1. manuscript (het boek)

7/22/2019 1. Manuscript (Het Boek)

1/257

De Quadrocopter

Arne Depoortere Laurens Scheldeman

Promotor: Dhr. Rubben F.


2/257


3/257

VTI-Brugge

De Quadrocopter

Arne DepoortereLaurens Scheldeman

Promotor: Dhr. Rubben

Schooljaar 2013-2014


4/257

Woord vooraf

Wij studeren aan het VTI Brugge en volgen er tijdens het schooljaar 2013-2014 het zesde jaar Industrile Wetenschappen. Als eindwerk kozen we voorhet bouwen en programmeren van een quadrocopter.

Enerzijds gaan onze interesses uit naar elektronica en mechanica.Anderzijds stond al snel vast dat we een project wilden uitwerken rondvliegtuigen. Na enig opzoekwerk besloten we om een quadrocopter tebouwen. Dit is een op afstand bestuurde multicopter aangedreven door vierrotors. De uitdaging bestond erin om de quadrocopter zo stabiel mogelijk telaten vliegen.

Deze opdracht hebben we kunnen realiseren dankzij de raad en opvolging

van onze promotor en leerkracht elektriciteit, de heer Frank Rubben. Ook deheren Patrick Gurdebeke en Geert Maes zijn we dankbaar voor hun steun enuitleg. Verder ook dank aan Aerobertics voor het deskundig advies. Onzeouders, familie en vrienden bedanken we ook voor hun morele en materilesteun.


5/257

Inhoudsopgave

Woord vooraf ......................................................................... 4

Inhoudsopgave ...................................................................... 5

Inleiding ................................................................................ 7

Opdracht geschiedenis: Ontstaan van de quadrocopter ......... 8

Hoofdstuk 1: De voorbereiding ............................................ 16

1.1 Het vliegtuig ..........................................................................16

1.2 De helikopter .........................................................................17

1.3 De quadrocopter ....................................................................19

1.4 Opstart van het project ...........................................................22

1.5 Modelbouwwinkels ..................................................................24

1.6 Bezoek KHBO ........................................................................25

1.7 De wetgeving m.b.t. quadrocopters ...........................................26

Hoofdstuk 2: Het frame ........................................................ 272.1 De armen .............................................................................28

2.2 De boven- en onderbaseplate ...................................................32

2.3 Het kartonnen frame...............................................................34

2.4 De stand-offs........................................................................35

2.5 De deckplaat .........................................................................38

2.6 Montage ...............................................................................39

Hoofdstuk 3: De bouw .......................................................... 41

3.1 De batterij ............................................................................42

3.2 Het powerboard .....................................................................47

3.3 De snelheidsregelaars (ESCs)..................................................48

3.4 De motoren ...........................................................................49

3.5 De propellers .........................................................................53

3.6 De UBEC ...............................................................................58

3.7 De zender en ontvanger ..........................................................59

3.8 Het controllerbordje ................................................................61


6/257

Hoofdstuk 4: Het programma ............................................... 64

4.1 Vlieg modes ..........................................................................64

4.2 Tuning ..................................................................................66

Hoofdstuk 5: De afwerking................................................... 68

5.1 Het landingsgestel ..................................................................68

5.2 De ledlampen ........................................................................69

5.3 De afgewerkte quadrocopter ....................................................70

Hoofdstuk 6: Paola wedstrijd ............................................... 72

Opdracht Frans .................................................................... 73

Opdracht Engels ................................................................... 82

Bijlagen.............................................................................. 111

Lijst van figuren ................................................................. 247

Literatuurlijst ..................................................................... 249

Nawoord ............................................................................ 254


7/257

Inleiding

Sinds het derde jaar volgen wij de richting industrile wetenschappen.In het vijfde jaar werd ons verteld dat we in het zesde jaar de kans zoudenkrijgen om een eindwerk te maken. Vol enthousiasme besloten we om in het

vijfde jaar al eens na te denken over een goed GIP-onderwerp.

Omdat elektronica en mechanica ons erg interesseren, kozen wij voor dequadrocopter. Nochtans is dit niet de enige reden voor dit project.We waren er ook van overtuigd dat we een project wilden uitvoeren in deluchtvaart. Het fascineert ons hoe een vliegtuig in de lucht kan blijven en nietneerstort.

Aangezien bij het bouwen van een quadrocopter verschillende disciplines zoalsfysica (stabiliteit van het vliegtuig), sterkteleer (keuze van de gebruiktematerialen), wiskunde (bijvoorbeeld berekenen hoe groot de propellers moeten

zijn) en elektriciteit/elektronica (keuze van de motoren, snelheidsregelaars,)betrokken zijn, komen in dit project ook onze andere interesses aan bod.

Met de quadrocopter bouwen we ook aan een toestel dat in de toekomst verderzal gebruikt worden. Wij denken bijvoorbeeld aan de toepassing van drones inoorlogsgebieden. Wellicht zijn er voor de quadrocopter nog tal van nieuwemogelijkheden in de moderne technologie.

In ons GIP-boek kan u perfect volgen hoe we deze quadrocopter bouwen. Alleaanwezige berekeningen en keuzes van materiaal die we maken staan in ditboek beschreven.

Ons eindwerk bestaat uit zes hoofdstukken en enkele bijlagen.In het eerste hoofdstuk wordt de voorbereiding besproken die vooraf ging aanhet effectief bouwproces.

In het volgende, tweede, hoofdstuk wordt het frame beschreven. Hier gaat hetvoornamelijk over gewichtsbesparing. Dit is een zeer belangrijk aandachtspunt.

In het derde hoofdstuk vervolledigen we de bouw van onze quadrocopter. Ditwil zeggen dat we de motors, het powerboard, het geheugenbord, depropellers, aanbrengen.

Hoofdstuk vier heeft betrekking op het programmeren van de quadrocopter.Het volledige geheugenbord moet namelijk correct worden geprogrammeerd.

In het vijfde hoofdstuk bespreken we onze ervaringen met het vliegen met dequadrocopter. Ook de volledige afwerking wordt daarin beschreven.

In het zesde en laatste hoofdstuk wordt er nog aandacht gegeven aan onzedeelname aan de Paola wedstrijd.


8/257

Pagina 8

Opdracht geschiedenis: Ontstaan van de quadrocopterDe geschiedenis van de quadrocopter, een radio gestuurde multicopteraangedreven door vier rotors, kan niet losgezien worden van de geschiedenisvan de helikopter. Alles begint in 400 voor Christus met de Chinese vliegersaangedreven door propellers uit bamboe.

Via de handel met het Verre Oosten bereikte dit speelgoed Europa in de

renaissance. Dit inspireerde niemand minder dan Leonardo Da Vinci (1452 1519). Leonardo Da Vinci droomt van eenvliegmachine en denkt aan een constructie

die bewogen wordt door een hefschroef diedraait om een verticale as. Hij denkt daarbijaan de schroef van Archimedes. Dit is een

apparaat dat over het algemeen gebruiktwordt voor het oppompen van water. Hettransport gebeurt meestal opwaarts. Da Vinciwil dit gebruiken voor het opstijgen en

lanceert hiermee het idee van het verticaalopstijgen. Het is een soort voorontwerp vaneen helikopter. Echter, de kracht om devliegmachine voor te stuwen moest van

mensen komen die de schroef van Archimedes

moesten laten draaien. Dit bleek onhaalbaaromdat het toestel te zwaar werd.
http://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=OheuwFaKhSRGeM&tbnid=DxA1ym1XkvLEfM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.leonardo.net/&ei=xXNIUoOgDZGShQeIqIGQCg&bvm=bv.53217764,d.ZG4&psig=AFQjCNFQI5ONKOLdynkvr26_lzzvYblUAg&ust=1380566334076381


9/257

Pagina 9

Drie eeuwen later, in 1754, stelt de Rus Mikhail Lomonosov (1711 1765) eenkleine tandem rotor voor aan de Russische Academie voor Wetenschappen.Het toestel, de Aerodynamic, is bedoeld om meteorologische instrumenten telaten opstijgen. Hier wordt het idee van het verticaal opstijgen dus weeropgepikt. Twee propellers roteren in tegenovergestelde richting op eenzelfde

as. Het toestel wordt aangedreven door een horlogeveer.

