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Multicopter selber bauen

31.07.2014 | 10:00 Uhr |

Mit Coptern zu spielen ist gerade ein angesagter Trend. Hier lesen Sie, wie man sich ein solches Spielzeug konstruiert und was dazu nötig ist.

Männer und ihre Spielzeuge: Da wäre einmal Daniel Wolf, Geschäftsführer einer Marketing-Agentur und Betreiber der Website rc-quadrocopter.de , der von sich selber sagt: „Das Kind in mir ist wohl nie kleinzukriegen. Modellbau ist meine Leidenschaft. Mit Multicoptern beschäftige ich mich seit über 5 Jahren. Aus diesem Hobby heraus ist auch die Website entstanden, auf der wir neue Produkte testen und Tipps und Tricks beschreiben.“ 

Und Sebastian Haas, Redakteur bei rc-quadrocopter: „Von kleinauf haben mich Luftfahrzeuge und technische Wunder begeistert. Von der Flächen-Fliegerei über die Fotografie geleitet kam ich zum Trend Multicopter. Die unzähligen Möglichkeiten dieses Themenkomplexes faszinieren mich jedes Mal aufs Neue."

Hier beschreibt Haas sein Projekt Tarot FY680.

Die Anforderungen

Ich wollte einen kompakten Hexacopter mit weniger als fünf Kilogramm Abfluggewicht und einer möglichen Nutzlast von zirka einem Kilogramm. Um ein geringes Transportmaß zu erreichen, sollten die Ausleger über einen Klappmechanismus verfügen. Eine große Auswahl an klappbaren Rahmenkonstruktionen fand ich bei Tarot . Die Rahmen waren preiswert, so sie der Herstellerbeschreibung entsprechen, und so entschied ich mich für den FY680 für 112 Euro. Dazu kamen 29 Euro für den Versand, die zwar im Vergleich zum Warenpreis recht hoch sind, aber alles in allem waren die Kosten doch vertretbar.

Der Rahmen Tarot FY680
Vergrößern Der Rahmen Tarot FY680
© rc-quadrocopter

Die Steuerelektronik: Das Herzstück des Multicopters sollte die V2-Version des Naza M von DJI samt GPS und PMU (Power Management Unit)-Modul werden. Da ich schon seit langem das M-Link-System von Multiplex Modellsport nutze, wurde dieses Mal ein telemetriefähiger 9-Kanal-Empfänger mit integriertem Diversity geordert.

Der Motor: Ich habe mich für einen Multistar 2814-700 von Hobbyking entschieden, mit 340 W Dauerleistung, 14-polig, 700 KV und mit drei oder vier Zellen Lithium-Polymer betreibbar. Von Graupner stammt der 11 x 5-Zoll-CFK-Propeller, der auch mit der Belastungsgrenze von 25 A keine Probleme haben sollte. Jeder Motor wird mit Propellermitnehmer und Montagekreuz sauber verpackt geliefert.

Praktisch: Die Befestigungsgewinde passen perfekt zu den mitgelieferten Motorträgern von Tarot.

Motorträger-Mitnehmer
Vergrößern Motorträger-Mitnehmer
© rc-quadrocopter

In der Multistar-Serie von Hobbyking findet sich auch der passende 30-A-Regler. Da die Stromversorgung für Steuerung und Empfänger später von der PMU übernommen wird, ist im Drehzahlsteller kein interner Spannungsregler nötig. Die Multistar 30-A-Opto-Version genügt somit.

Aus Platz- sowie statischen Gründen liefern zwei identische Lipos die nötige Energie, sie sind parallel geschaltet. Jeder der beiden dreizelligen Akkus hat eine Kapazität von 4 Ah und ist mit bis zu 30 C belastbar. Zusammen ergibt das 89,6 Wh, damit sollte eine angestrebte Flugzeit von 15 Minuten möglich sein.

Der Bausatz: Hier kommt ein von N-Factory angebotenes Servo-Gimbal (Gimbal-Mount X800) zum Einsatz. In Verbindung mit schnellen Servos ( Savöx / HiTec ) bietet dieses Gimbal die Möglichkeit, die unterschiedlichsten Kameras aufzunehmen. Der Bausatz enthält unter anderem mehrere vibrationsdämpfende Elemente, beispielsweise die Aufhängung. Mit Hilfe des von DJI bereitgestellten PC-Assistenten lässt sich das 2-Achs-Gimbal brauchbar konfigurieren. Wer allerdings den 100 Prozent smoothen Shoot sucht und fix bei einer Kamera bleibt, sollte auf ein Brushless-Gimbal setzen.

N-Factory liefert passgenaue Teile, die Anleitung lässt keine Fragen offen.

