku

Zuerst wurde ein Akku der Firma Hacker mit 7,4V und einer Kapazität von 350mAh (Artikelnummer : 93285) verwendet. Desto weiter der Gondelaufbau voranschritt desto schwieriger wurde es die Gewichtsgrenze von 100g einzuhalten. Um das Gewicht der Gondel zu reduzieren, wurde entschieden einen kleineren Akku zu verwenden, da bei den anderen Komponenten der Gondel kaum Gewichtsersparnis möglich war.  Der neue Akku wurde aus 2 Einzelzellen mit je 3,7V und 120mAh (Artikelnummer: 467c54) zusammengebaut. Die Zellen wurden seriell verschalten um auf die benötigten 7,4V zu kommen. Der Grund für die Verwendung dieser Zellen, war ihr geringes Gewicht von unter 4g je Zelle und das diese unbenutzt im Daedalusraum herumlagen. Durch diesen neuen Akku konnten fast 20g eingespart werden.

 

 

Motoren

Bei den Motoren wurde sich Aufgrund von Gewicht, Spannungsbereich und Leistung für drei Motoren des Typs Motraxx Mikro-Elektromotor N20VA (Artikelnummer: SFF-N20VA)
entschieden.Sowohl für die Steuerung der Richtung als auch für die Steuerung der Höhe wurde der selbe Motorentyp verwendet. Nach intensivem Testen mit diesem Setup an Motoren können wir folgendes berichten: 

Der Höhenmotor war für seine Aufgabe optimal dimensioniert. Die Seitenmotoren mussten wir allerdings viel zu stark drosseln um einen stabilen Flug zu erreichen. Daraus resultierte dass man sie nicht mehr fein genug ansteuern konnte um dem System die letzte Portion Feinabstimmung zu ermöglichen.

Herstellerseite: http://www.motraxx.com/produktsegmente/mikromotoren/details.html?product=10&action=detail

 

 

Motortreiber

Als Motortreiber wurden L293D (Artikelnummer: L 293 D) ICs verwendet. Mit jedem Treiber können 2 Motoren gesteuert werden. Pro Motor sind 3 Pins auf dem Arduino erforderlich, sofern diese in verschiedene Richtung drehen sollen.

VSS -  Versorgungsspannung für den IC selbst 
VS -  Versorgungsspannung für die Motoren
Enable 1 -  PWM Signal; Geschwindigkeit Motor 1; 0<v<255; 255=Maximale Drehzahl
Input 1 -  Richtung Motor 1, zusammen mit Input 2 für Umpolung des Motors
Input 2 -  Richtung Motor 1, zusammen mit Input 1 für Umpolung des Motors
Enable 2 -  PWM Signal; Geschwindigkeit Motor 2; 0<v<255; 255=Maximale Drehzahl
Input 3 -  Richtung Motor 2, zusammen mit Input 4 für Umpolung des Motors
Input 4 -  Richtung Motor 2, zusammen mit Input 3 für Umpolung des Motors
Output 1 -  +/- für Motor 1, kann durch Input 1/2 umgepolt werden
Output 2 -  +/- für Motor 1, kann durch Input 1/2 umgepolt werden
Output 3 -  +/- für Motor 2, kann durch Input 3/4 umgepolt werden
Output 4 -  +/- für Motor 2, kann durch Input 3/4 umgepolt werden


Pins von L293D

 

 

Propeller

http://www.conrad.de/ce/de/product/233127/Slow-Flyer-Propeller (Artikelnummer: WR351)

Propeller an der Seite

Ein Problem mit den Propellern war, dass die Achse der Motoren viel dünner war als das Loch der Motoren. An ein einfaches "Aufstecken" war nicht zu denken. Mit Klebstoff und eine Menge Feingefühl wurden die Propeller bestmöglich auf den Achsen ausgerichtet.

 

Abwurf

Um den geforderten Abwurfmechanismus eines "Rettungspakets" zu realisieren haben wir uns für einen Servomotor entschieden. Wie auf dem Bild zu erkennen ist, kann das Rettungspaket auf einem Haken am drehbaren Teil des Servos angebracht werden. Dreht sich dieser nun, wird das Paket abgeworfen.