In 1784 stellen Christian de Launoy en zijn mecanicien Bienvenu aan de

Franse Academie voor Wetenschappen een model voor met wiekjes die integenovergestelde richting draaien. Dit toestelletje kan zelf (verticaal)

opstijgen en wordt voortbewogen door de spanning van de boog. Ook dittoestelletje blijft speelgoed


10/257

Pagina 10

In 1843 experimenteert Sir George Cayley (1773 1857) met een toestelmet vier propellersdie eruit zien zoals paraplus.Het wordt geen succes.

In 1863 gebruikt een tijdgenoot van Jules Verne, Gustave Vicomte de PontondAmcourt (1825 1888), voor het eerst het woord helikopter, afgeleid uithet Grieks : draaiende vleugels. Hij maakt verschillende ontwerpen, o.a. een

model aangedreven door stoom. Ook dit model blijkt over te weinig kracht tebeschikken om op te stijgen.


11/257

Pagina 11

In 1877 slaagt de Italiaan Enrico Forlanini (1847 1918) erin om tijdens eendemonstratie in Milaan een hefschroefmachine twintig seconden in de lucht tehouden op zon 13 meter hoogte. Het gaat om een model aangedreven door

een licht stoommachientje.

Een echte doorbraak komt er met de uitvinding van de ontploffingsmotor ofdieselmotor door Rudolf Diesel (1858 1913). Deze motor bezit meer krachtom een toestel met persoon te kunnen laten opstijgen.In 1907 komt er een eerste doorbraak met de Gyroplane No.1van de broersLouis (1880 1955) en Jacques Brguet (1881 1939) in samenwerking metprofessor Charles Richet (1850 1935). Het toestel met n persoon kanverticaal opstijgen en blijft een 2-tal minuten boven de grond hangen. Helaaszijn er vier mensen nodig om het toestel van op de grond te stabiliseren. Er isimmers nog geen enkele mogelijkheid om de vlucht van het toestel tecontroleren.


12/257

Pagina 12

Op 13/11/1907 maakt de fransman Paul Cornu (1881 1944) te Lisieux (Fr.)de eerste vlucht met een helikopter met twee rotors, aangedreven door een24-pk-motor. Hij verheft zich 0,3 meter boven de grond en vliegt ongeveertwintig seconden. Ook hier is nog geen mogelijkheid om de vlucht tecontroleren. Heden ten dage wordt getwijfeld of Cornu wel echt gevlogen

heeft. Na analyse van het toestel achten ingenieurs het onmogelijk dat hettoestel kon vliegen.

In 1922 laat George de Bothezat (1882 1940) een eerste quadrocoptersuccesvol vliegen met vier 6-bladige rotors. Echter, het toestel blijft moeilijk tebesturen en kan enkel voorwaarts vliegen.

In 1923 maakt de Spaanse ingenieur Juande la Cierva (1895 1936) met de AutogiroNo.4 een vlucht van vier kilometer rondMadrid. De autogyro heeft een propeller om

voorwaarts te bewegen en heeft een rotor diewerkt op aerodynamische krachten. Het isgeen helikopter want het toestel kan nietverticaal opstijgen. Er wordt hier wel voor heteerst een gecontroleerde vlucht gerealiseerd.De scharnierende rotorbladen verhinderenhet overhellen van het toestel. Zijdelingsebewegingen worden mogelijk.
http://en.wikipedia.org/wiki/File:De_Bothezat_Quadrotor.jpg


13/257

Pagina 13

Op 04/05/1924 maakt de Franse ingenieur Etienne Oehmichen (1884 1955)te Arbouans (Fr.) met de Oehmichen No.2 een vlucht van n kilometer opeen gesloten circuit gedurende zeven minuten en veertig seconden. Het is eenquadrocopter. Vier rotors en acht kleine verticaal gemonteerde propellersworden elk aangedreven door een eigen motor.

In 1937 verbetert de Duitser Heinrich Focke (1890 1979) samen met deDuitse ingenieur Gerd Achgelis (1908 1991) de autogyro van de la Cierva.Bij deFa-61wordt de propeller vervangen door een aangedreven rotor.De Rus Igor Sikorsky (1889 1972) wordt algemeen beschouwd als de vadervan de helikopter. Zijn VS-300begint zeer goed te lijken op de helikopters diewe nu kennen.

Hij gebruikt een hoofdrotor met drie bladen en een verticaal gemonteerdestaartrotor met twee bladen. In mei 1940 blijft dit toestel meer dan 1,5 uur in

de lucht.
http://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=Xj_zs8YOgSrrqM&tbnid=l44o1uUMbkQ1EM:&ved=0CAUQjRw&url=http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oemichen2.jpg&ei=RnRIUu2AB8GL7AanxYHYAg&bvm=bv.53217764,d.ZGU&psig=AFQjCNGeF4U48wst700g0REZKPYgG8cT1A&ust=1380566449051498


14/257

Pagina 14

De XR-4 van Sikorsky is de eerste helikopter die daadwerkelijk op grotereschaal geproduceerd wordt.

Vele ontwerpen volgen.

In maart 1956 wordt het concept van Oemichen en van de Bothezat weeropgepikt en vliegt de Convertawings Model A Quadrotor. Deze helikopter metvier rotors (= een quadrocopter) bewijst de degelijkheid van het ontwerp.Wegens besparingen binnen defensie (VS) wordt het project stilgelegd.

In 1958 wordt weerom op militaire vraag de Curtiss-Wright VZ-7ontwikkeld.Het is een quadrocopter die bedoeld is om vracht te vervoeren. Het toestelkan verticaal opstijgen en is te besturen door de kracht van de verschillendepropellers te variren.


15/257

Pagina 15

Inmiddels worden hybride toestellen ontwikkeld. Die combineren de voordelenvan een helikopter (verticaal opstijgen) met de voordelen van een vliegtuig(meer last meenemen + sneller voortbewegen). Daartoe worden kantelenderotoren gebruikt die eerst zorgen voor het verticaal opstijgen en daarnazorgen voor de horizontale vlucht.

De quadrocopter is dus een radio gestuurde helikopter aangedreven door vierrotors. Een quadrocopter kan verticaal opstijgen, blijven hangen en vliegen inalle richtingen, net zoals alle helikopters. Onbemande quadrocopters (UAVs

of Drones) worden reeds lang gebruikt voor militaire opdrachten. Ze wordenheden ten dage steeds meer ingezet voor burgerlijke doeleinden zoalsluchtfotografie, luchtfilms, landmetertoepassingen, 3D-kartering en

surveillance-opdrachten.

Er is een lange weg afgelegd van de Chinese vliegers met bamboepropellerstot de radio gestuurde quadrocopters. Heel de zoektocht is steedsgenspireerd door het verlangen van de mens om te kunnen vliegen en om deaarde te kunnen bekijken vanuit het perspectief van een vogel


16/257

Pagina 16

Hoofdstuk 1: De voorbereiding

Zoals in de inleiding gezegd wilden we iets doen in het kader van deluchtvaart. Het meest logische was dan om een modelbouwvliegtuigje temaken.

1.1 Het vliegtuig

Bij een vliegtuig zijn er vier krachten aanwezig: de draagkracht, dezwaartekracht, de wrijvingskracht en de voortdrijvende kracht of stuwkracht.