Der Bausatz Gimbal-Mount X800
Vergrößern Der Bausatz Gimbal-Mount X800
© rc-quadrocopter

Die Servos werden zwar vom Naza angesteuert, die Stromversorgung übernimmt dagegen ein externes BEC (BEC BOY 3A von Pichler Modellbau ). Es liefert 5 V und ist mit bis zu 3 A Dauerstrom belastbar. Das Gimbal wird erst durch das Aufschieben eines Hoppers aktiviert, so stören die Servos während der Startvorbereitungen nicht.

 

Live-Daten: Während eines Fluges ist vor allem die Akkuspannung und die bereits entladene Kapazität von Bedeutung. Dass UniSense-E, die kleine Sensoreinheit von SM Modellbau, zusätzlich noch Auskunft über die Höhe (barometrische Messung) des Multicopters gibt, kann in manchen Fällen praktisch sein. Außerdem kann das UniSens-E als Vario (sinken/steigen), Drehzahlmesser bzw. Amperemeter genutzt werden. Bei der Installation ist lediglich zu bedenken, dass es sich im beschriebenen Fall um eine Parallelschaltung zweier Akkumulatoren handelt. Eine ausführliche Anleitung hilft hier detailliert weiter. Das UniSens-E unterstützt eine Vielzahl von Telemetrie-Systemen sowie das S-Bus-System von Multiplex.

UniSens-E
Vergrößern UniSens-E
© rc-quadrocopter

Während des Fluges Daten abzulesen ist fast unmöglich, während einer Kamerafahrt gänzlich ausgeschlossen. Deshalb musste eine Sprachausgabe her. Die Royal Pro 9 von Multiplex bietet die Möglichkeit, ein externes Telemetrie-Display anzuschließen. Anstelle des Displays kommt aber ein Bluetooth-Baustein (15Euro, flyduino.net ) zum Einsatz. Die App von Ubit-RC bedient sich dann der Google-Sprachausgabe eines Androidgeräts, außerdem werden die Daten auch auf dem Display der Startdevice aufgelistet. Die App deckt viele Individualitäten ab und hat mich noch nie im Stich gelassen.

 

Die Lieferung

Tarot-rc ist zuverlässig, die angegebenen Lieferzeiten werden eingehalten. Die aus CFK gefertigten Teile weisen keine Grate auf, das Carbon erscheint wertig. Mängel, beispielsweise Lufteinschlüsse, konnte ich keine finden. Die eloxierten Aluteile werten das Erscheinungsbild zusätzlich auf. Alle Bohrungen, die für den Aufbau benötigt werden, sind bereits vorhanden. Die herstellerseitig geschnittenen Gewinde sind verzugsfrei. Allerdings war ein Großteil der mitgelieferten Schrauben unbrauchbar, ich habe sie durch hochwertigere ersetzt.

Leider hatte ich noch eine ältere Rahmenversion bestellt, die mit Aluminiumauslegern geliefert wird. Die Alurohre sind viel zu dünnwandig, um den Belastungen über einen längeren Zeitraum standhalten zu können. Ich habe sie durch die bei Tarot-rc erhältlichen 16 x 33-mm-CFK-Rohre ersetzt. Um die Gelenkaufnahme an den neuen Auslegern montieren zu können, ist eine exakte Bohrung nötig, die mit einer Standbohrmaschine und einem Prisma ausgeführt wird.

Das beiliegende Plastik-Landegestell ist nicht gerade stabil, es wird ebenfalls ersetzt.

Zum  Aufbau benötigt man folgende weiteren Hilfsmittel:

  • Imbuswerkzeug

  • Isoliermaterial

  • Elektronikmaterialien

  • Klett-Akku-Schlingen (Pichler Modellbau)

  • Lötausrüstung

  • Kabel

  • diverse Schrauben und Muttern (M3; M2,5; M2)

  • Gewebeschlauch

  • Sekundenkleber (Cyanacrylat, Yuki Modellbau ), Heißkleber,  Locktide

  • Stecker (MPX Hochstromsystem, Goldstecker)

  • Kabelbinder

 

Der Aufbau des Tarot FY680

Eine Seite Anleitung ist tatsächlich etwas wenig, in einschlägigen Foren findet man aber umfassendes Bildmaterial. Die passgenauen Einzelteile lassen ansonsten keine Fragen beim Aufbau offen. Bevor alle Schrauben mit Locktide vibrationsfest gemacht werden, sollten die einzelnen Elektronikelemente verbaut werden und die Kabel verlegt sein. Um Kabelsalat bei sechs Motoren zu vermeiden, empfiehlt sich eine Stromverteiler-Platine ( XXL-Modellbau ). Der Rahmen ist in etwa einer Stunde zusammengeschraubt. Bis der Multicopter flugfertig ist, vergeht aber deutlich mehr Zeit.