 

 

IMU

Zur Ausrichtung des Luftschiffes wird eine IMU verwendet die sich alle Teams teilen:

http://daedalus.ei.tum.de/index.php/de/dokumentation/material/sensoren/drotek-imu

Diese besteht aus Gyroskop, Beschleunigungssensor und einem magnetischen Kompass. Die Erfahrungen des letzten Semesters zeigten, dass der Kompass sehr Störungsanfällig ist. Nach einigen Versuchen mit dem Gyroskop stellten wir fest dass dessen Lage (ob gekippt oder gerade) keinen Einfluss auf den gemessenen Winkel hatte.

Deshalb nutzen wir nur das Gyroskop.

Erfahrung: Etliche Tests zeigten dass unser Gyroskop äußerst stabile und genaue Werte liefert. Allerdings fanden diese Tests auf einem ruhigen Tisch statt. Die Wahrheit auf dem Zeppelin sah leider anders aus: Das Gyroskop musste mit Vibrationen kämpfen und lieferte keine brauchbaren Werte mehr. Dies wurde allerdings zu spät festgestellt um dem noch eine Lösung dafür zu finden.

 

 

XBee

Um eine Kommunikation zwischen unserer Rechenzentrale am Computer und der Gondel herzustellen wurde ein (gemeinsam mit allen anderen Teams verwendetes) XBee-Modul hergenommen. Der Vorteil liegt ganz klar in der einfachen Bedienung: um etwas zu senden benötigt man den Befehl Serial.print() und um etwas zu empfangen den Befehl Serial.read(), identisch zu der Kommunikation wenn der Arduino am PC via USB-Kabel angesteckt ist. Die Daten die man senden möchte und die, die man empfängt müssen allerdings noch verarbeitet werden. Siehe dazu den XBee-Teil im Bereich Software weiter unten.

http://daedalus.ei.tum.de/index.php/de/dokumentation/material/funk/xbee-module

Anleitung: http://daedalus.ei.tum.de/index.php/de/dokumentation/anleitungen/xbee-konfiguration

 

 

Spannungswandler

Für unser Gondelkonzept wurden drei unterschiedliche Spannungen benötigt, 3,3V, 5V und 14V. Die 3,3V benötigen das Arduino Pro Mini, sowie das Xbee. Die 5V Spannung versorgt den Infrarotsender, den Servo für den Abwurf und die IMU. Die 14V wurden vom Ultraschallsensor genutzt. Diese hohe Spannung war nötig um eine höhere Reichweite des Ultraschallsenders zu erreichen. Die 14V werden durch einen selbstgebauten step-up Wandler mit einem MC34063 IC bereitgestellt. Zu Beginn des Projekts wurde die 3,3V Versorgung durch einen Linearregler realisiert. Dieser wurde wegen seiner geringen Energieeffizienz durch einen DC/DC- Wandler ersetzt. Somit wird sowohl die 3,3V als auch die 5V Spannungsversorgung durch DC/DC-Wandler erreicht.

MC34063 Design Tool

 

DC/DC 5V           http://www.conrad.de/ce/de/product/154483/DCDC-Wandler-Serie-R-78xx-SIP-3-Recom-International-R-7850-05-Ausgangsspannung-5-VDC-Ausgangsstrom-05-A-Eingang (Artikelnummer: R-785.0-0.5)

DC/DC 3,3V         http://www.conrad.de/ce/de/product/154481/DCDC-Wandler-Serie-R-78xx-SIP-3-Recom-International-R-7833-05-Ausgangsspannung-33-VDC-Ausgangsstrom-05-A-Einga (Artikelnummer: R-783.3-0.5)



 

Bodenstation

 

Zur Positionsbestimmung haben wir das Indoor Positioning System (IPS) verwendet.

http://daedalus.ei.tum.de/index.php/de/dokumentation/projektpraktikum/sose13/gemeinsames-ips

Da dieses System mit zunehmender Anzahl an Bodenstationen genauer wird haben wir in Kooperation mit dem Team Blowfish weitere Bodenstationen gelötet. 

Dazu muss zuerst das Layout der Bodenstationen auf eine Platine gefräst werden. Dies geschieht mit der lehrstuhleigenen Platinen-Fräsmaschine. Danach müssen alle nötigen Bauteile auf die Platine gelötet werden. Dies verlangt viel Fingerspitzengefühl da es sich zum Teil um äußerst kleine Lötstellen handelt, zum Beispiel bei dem Mikrocontroller oder den SMD-Bauteilen. Wenn alles gelötet ist muss noch das Programm auf den Mikrocontroller geflasht werden und mit dem Oszilloskop eine Feineinstellung des Potentiometers vorgenommen werden.