Een vliegtuig heeft een grote draagkracht nodig om te kunnen blijven vliegen.Die draagkracht moet gelijk zijn aan de zwaartekracht. Om zo een grote

draagkracht te ontwikkelen, moeten we door middel van de vleugels eenhorizontale kracht (voortdrijvende kracht) opwekken, net zoals bij hetopstijgen. Deze voortdrijvende kracht zorgt ervoor dat er veel ruimte nodig isom een vliegtuig te laten opstijgen en landen. Deze ruimte wilden webeperken door een toestel te maken dat verticaal opsteeg en landde. Hierdoorkwamen we op het idee om een helikopter te maken.

fig. 1.1: De vier krachten op een vliegtuig


17/257

Pagina 17

1.2 De helikopter

Een helikopter heeft een verticale rotor. Deze wekt rechtstreeks dedraagkracht op. Dit heeft als gevolg dat men geen voortdrijvende kracht nodigheeft en dus ook geen vleugels. Doordat er geen voortdrijvende krachtaanwezig is, heeft een helikopter geen landingsbaan nodig. Het voordeelhiervan is dat een helikopter loodrecht kan opstijgen en landen, wat met eenvliegtuig niet mogelijk is. Een helikopter kan ook in de lucht blijven hangen en

is behendiger dan een vliegtuig. Een helikopter beweegt door de hoek van derotorbladen te wijzigen. Hij heeft 2 rotorbladen: de hoofdrotor (1) en destaartrotor (2).

De hoofdrotor dient om de helikopter te laten opstijgen en te laten bewegen.Om vooruit te kunnen bewegen moet de helikopter schuin naar voren hangen.De rotor tilt dan de helikopter op en zo beweegt hij tegelijkertijd naar voren.

fig. 1.2: Een helikopter met zijn rotoren

fig. 1.3: Een helikopter die opstijgt


18/257

Pagina 18

De staartrotor dient als tegenkracht van de hoofdrotor. De staartrotor draait integengestelde richting van de hoofdrotor om het koppel dat wordt veroorzaaktmet de ronddraaiende hoofdrotor te compenseren.Wanneer de staartrotor niet aanwezig zou zijn, zou de helikopter in detegengestelde richting van de hoofdrotor draaien, waardoor hij zou beginnen

rondtollen en uiteindelijk crashen. Dit komt omdat de helikopter dan nergensdoor tegengehouden wordt.

Stel dat de motor van de helikopter de wieken in de richting van de rode pijlendoet draaien, dan zal de helikopter vanzelf een rotatie in tegengestelderichting uitvoeren (groene pijl). De staartrotor trekt de helikopter de anderekant op om deze draaiing te compenseren (gele pijl).

fig. 1.4: Doel van de staartrotor


19/257

Pagina 19

Omdat een helikopter alleen maar bestuurbaar is door de hoek van derotorbladen te wijzigen, wilden wij een nog veiliger toestel maken, namelijkeen quadrocopter. Een quadrocopter kan worden bestuurd door de hoek vande rotorbladen te wijzigen (net als bij een helikopter), maar ook door desnelheid van de rotoren op dezelfde as aan te passen. Daardoor zal het koppel

en de liftkracht wijzigen. Wanneer er een motor zou uitvallen, zal dequadrocopter nog steeds vliegen, aangezien de tegenoverstaande motor dekapotte motor zal compenseren.

1.3 De quadrocopter

De quadrocopter leek ons perfect om te bouwen. Hij kan loodrecht opstijgenen landen en hij is ook nog zeer behendig. Het probleem van het koppel datgecompenseerd moet worden bij een helikopter is bovendien perfect opgelostbij een quadrocopter. Een quadrocopter heeft namelijk 4 rotoren, waardoor dekracht kan worden opgeheven door twee van de motoren in tegengestelde

richting te laten draaien.

De motoren op dezelfde assen draaien altijd dezelfde kant op.

1.3.1 Soorten

Er zijn twee soorten quadrocopters. Namelijk de +4 en de x4. Het verschiltussen de twee is de orintatie van de motoren op de quadrocopter t.o.v. devoorkant.

+4 x4

Wij kiezen hier voor het type x4.

fig. 1.5: Draairichting propellers op een quadrocopter

fig. 1.6: Vliegmodes van een quadrocopter


20/257

Pagina 20

fig. 1.8: Quadrocopters die een voorwerp verplaatsen

1.3.2 Toepassingen

Wij kiezen ook voor de quadrocopter omdat er veel toekomst zit in dit project.De quadrocopter kost niet veel om te produceren en hij kan in verschillendesectoren gebruikt worden.

1) Luchtfotografie

Een quadrocopter is veel sneller en goedkoper dan het huren van eenbemande helikopter met een fotograaf.

2) Filmindustrie

Door gebruikt te maken van quadrocopters met videocameras worden grote,

dure en lompe bemande helikopters overbodig. De kwaliteit is trouwens evengoed. Er zijn momenteel al multicopters met 4K cameras aan boord.

3) Verplaatsingen

Bij het verplaatsen van delicate voorwerpen in de industrie kunnen erquadrocopters gebruikt worden. Wanneer men onder de quadrocopter eenzuignap plaatst kan men ideaal voorwerpen verplaatsen.

fig. 1.7: Een quadrocopter met een camera
http://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&docid=vDdIrWc4-JlqOM&tbnid=4TGSrAnz2ByjcM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.hoogtezicht.nl/index.php/multirotors/quadcopters.html&ei=PSq8Ur2aCImr0QXHgoG4Dg&bvm=bv.58187178,d.d2k&psig=AFQjCNHJ4XSAbFCS4EFHfyeIkAtFGeftMg&ust=1388149641866672


21/257

Pagina 21

4) Inspectie van industrile installaties

Controle is zeer belangrijk bij industrile installaties. Een inspectie vanuit delucht is meestal wel erg duur. Quadrocopters kunnen hier een oplossing voorzijn wanneer ze worden uitgerust met cameras voor live video. Ook zouden

quadrocopters toegepast kunnen worden bij een situatie als die in Fukushima.Quadrocopters kunnen dankzij hun design makkelijk uitgerust worden metapparatuur om bijvoorbeeld straling waar te nemen. Ook kunnen ze vanwegehun wendbaarheid en grootte gemakkelijk op moeilijk bereikbare plekkenkomen.

5) Leveren van pakjes

De webwinkel Amazon is van plan om inde toekomst postpakketjes te leveren

met drones. De CEO kondigde aan datAmazon de nieuwe bezorgmogelijkhedenaan het testen is. Mensen zouden opdeze manier sneller hun pakket in huismoeten hebben. Bovendien is hetefficinter volgens hem. Amazonverwacht de drones onder de noemer

PrimeAir over vier tot vijf jaar te kunneninzetten.

De onbemande vliegtuigjes kunnen pakketjes tot 2 3 kilo afleveren in eenstraal van ruim 16 kilometer rondom een Amazon-distributiecentrum. In deVerenigde Staten zou het grootste deel van de bestellingen op deze manierkunnen worden verwerkt.Momenteel laten de Amerikaanse autoriteiten het gebruik van drones in de VSenkel toe door hobbyisten. Diensten leveren in ruil voor geld kan dus nog niet.Binnen twee jaar zouden er echter nieuwe regels moeten zijn (Bijlage 1).

6) Verkenning en ordehandhaving

Een kleine opvouwbare quadrocopter kan bijvoorbeeld in een oorlogssituatieingezet worden om een omgeving te verkennen of een situatie in te schatten.De quadrocopter is onbemand, dus er kunnen geen slachtoffers vallen zoals bijeen bemande helikopter. De vliegtuigfabrikant Lockheed Martin is reeds bezig

met de ontwikkeling van zon onbemande VTOL. De Japanse politie ismomenteel ook al bezig met onderzoek naar de inzetbaarheid vanquadrocopters bij onder meer ordehandhaving.Zoals u kan zien is het leger en de politie erg genteresseerd in quadrocopters.Ons project heeft dus zeker een toekomst.