Das Centerplate
Vergrößern Das Centerplate
© rc-quadrocopter

 

Motorhalterung
Vergrößern Motorhalterung
© rc-quadrocopter

Steuerelektronik: Das Naza M V2 wird etwas erhöht auf einer Carbonplatte verbaut, die mit Aluabstandshaltern auf der Centerplate verschraubt ist. PMU und Alu-GPS-Aufnahme finden seitlich davon ihren Platz. Alles wird mit den beiliegenden M3-Klebepads befestigt. Den GPS-Träger habe ich zusätzlich verschraubt. Die mitgelieferte Rowing-Stange wird angeschliffen und danach mit Sekundenkleber in den Aluhülsen verklebt. Auf der Centerplate wird der Empfänger befestigt. Die beim Naza enthaltenen Patchkabel verwende ich für die Verbindung mit dem Empfänger. Wichtig ist, dass die Antennen des Empfänger-Diversitys nicht direkt am Carbon verlegt werden. Für optimalen Empfang habe ich die Antennen im 90-Grad-Winkel am Landegestell (GFK) angebracht. Zuletzt wird das UniSens-E am Bus-Anschluss des M-Link-Empfängers angeschlossen.

Naza-Empfänger
Vergrößern Naza-Empfänger
© rc-quadrocopter
Landegestellclips
Vergrößern Landegestellclips
© rc-quadrocopter

 

Antriebssetup: Bei den 14-poligen Außenläufern ist im Lieferumfang ein passender 6-mm-Propellermitnehmer enthalten. Dieser wird mit drei Imbusschrauben auf der Motorglocke verschraubt. Hobbyking liefert mit den Motoren gute Qualität, das Preis/Leistungsverhältnis stimmt. Die Kombination mit den Multistar-Reglern scheint perfekt. Die verwendeten Propeller entwickeln selbst bei voller Leistung keine störenden Geräusche.

Hochwertige M3 dienen der Befestigung auf den CFK-Motorträgern, die Bohrungen passen ohne zusätzliche Nacharbeit. Um die Motoren mit den Reglern auf der Centerplate zu verbinden, nutze ich selbstgeflochtene Kabelstränge mit identischem Kabeldurchmesser, wie man sie auch an den Motoren findet. Die einzelnen Stränge schütze ich an den kantigen Stellen mit Nylongewebeschlauch, genau wie alle Kabel, die durch mechanische Einwirkungen beschädigt werden könnten.

Centerplate Draufsicht
Vergrößern Centerplate Draufsicht
© rc-quadrocopter

Die Regler sitzen mit Kabelbindern auf einem Moosgummistück befestigt auf der oberen Centerplate und werden mit Goldsteckern mit den Strängen der Motoren verbunden. Die Regler werden einfach auf dem Stromverteilerboard angelötet, dabei muss man lediglich auf eine maximale Kontaktfläche achten. Das Stromverteilerboard wird mit hochbiegsamem Vierquadratkabel mit den Akkus verbunden. Zwischen das Verteilerboard und die beiden Akkus wird das UniSens-E in den Stromkreis eingelötet.

Die beiden Akkus sind parallel angeschlossen, als Stecksystem setze ich auf bewährte Multiplex-Hochstromstecker.

Die Signalkabel der sechs Regler sind herstellerseitig bereits lang genug, um sie sicher zum Naza führen zu können. Damit man den Überblick nicht verliert, ist eine übersichtliche Nummerierung der Kabel der einzelnen Regler sowie der Motoren wichtig. Außerdem habe ich an den Auslegern die vorgesehene Drehrichtung des Motors vermerkt. So kann man viele Fehlerquellen präventiv beseitigen.

Kameraaufhängung (Gimbal): Für das Gimbal verschraube ich vier Distanzstücke mit M2,5-Gewinde an den Nutzlaststangen des Rahmens. An diesen wird die obere Platte der vibrationsdämpfenden Befestigungseinheit des Gimbals verschraubt. Auch die Nutzlaststangen selber sind in Gummistoppern gelagert und damit bedingt vom Rahmen entkoppelt. Am Gimbal ist außerdem das BEC verbaut, das die Servos versorgt. Die FPV-Einheit habe ich ebenfalls am Gimbal befestigt. Die kleine Kamera hat so den gleichen Blickwinkel wie die Filmkamera.

Landegestell: Tarot bietet mittlerweile ein manuell klappbares Landegestell an. Das noch bei meiner Bestellung mitgelieferte Landegestell ist leider nicht zu gebrauchen. Also war Improvisieren angesagt.