7) Meer toepassingen: zie bijlage 2 9.

fig. 1.9: Quadrocopter die pakje zal verzenden


22/257

Pagina 22

1.4 Opstart van het project

Nadat we zeker wisten dat we een quadrocopter wilden maken, begonnen wemet dieper onderzoek. We hadden namelijk nog nooit een quadrocopter zienwerken. Een kant-en-klare quadrocopter kopen was geen optie want dan wasde uitdaging weg. We wilden hem helemaal zelf ontwerpen en alle onderdelenzelf berekenen.

Het eerste wat we moesten weten was hoe hij er zou uitzien. Er zijn namelijkverschillende groottes en modellen van quadrocopters.

fig. 1.10: Voorbeelden van quadrocopters
http://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&docid=TP7fe2DEZgCUQM&tbnid=HU2Vj6fJPWwTZM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.tested.com/tech/457181-3d-robotics-upgrades-px4-autopilot-new-quadrocopter/&ei=BDq8UrSjOrH40gX24oDIDg&bvm=bv.58187178,d.d2k&psig=AFQjCNG_HiJkNI26b91QcfxldC8f25LhcA&ust=1388153644440762


23/257

Pagina 23

Onze quadrocopter lijkt het meest op de hier bovenstaande quadrocopter.

Nadat we dit beslist hadden, zijn we begonnen aan de technische tekeningen

van de quadrocopter (Bijlage 10-15).

Van zodra we de toestemming van de school hadden gekregen om eenquadrocopter te maken, wilden we geen tijd verliezen. We hadden dan ook alde technische tekeningen van het frame op voorhand gemaakt.

Daarna hebben we de onderdelen van de quadrocopter verder bestudeerd.

Deze onderdelen zullen worden besproken in hoofdstuk 3 over de bouw. Daarkomt ook de liftkracht aan bod. We moeten namelijk berekenen hoe sterkonze motors moeten zijn om onze quadrocopter te laten vliegen.

Nadat we al redelijk veel opgezocht hadden over de onderdelen, hadden weeen gesprek met onze promotor. Wij waren van plan om de onderdelen aan tekopen via internet, maar hij wees ons erop dat er verschillendemodelbouwwinkels zijn in Brugge.

fig. 1.11: Een quadrocopter die het best op onze quadrocopter gelijkt


24/257

Pagina 24

1.5 Modelbouwwinkels

Met dit advies trokken we naar modelbouwwinkel Verbrugghe. Daar waren zezeer vriendelijk. We kregen er goed advies over ons project. Wanneer wevermeldden dat we eventueel de onderdelen zouden aankopen via HobbyKingwezen ze ons erop dat HobbyKing soms mindere kwaliteit levert. We mochtenons opzoekwerk al eens doorsturen en ze zouden het bekijken om ons snel engoed te kunnen helpen. Jammer genoeg bleek nadien dat de eigenaar geen

tijd had om alles in detail uit te werken voor ons (Bijlage 16). Hij verwees onsdan ook vriendelijk door naar Aerobertics.

Op 11 oktober 2013 zijn we dan naar Aerobertics gegaan. Daar zijn zegespecialiseerd in modelbouwvliegtuigen en drones. Ideaal dus voor ons. Bijmodelbouwwinkel Verbrugghe hadden ze ook modelbouwautos maar daar

waren wij op dat moment niks mee. We hadden dan ook alle twee het gevoeldat we bij Aerobertics in de juiste winkel terechtgekomen waren. We legdenons project uit aan Bert (de eigenaar van Aerobertics). Hij kon ons goed

helpen en had een heleboel onderdelen in voorraad voor ons. Ook hier kregenwe deskundig advies en werden we een heel stuk vooruit geholpen.Uiteindelijk betaalden we 354,50 euro (Bijlage 17) en hadden we goed endegelijk materiaal, namelijk 2 carbonplaten van 1,5 millimeter dik, 4 brushlessDC-motoren (inclusief snelheidsregelaars), 4 propellers, 1 lipo batterij, 1powerboard, 1 power set (batterijlader), 1 laadkabel en 1 aansluitpin om tesolderen aan het powerboard.

Deze prijs lag iets hoger dan onze eerste raming van ongeveer 260 euro(Bijlage 18). We hebben beslist om ook een prijslijst bij te houden van dewerkelijke uitgaven (Bijlage 19).


25/257

Pagina 25

1.6 Bezoek KHBO

Nadat we alles opgezocht hadden over de quadrocopter, de onderdelenberekend hadden, de technische tekeningen gemaakt hadden en deonderdelen aangekocht hadden, hebben we ons opzoekwerk afgerond met eenbezoek aan het KHBO in Brugge tijdens de herfstvakantie. Daar zagen we onseerder opzoekwerk bevestigd, maar jammergenoeg vonden we er weinigbijkomende informatie.

Nu konden we ons volledig aan de bouw van de quadrocopter wijden.

fig. 1.12: Het KHBO te Brugge


26/257

Pagina 26

1.7 De wetgeving m.b.t. quadrocopters

In Nederland en Belgi zijn steeds meer

liefhebbers in het bezit van een

quadrocopter of een drone. Deze drones

worden steeds goedkoper en ze zijn

makkelijker te besturen. Veel hobbyistenzijn echter niet goed op de hoogte van

de weten regelgeving omtrent het

vliegen met een drone. Daarom zochten

wij deze wetgeving even op.

Ten eerste is er een onderscheid in het gebruik, namelijk voor recreatieve of

commercile doeleinden.

In Belgi is het momenteel verboden om met een drone te vliegen voorcommercile doeleinden. Om foto's te nemen vanuit de lucht moet er nog

altijd een piloot aan boord zijn. Men werkt momenteel wel hard aan een

wettekst zodat commercieel gebruik toch mogelijk wordt met onbemande

kleine luchttuigen.

Voor recreatief gebruik zijn er 3 gewichtscategorien: drones die minder dan

1 kg wegen, drones die tussen 1 kg en 150 kg wegen en drones die meer dan

150 kg wegen.

Onze drone weegt ongeveer 1 kg. Wanneer hij minder dan 1 kg weegt is er

geen probleem. De drone mag overal vliegen.

Wanneer de drone tussen de 1 kg en 150 kg weegt zijn er verschillende

voorwaarden. Die voorwaarden worden beschreven in een omzendbrief die je

kunt vinden in Bijlage 20.

fig. 1.13: Quadrocopter toegelaten in Belgi


27/257

Pagina 27

Hoofdstuk 2: Het frame

Het frame is de basis van de quadrocopter. Zonder een goed frame kan ernooit een stevige quadrocopter gebouwd worden. Toch is het niet de bedoelingom het frame zodanig sterk te construeren dat het enorm zwaar wordt. Dit is

namelijk allemaal extra gewicht wat ervoor zorgt dat er krachtigere motorsnodig zijn met als gevolg grotere propellers. De uitdaging bestaat er hier dusin om het frame stevig te maken maar tegelijk ook licht. Door vele modellente bekijken op internet en in boeken, weten we welke materialen het bestezijn om onze onderdelen uit te vervaardigen. We moeten namelijk weten uitwelk materiaal we onze vier armen (1), een boven baseplate (2), een onder

baseplate (3), stand-offs(4) en een deckplaat (5) gaan maken.

fig. 2.1: Het afgewerkte frame


28/257

Pagina 28

2.1 De armen

De armen van onze quadrocopter hebben weuit aluminium gemaakt. Daarvoor zijn erverschillende redenen.

1) Licht

Aluminium is zeer licht (2,755 ). Het is

zelfs drie keer lichter dan staal (7,800

), maar wel even sterk. IJzer weegt

7,860 en inox 7,930

. Het is

duidelijk dat aluminium het lichtst is.Dit is een groot pluspunt, omdat ons frame

niet te zwaar mag zijn, maar wel sterk moetzijn.

2) Geen corrosie

Aluminium is bestand tegen corrosie, behalve tegen spanningscorrosie.Aangezien er geen overdreven spanningscorrosie aanwezig is, is dit positiefvoor een lange levensduur van onze quadrocopter.

3) Sterk

Aluminium is een sterk materiaal. Het is zelfs even sterk als staal. Dit komtomdat aluminium ook nog bestaat uit 4% Cu, 1% Mg, 1% Mn en 0,5% Si.

Dit is ideaal voor de armen aangezien er rekening gehouden moet worden metde motor op het uiteinde van iedere arm, een propeller op de motor, eensnelheidsregelaar op de arm en de bedrading.

4) Slijtvast

Aluminium is een zacht materiaal datslijtvast is. Het zal daardoor vuil opnemenin plaats van afstoten. Bij het opnemenontstaan er geen krassen op het aluminiumen is de weerstand van het aluminiumgroter dan die van het vuil. Hierdoor wordt het aluminium niet beschadigd. Bijtoevoeging van 4% Cu, 1% Mg, 1% Mn en 0,5% Si, is niet alleen hetoppervlaktemateriaal beschermd, maar ook het dieper gelegen materiaal. Hetaluminium is dus volledig beschermd tegen slijtage.

fig. 2.2: Een aluminium arm


29/257

Pagina 29

5) Gemakkelijk verkrijgbaar

Aluminium is in alle vormen en gewichten verkrijgbaar. Dit is zeer handig vooronze armen. We hebben lange vierkante profielen nodig en niet n blokaluminium. Gelukkig zijn deze profielen verkrijgbaar in de Stock Vermeersch

(Bijlage 21).

6) Goedkoop

Aluminium is tevens geen duur materiaal. Dit is een pluspunt, aangezien ertoch wel vrij veel aluminium nodig is per arm.

Berekening van het volume aluminium per arm:Stel dat we een vol vierkant profiel hebben van 20x20en een lengte van 200mm, dan is het volume van dit

profiel 80000mm.

Onze aluminium arm is echter een vierkant profiel datinwendig hol is met een dikte van 2mm. De binnenstelengte en breedte zijn dus 16mm. De lengte blijft200mm.

Het volume aan aluminium per arm is dus 28800mm.

Aangezien we vier armen nodig hebben, hebben we een volume van 115200mm of 115,2 cm aluminium nodig.

Wanneer we dit profiel in een duurder materiaal moeten kopen, zal de prijs

per volume uiteraard veel hoger liggen.

Deze aluminium profielen hebben we gekocht aan 0,42 euro per stuk. Ditmaakte een totaal van 1,66 euro voor de vier profielen.

Om dan ook nog het gewicht te berekenen van een aluminium profiel makenwe volgende berekening: gram

fig. 2.3: Onbewerkte

aluminium staaf
http://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=2yEcN7GuWt4tZM&tbnid=5U3qDULpdFc4_M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.groot.nl/aluminium-vierkant-profiel.html&ei=sGh-UomIEIGm0AXT7IGABw&bvm=bv.56146854,d.d2k&psig=AFQjCNFH5z7okvf6Nc3Pqap09knO8U_FaA&ust=1384102433241648http://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=2yEcN7GuWt4tZM&tbnid=5U3qDULpdFc4_M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.groot.nl/aluminium-vierkant-profiel.html&ei=sGh-UomIEIGm0AXT7IGABw&bvm=bv.56146854,d.d2k&psig=AFQjCNFH5z7okvf6Nc3Pqap09knO8U_FaA&ust=1384102433241648http://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=2yEcN7GuWt4tZM&tbnid=5U3qDULpdFc4_M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.groot.nl/aluminium-vierkant-profiel.html&ei=sGh-UomIEIGm0AXT7IGABw&bvm=bv.56146854,d.d2k&psig=AFQjCNFH5z7okvf6Nc3Pqap09knO8U_FaA&ust=1384102433241648


30/257

Pagina 30

7) Gemakkelijk bewerkbaar

Aluminium is gemakkelijk bewerkbaar. Dit was zeer handig, aangezien weonze profielen op school konden laten bewerken. We hebben namelijk geenCNC machine thuis en daarom lieten wij 152 grote gaten (4 keer 38) van

12 mm in de aluminium armen frezen. Dit was louter voor gewichtsbesparing.We zijn de leerkrachten en leerlingen die dit gedaan hebben dankbaar. Zijhebben dit goed en zeer snel gemaakt voor ons.

De afschuining op het einde van iedere arm dient om de motorengemakkelijker te monteren. Ook het design van de armen is mooier met eenafschuining.

De andere gaten hebben we zelf geboord, omdat deze overeen moeten komenmet de boven en onder baseplate.

Nu we extra gaten geboord hebben, verkleint ons volume terug en ook onsgewicht.

fig. 2.4a: De afgewerkte aluminium armen fig. 2.4b: Zijkant van de afgewerkte armen


31/257

Pagina 31

Om het nieuwe volume en gewicht te kennen, berekenen we eerst het volume

van een gat

Daarnaast hebben we ook een afschuining op het uiteinde van de arm gezet.Deze afschuining is 17mm bij 18mm

met

en

Hieruit kunnen we besluiten dat ons totale volume afneemt met die 38 gaten

en de afschuining.

Er is dus een volumebesparing van 9776 mm ( ).

We weten dat de soortelijke massa van aluminium 2,755 grcm is.

De massa van n arm is 52,3 gram en van onze vier armen samen dus 209gram.

Er is dus een gewichtsbesparing van 27 gram per arm (79,3-52,3).

We hebben dus 33% gewicht bespaard op de aluminium armen!

Voor vier armen samen hebben we dus 108 gram bespaard door extra gaten

te maken en een afschuining te plaatsen in de aluminium profielen.


32/257

Pagina 32

fig. 2.5: De carbon baseplates

fig. 2.6: De carbonstructuur

2.2 De boven- en onderbaseplate

De boven- en onderbaseplatehebben wij gemaakt uit carbon.

Ook carbon heeft verschillendevoordelen:

1) Geen corrosie

Carbon kan niet corroderen.Dit is positief wanneer we onze quadrocopter lang willen gebruiken.

2) Nauwelijks materiaalmoeheid

Carbon zal normaal niet breken als gevolg van materiaalmoeheid.Een goed doorgerekend frame kent geen overmatige interne spanningen enals er 1 vezel breekt, dan liggen er nog honderden naast die de krachtenkunnen verwerken.

3) Licht

Carbon is een licht materiaal. Het is zelfs lichter dan aluminium. Het soortelijkgewicht van aluminium is 2755 kg/m en van carbon 1800 kg/m.

4) Sterk

Carbon is niet alleen lichter dan aluminium maar ook sterker. Dit komt door destructuur van carbon. Carbon bestaat enkel uit koolstofatomen. Koolstofvezelwordt gemaakt door een gewone kunststofvezel te verbranden, te'carboniseren' en daarna te grafitiseren. Hoe verder in het proces, hoe puurderde koolstof. Het resultaat is een soort honingraatstructuur in zeshoekvorm vankoolstofatomen die zorgt voor een enorme hoge treksterkte. Een erg sterkevezel dus.


33/257

Pagina 33

fig. 2.7: Zaag test

fig. 2.8: Afgewerkte baseplate (links) en deckplate (rechts)

Helaas zijn er aan carbon ook enkele nadelen verbonden:

1) Gevoelig voor puntbelasting

Carbon kan heel veel krachten aan, maar als de grens bereikt wordt, dan zal

het niet verbuigen of indeuken, maar direct breken. Daardoor kan het frameonherstelbaar beschadigd worden.

2) Duur

Carbon is vele malen duurder dan aluminium. Wanneer dit niet zo was, danzouden wij het hele frame uit carbon (inclusief de armen) gemaakt hebben.Jammer genoeg bleek dit niet haalbaar. Voor n carbonplaat betaalden we al35,90 euro.