Hierzu habe ich mir einen GFK-Bügel bestellt, der eigentlich für Flugzeuglandegestelle gedacht ist. Diesen Bügel habe ich zweigeteilt und an den Nutzlaststangen befestigt. Als Kufen dient ein Aluvierkant aus der Restekiste.

Improvisiertes Landegestell unterm ausgeklappten Copter
Vergrößern Improvisiertes Landegestell unterm ausgeklappten Copter
© rc-quadrocopter

 

Ausleger: Die Ausleger sind nicht nur klappbar ausgeführt, sie nehmen auch gleich die Kabel für die Motoren in sich auf. In der Endposition wird jedes Rohr in einer Plastikklemme arretiert. Die Rasten dienen auch als ein Hauptpunkt für die Krafteinleitung des Auslegers in die Centerplate. Die Rasten halten allen Beanspruchungen problemlos stand, die Alurohre hingegen wiesen bereits nach vier Flügen Verformungen an den Klemmstellen auf. Bevor diese Sollbruchstelle zu einem Absturz führte, habe ich bei Tarot die alternativ erhältlichen CFK-16-mm-Rohre bestellt. Sie haben deutlich mehr Stabilitätsreserven, die dünnwandigen Aluausleger haben damit ausgedient. Angeschliffen können die Carbonrohre mit Sekundenkleber in den Plastikaufnahmen verklebt werden, hierdurch wird die Verwindungssteifigkeit zusätzlich erhöht.

Damit alle Motorträger exakt horizontal ausgerichtet sind, nutze ich die gemeinsame Ebene, ergo: Wenn alle Motorträger exakt miteinander fluchten, sind sie horizontal, unabhängig vom Untergrund. Als Hilfsmittel eignet sich bestens ein Lineal. Sind die Motorträgerplatten exakt ausgerichtet, steht dem Erstflug nichts mehr im Wege.

Motorträger eingeklappt
Vergrößern Motorträger eingeklappt
© rc-quadrocopter

Der Praxistest

Aufgrund der geringen Packmaße lässt sich der Rahmen einfach transportieren. So können Copter und anderes Equipment durchaus auf dem Rücksitz eines Opel Corsa Platz finden. Damit ist die Multicopterplattform ideal für spektakuläre Aufnahmen an jedem erdenklichen Ort. In Kombination mit einem Brushless-Gimbal kann der FY680 auch Profis durchaus als Backup-Copter dienen.

Das Naza M V2 lässt sich wie gewohnt mit dem PC-Assistenten vor dem Erstflug unkompliziert konfigurieren. Nachdem alles kalibriert ist und die 11 x 5-CFK-Luftschrauben montiert sind, kann es endlich losgehen.

Die Waage zeigt 3360 Gramm Abfluggewicht an - nicht gerade ein Leichtgewicht, aber durchaus vertretbar. Der Erstflug verläuft wie erwartet unspektakulär, die Motorisierung erweist sich auch in der Praxis als stimmig, was in diesem speziellen Fall für kraftvoll steht. Die steife Rahmenkonstruktion sorgt ebenfalls für eine stabile Fluglage: Schnelle Kamerafahrten, Full-Power-Steigflüge, alles kein Problem. Die Carbonausleger haben sich über viele Flüge hinweg bewährt.

Im Schwebeflug zeigt die Telemetrie 35 A an. Um mit etwas Reserve landen zu können, ist nach 10 Minuten Flug Schluss. Mit vierzelligen Akkus erhoffe ich mir längere Flugzeiten und einen höheren Wirkungsgrad des gesamten Setups. Für Regler und Motor sollte dies laut Herstellerangaben kein Problem sein. Leistungstechnisch betrachtet, kann problemlos eine GOPRO oder eine Systemkamera mitgeführt werden. Schwere Kameras wirken sich zwar auf die Flugzeit aus, die entsprechend benötigten Ströme steigen aber nur unmerklich an. Akkus, Regler oder Motor werden bei 16° Lufttemperatur nicht spürbar wärmer, was für die Qualität der Komponenten spricht.

Vier Einstellungsflüge waren nötig, bis der Copter die gewünschten Flugeigenschaften vorweisen konnte. Dazu habe ich den Laptop einfach mit aufs Flugfeld genommen. Hoffentlich ist die DJI-App bald auch für Android verfügbar.

Nachdem nun alles eingestellt ist, ist mein „Luftnagel“ also fertig.

Tarot hat gute Qualität geliefert. Die dünnwandigen Aluausleger sind der einzige Negativpunkt, ansonsten konnte der Rahmen auf ganzer Linie überzeugen, der Klappmechanismus erweist sich als alltagstauglich und vorteilhaft.

 

 

 

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