2.2.1 De uitvoering

Het maken van de baseplates was een grote uitdaging voor ons. We zijn uitleggaan vragen aan de leerkrachten praktijk, over hoe we het best carbonkonden bewerken. De praktijkleerkrachten hadden zelf geen ervaring metcarbon bewerken. We kregen wel verschillende adviezen, gaande van het latenmaken in de winkel tot het opsturen van de technische tekeningen zodat ze

het in de fabriek konden maken. Op school is er geen materiaal voorhandenom te frezen of draaien in carbon.Wij kozen voor een iets spectaculairdere oplossing: het zelf proberen. We

vonden het een leuke uitdaging en we waren benieuwd naar hetresultaat (net zoals de leerkrachten van praktijk). We zochteninformatie op het internet en daaruit bleek dat het nog niet zosimpel zou zijn.

De dag nadien namen we echter de proef op de som. Met eendecoupeerzaag zaagden we een stukje carbon van decarbonplaat en het resultaat was positief. Het carbon rafelde nietuit zoals een leerkracht dacht. Het zagen erin maakte wel eenscherp geluid dat door merg en been ging, maar het resultaatwas in orde en dat was het belangrijkste.

Nadien hebben we de baseplatesuitgezaagd uit het carbon en er de

boringen in aangebracht. Dit bleekallemaal geen probleem te zijn en wekregen dan ook dit resultaat.Hierna hebben we het positieve nieuwsmeegedeeld aan de leerkrachten

praktijk, zij waren immers verrast doorhet resultaat.


34/257

Pagina 34

fig. 2.9: Het maken van het kartonnen frame

fig. 2.10: Het kartonnen frame, schaal 1:1

fig. 2.11 a,b,c: Ons afgewerkt kartonnen frame

2.3 Het kartonnen frame

Voor we de aluminium armen lieten maken en het carbon gekocht hadden,wilden we zeker zijn dat onze technische tekeningen juist waren en wilden weook eens zien hoe het frame er ongeveer zal gaan uitzien. Om een eenvoudigevoorstelling te geven van het frame, besloten we om een kartonnen versie temaken. Dit was een goedkope en simpele manier.

Zoals te zien is op de fotos, komen het

aluminium frame en het kartonnenframe perfect overeen met elkaar. Hier

stonden de aluminium stand-offsen dedeckplaat nog niet op de frames.

Voor een echt goede weergave hebben we later ook de aluminium stand-offsen de deckplaat op het kartonnen frame geplaatst.


35/257

Pagina 35

fig. 2.12: De 2 soorten stand-offs

2.4 De stand-offs

We hebben 2 soorten stand-offs, namelijk nylon stand-offs (1) om hetpowerboard en het geheugenbord te bevestigen aan de baseplates en dearmen, en aluminium stand-offs (2) om de deckplaat te bevestigen aan deboven baseplate.


36/257

Pagina 36

fig. 2.13: De nylon stand-offs

fig. 2.14: Stand-offs gemonteerd op het frame

2.4.1 De nylon stand-offs

De nylon stand-offs(1) dienen om het powerboard (2) en het geheugenbord

(3) aan het frame (4) te bevestigen. We kozen hier niet voor aluminiumstand-offsomdat nylon een lichter materiaal is.

De nylon stand-offszijn goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar. We moeten erook geen verdere bewerkingen meer aan uitvoeren.

De lengte van de stand-offs is 10 mm. Dit omdat we zo gemakkelijk hetpowerboard en het geheugenbord nog kunnen monteren op het frame.Verder gebruiken we plastieken bouten om alles aan elkaar te monteren.


37/257

Pagina 37

fig. 2.15: De aluminium stand-offs

fig. 2.16: Stand-offs gemonteerd op het frame

2.4.2 De aluminium stand-offs

De aluminium stand-offs(1) dienen om de deckplaat (2) aan het frame (3) tebevestigen.Hier kozen we voor aluminium stand-offsomdat aluminium stevigis en het een mooier design geeft aan de quadrocopter dan nylon stand-offs.De nylon stand-offs zijn trouwens veel minder zichtbaar zijn dan dealuminium stand-offs.

De aluminium stand-offs hebben we zelf uitgetekend en laten maken opschool. Opnieuw zijn we het VTI-Brugge daar erg dankbaar voor.

De lengte van de aluminium stand-offs is 49 mm. Daardoor hebben we nogvoldoende ruimte om eventuele aanpassingen te doen aan het geheugenbord.


38/257

Pagina 38

fig. 2.17: Deckplate

2.5 De deckplaat

De deckplaat heeft als functie hetgeheugenbord en het powerboard tebeschermen. De deckplaat moet dus stevigzijn. Daarom kozen we ervoor om dedeckplaat te maken uit carbon en die tebevestigen op stevige aluminium stand-offs.

Ook hier is de dikte van de carbonplaat 1,5mm. Dit omdat het goedkoper is om tweecarbonplaten van 1,5 mm te kopen (de tweebaseplates en het deck konden niet gemaaktworden uit n carbonplaat), dan ncarbonplaat van 1,5 mm en n carbonplaat

van 2 mm.

We hadden eerst gedacht aan 2 mm dikte voor de deckplaat, dit was voorextra stevigheid, voor als de quadrocopter zou crashen.

De grote gaten met diameter 8 mm zijn ook voor gewichtsbesparing net als degrote gaten in de aluminium armen (zie punt 2.1).


39/257

Pagina 39

fig. 2.18: Inventor: hoe alles gemonteerd wordt

2.6 Montage

De meeste boringen hebben een diameter van 3 mm. Dit komt omdat hetgoedkoper is om allemaal M3-bouten, moeren en sluitingsringen te kopen danbouten en moeren met een verschillende diameter. Ook waren de nylon stand-offs gemakkelijk verkrijgbaar met gaten van 3 mm. De grote gaten in dealuminium armen en de deckplaat zijn voor gewichtsbesparing. Daar moetengeen bouten in aangebracht worden.

Het frame moet als volgt gemonteerd worden:


40/257

Pagina 40

fig. 2.19a: Inventor: afgewerkte quadrocopter getekend (schuin zicht)

fig. 2.19b: Inventor: afgewerkte quadrocopter getekend (zijaanzicht)

Zoals te zien is op de fotos komen de armen niet tot het midden van debaseplates. Dit komt omdat de verbinding tussen het powerboard en debatterij langs daar gebeurt.

Nadat we alle onderdelen gemonteerd hadden, zagen we dat het totaalgewichtvan het frame 330 gram was.


41/257

Pagina 41

fig. 3.1: Schematische voorstelling van de elektronica

Hoofdstuk 3: De bouw

In dit hoofdstuk worden de onderdelen besproken die we op het frame hebbengeplaatst. Hieronder ziet u het schakelschema van de gebruikte componenten.Deze componenten zullen nu n voor n worden besproken.


42/257

Pagina 42

fig. 3.2: Onze 3S LiPo batterij

3.1 De batterij

De batterij heeft als functie omalles van elektriciteit te voorzienin de quadrocopter. Wij kozenvoor een lithium-ion-polymeerbatterij of kortweg LiPo batterijgenoemd. Dit omdat zon LiPo

batterij een groot vermogen kan leveren voor een batterij met een kleingewicht. Een LiPo batterij heeft ook een lage interne weerstand waardoor debatterij een hoge stroom kan afgeven.

We kozen voor een 3S 2400mAh 20C LiPo batterij.

De batterij wordt rechtstreeks verbonden met het powerboard en wordt

bevestigt onderaan de onderste baseplate.

3.1.1 LiPo accu t.o.v. NiMh accu

Het bijzondere aan LiPo accus is dat ze t.o.v. NiMh accus een hogerespanning hebben. Ze kunnen ook bij veel hogere belastingen toch hunverwachte capaciteit halen.

Verder is de inwendige weerstand zeer laag bij een LiPo batterij waardoor zeuitermate geschikt zijn voor modelbouw. De batterij blijft zelfs bij een hogebelasting dezelfde spanning geven. Een NiMh accu zou dan allang ingestortzijn onder de benodigde spanning.

De lage inwendige weerstand in een LiPo accu heeft tot gevolg dat er weinigverlies is, en dus ook weinig warmte ontwikkeling.

Een LiPo accu is ook super licht. Onze LiPo weegt 187 gram. Dat is veel

minder dan een normale NiMh accu zou wegen.


43/257

Pagina 43

fig. 3.3: Schematische voorstelling van een 3S LiPo

3.1.2 Soorten LiPo batterijen

Er zijn verschillende soorten LiPobatterijen. Het verschil zit hem in deschakeling van de cellen. De cellenkunnen in serie, in parallel ofgemengd staan.

Een enkele LiPo cel zal 3,7V (nominale spanning) geven. Als je dezelfde cellencombineert, kan je de spanning opdrijven door de cellen in serie te schakelen.Wanneer je ze in parallel zet, vergroot je de capaciteit. Hoe groter decapaciteit, hoe langer je met eenzelfde accu zult kunnen vliegen.

Wij hebben gekozen voor een 3S LiPo batterij. Dit is dus een batterij die 3cellen in serie heeft staan. Deze zal dus 3 x 3,7V = 11,1V nominale spanning

geven.

We hebben geen cellen in parallel nodig. Dit komt omdat we met onze

2400mAh een lange tijd 4 motoren kunnen aansturen.

3.1.3 C-waarde

Toch is er nog een groot verschil in LiPo accus. Niet alle LiPos zijn evengeschikt om een groote stroom te kunnen leveren. Bij een LiPo accu hoort ernamelijk een C-waarde. In ons geval is dit 20C. Deze Cstaat voor het aantalmaal de capaciteit wat een accu als continue stroom mag leveren. 20Cbetekent dus 20 keer de capaciteit.

Onze accu van 2400mAh 20C mag dus 48000mA of 48A continu leveren.

Er staat ook vermeld welke piekstromen de batterij kan leveren. Bij ons is dit

tot 25C. Onze batterij kan dus tot 60A piekstroom leveren. Dit moet wel vankorte duur zijn.


44/257

Pagina 44

fig. 3.4: Laadcurve van een LiPo batterij

3.1.4 Laden

Het laden van een LiPo batterij moet op een speciale manier gebeuren. Bij eenNiMh accu zal de spanning tijdens het laden eerst oplopen en daarna (bij hetbereiken van de maximale laadtoestand) terug afnemen. Dit is het moment

waarop de lader afslaat.

Bij een LiPo batterij zal tijdens het ladende spanning blijven toenemen. Despanning van een LiPo cel mag echternooit boven 4,21V komen. De batterijzal eerst zijn 4,21V opbouwen, waarnalangzaam de stroom zal dalen. Wanneerje nadat de stroom 0A bedraagt blijft verder opladen, gaat de cel kapot

en kan er zelfs brand ontstaan.

Een LiPo lader werkt daarom ook anders dan een NiMh lader.Een NiMh lader laadt met een constant amprage tot de accu vol is. Dan slaatde lader af.Een LiPo lader laadt in het begin met een hoog amprage en naarmate despanning van de cel dichter bij de 4,21V per cel komt, neemt het amprage af.

Wanneer de stroom de 0A bereikt is de batterij volledig opgeladen en zal delader automatisch afslaan.

Bij de moderne laders wordt niet alleen naar de totale spanning gekeken,maar ook naar de onderlinge spanning in elke cel. Een LiPo batterij heeft ooknog kleine aansluitingen. Deze zijn verbonen tussen de cellen door, om zo despanning per cel te kunnen meten. Een LiPo accu heeft dus niet alleen de plusen min aansluiting waar de lader op aangesloten wordt, maar ook een paardunnere draden met een speciale kleine stekker die naar de balancer ingangvan de lader gaat. Daarmee kan de lader de spanning van elke cel apartmeten en aan de hand daarvan het laadproces aanpassen zodat alle celleneven snel opladen.

3.2.5 Balanceren

De cellen zullen niet tegelijk ontladen. Dit zal nagenoeg wel gelijk lopen, maarer zal altijd een verschil ontstaan. Dit komt omdat de interne weerstand niet

helemaal dezelfde is.

Bij grootte batterijen kan dit problemen geven en kun je tussendoorbalanceren. Dit wordt gedaan om de grote verschilspanningen weg te werken.

Bij ons is dat niet nodig.


45/257

Pagina 45

fig. 3.5: Ontlaadcurve van een LiPo batterij

3.1.6 Ontladen

Een LiPo batterij kan nooit helemaal ontladen worden. Dit betekent in depraktijk dat wanneer wij met zon accu vliegen en het begint af te nemen, weonmiddellijk moeten stoppen met vliegen.

Onze LiPo batterij is opgebouwd uit 3 cellen. Wanneer er n cel op deondergrens is en de andere cellen niet en je zou nog doorgaan met ontladen,is de lege cel vrijwel direct kapot. Zeker bij een hoge belasting.

De duurdere LiPo batterijen kan je tijdens het ontladen ook aansluiten op eenbalancer. Dit is een speciaal ontlaadprogramma waarbij de interne weerstandwordt aangepast (vergroot), zodat de rest van de cellen rapper zullenontladen. Dit is om te voorkomen dat n van de cellen onder de 2,5V komt.Wanneer hij onder de 2,5V komt zouden de condensatoren beschadigt kunnen

raken. Om er zeker van te zijn dat we de batterij niet kapot zullen maken,werken we met een veiligheidsgrens van 0,5V. Verder bestaan er ook specialeLiPo veiligheidsschakelaars. Die worden tussen de ontvanger en de regelaargeplaatst om zo deze taak over te nemen. Hierdoor kan men toch nog op eenveilige manier met LiPo batterijen vliegen zonder dat er gevaar is voor het tediep ontladen. Hieronder staat de ontlaadgrafiek van een LiPo-batterij. Debatterij mag nog verder ontlaadt worden onder 1/8, maar daarna gaat de

spanning snel achteruit en kom je dicht bij de gevarenzone van 3V. Bij 1/8 ishet tijd om te landen en te herladen.


46/257

Pagina 46

3.1.7 Opslaan

LiPo accus kunnen theoretisch het best half-opgeladen opgeborgen worden.

Dit heeft te maken met de chemische samenstelling van de accu. Door hetchemische verschil tussen de anode en kathode kan inwendige corrosieoptreden. Bij een half-opgeladen accu (celspanning 3.7V) is dit verschijnselhet kleinst.De meeste LiPo laders hebben een programma waarbij je op kan gevenhoeveel mAh er maximaal geladen mag worden. Door de accu leeg te maken

en deze waarde op de helft van de capaciteit in te stellen, zal de laderautomatisch afslaan zodra de helft van de capaciteit bereikt is. De meestemoderne laders hebben zelfs een zogenaamde "storage mode", waarin delader de spanning door het laden of ontladen automatisch naar 3.7V per celbrengt.

Daarbij hoor je een LiPo accu die langere tijd niet gebruikt wordt, elke 2 3

maanden dan weer een beetje bij te laden, want als de accu echt leeg gaat,kan hij kapot gaan. Het is dus ook aangeraden bij lange inactiviteit, af en toeeens de accu te herladen.

In de praktijk gebeurt dit half opgeladen wegleggen niet zo vaak. Het is beterom de LiPo voor 50-80% weg te leggen. Dan is het risico dat hij door eigenontlading te diep ontlaadt kleiner en kan hij ook niet te ver opladen dooromgevingsspanningen wat brand zou kunnen veroorzaken.

3.1.8 Veiligheid

LiPo accu's bevatten in een klein pakketje een enorme concentratie vanenergie. Daar moet men bewust mee omgaan. De oudere LiPo accu's warenheel erg gevoelig voor mishandeling. Bij het kleinste foutje ging het mis enwel op een heel heftige manier. Tegenwoordig zijn de LiPo accus veelgebruiksvriendelijker en beter bestand tegen het niet goed behandelen, maarmen moet er wel nog met respect mee omgaan en goed opletten wat menermee doet.

LiPo accu's die op de juiste manier geladen en gebruikt worden, hoeven geen

enkel probleem te geven, maar zorg er bijvoorbeeld voor dat er geenkortsluiting kan ontstaan. Als je bij het werken met een LiPo accu kortstondigkortsluiting maakt, gaat er direct een dusdanig hoge stroom lopen, dat decontactpunten direct aan elkaar "gepuntlast" worden en kun je dekortsluitverbinding haast niet meer loskrijgen met alle gevolgen van dien. Opzo een moment kan een LiPo batterij gevaarlijk worden.Theoretisch zou het met laden ook verkeerd kunnen gaan. Wanneer de laderbijvoorbeeld niet op tijd af zou slaan, of wanneer je iets verkeerd ingesteld

zou hebben. Daarom is het altijd verstandig om in de buurt te zijn wanneer deLiPo batterij oplaadt.


47/257

Pagina 47

fig. 3.6: Ons powerboard

fig. 3.7: Connectors aan het powerboard solderen

fig. 3.8: Powerboard gemonteerd op het frame

3.2 Het powerboard

Het powerboard verdeeld de stroom enspanning over de onderdelen die ervanvoorzien moeten worden. Zoals je kunt zienzijn er verschillende aansluitingen. Achtgewone aansluitingen (+ en -) en n keereen grote aansluiting naar de batterij (1).

Van daar komt namelijk alle elektriciteit diedan verdeeld wordt over de aansluitingen.Aan deze grote aansluiting zijn de kabelsreeds aangesloten.

We hebben wel nog de connector(zie afbeelding hiernaast) moeten

solderen aan de laadkabel en hetpowerboard. Zo kunnen we debatterij rechtstreeks aansluiten ophet powerboard. Dit is eenconnector die er ook voor zorgt datje hem niet omgekeerd kanaansluiten (+ aan klem en aan+ klem)

Zoals gezegd zijn er acht gewone

aansluitingen. Vier ervan zullen inverbinding staan met desnelheidsregelaars (ESCs). Voor

elke ESC is er een aansluitingvoorzien. Verder is er ook nog eenaansluiting voorzien voor de UBECen een aansluiting voor deledlampen.

Het powerboard hebben wij op denylon stand-offs geplaatst. Netboven de boven-baseplate en onderde deckplaat zoals zichtbaar is opde afbeelding hiernaast.

Het powerboard weegt verder34gram (zonder de bekabeling).

Het heeft 3,5mm vrouwelijke aansluitingen, en de ESCs hebben mannelijke

aansluitingen. Dit is dus makkelijk te monteren zonder al te veel problemen.


48/257

Pagina 48

fig. 3.9: De ESC (snelheidsregelaar)

3.3 De snelheidsregelaars (ESCs)De snelheidsregelaars (Elektronic Speed Controllers) hebben als functie om desnelheid van de motoren te regelen en aan testuren. Ze worden verbonden aan de enekant met de motoren (1) en aan de anderekant met het powerboard (2) en hetgeheugenbord (3). De connecties naar de

motoren komen overeen met de connectiesvan de motoren zelf. Hier hebben we dusgeen problemen bij het monteren.

Onze ESCs zijn geschikt voor LiPo batterijen met 2,3 of 4 cellen. Onze batterijheeft 3 cellen.

De ESCs bij ons hebben geen BEC. Ze noemen dus Opto-ESCs (ook weloptocoupler ESC genoemd). Het verschil tussen een ESC met een BEC enzonder BEC ligt bij de extra voeding voor de elektronica (5V). Een ESC meteen BEC zal via de regelaar nog spanning zal sturen naar de elektronica om zobijvoorbeeld het controllerbordje te voeden. Bij een optocoupler is er geenBEC aanwezig, en heb je dus een externe voeding nodig voor de elektronica

Wanneer je verschillende BECs zou gebruiken en dus verschillende keren

voeding zou sturen naar de elektronica, kan dit onderling conflicten geven.Daarom wordt er aangeraden maar n BEC te gebruiken. Dat zou dus willen

zeggen n ESC met een BEC en dan 3 Opto-ESCs. Verschillende ESCscombineren kan echter zorgen voor een slechte stabilisatie omdat niet alleESCs op dezelfde manier geijkt worden.

Wij kiezen daarom voor een aparte BEC om zo het motorcircuit en hetontvangercircuit volledig van elkaar te scheiden. Daardoor zijn er minderproblemen met storingen van motor en regelaar die in de regelkring terechtkunnen komen. Bij dit type is er dus nog een aparte voeding nodig voor deelektronica. Deze wordt later besproken.


49/257

Pagina 49

fig. 3.10: Brushless DC-motor

3.4 De motoren

Bij een quadrocopter zijn er uiteraard vier motorenaanwezig. Telkens op het uiteinde van iedere arm.Daarop wordt er telkens een propeller bevestigt.De motoren worden aangesloten aan de ESCs.

Wij kozen voor brushless DC-motoren in plaats van brushed DC-motoren.

Het verschil is dat bij brushless DC-motoren de overdracht van energieelektronisch gebeurt (borstelloos) terwijl dat bij brushed DC-motoren wel metborstels gebeurt.We maken even de vergelijking tussen deze 2 elektrische motoren:

Brushless DC-motor Brushed DC-motor

Wrijving Geen Veel

Rendement Hoog Laag

Geluid Weinig Boog in de borstelsOnderhoud Minimaal Regelmatig

Duurzaamheid Uitstekend Minder

Omschakeling Elektronische omschakelinggebaseerd op positiesensorenmet Hall-effect sensors

Omschakeling door borstels

Efficintie Hoog. De spanning kan nietdalen door de borstels.

Matig

Kracht van deuitlaat/grootte

Hoog. Beperkte grootte doorbetere thermischeeigenschappen; Omzetting vanwarmte is gemakkelijkerdoordat er wikkelingen in destator zijn, die zich in het skeletbevindt.

Laag. De warmte wordtomgezet aan de binnenkantvan het skelet, waardoor detemperatuur stijgt en deeigenschappen beperktzijn.

Traagheid vande rotor

Beperkt door duurzamemagneten in de rotor

Hoog.Beperkt de dynamischeeigenschappen.

Versnellingen Snel. Zonder mechanische

beperkingen door borstels ofomschakeling.

Traag. Beperkt door

borstels.

Koppel Vlak. Werkt op volle snelheidmet de juiste last.

Matig. Bij hoge snelheid iser meer wrijving van deborstels en het koppelvermindert.

Het is duidelijk dat brushless DC-motoren beter zijn dan brushed DC-motoren.Brushless DC-motoren zijn wel duurder maar toch kozen wij voor dit type

motor omdat een brushless DC-motor zeer snel van toerental kan veranderen.

Dit is zeker nodig om goed te kunnen stabiliseren.


50/257

Pagina 50

fig. 3.11: Schematische voorstelling DC-motor

3.4.1 Werking van een brushless DC-motor

Een brushless of borstelloze motor is een motor die zonder koolborstels werkt.De wikkelingen zitten in het huis en de magneten zitten op de ronddraaiendeas gemonteerd (de rotor).

Omdat zo'n motor dus geen koolborstels en geen collector heeft, moet demotor aangestuurd worden met een speciale regelaar. Die zorgt ervoor dat despoelen in de motor (velden) precies op het juiste moment stroom krijgenzodat de magneten van de rotor op het goede moment aangetrokken ofafgestoten worden.

Moderne regelaars hebben soms zelfs een LiPo programma ingebouwd. LiPobatterijen mogen namelijk nooit diep ontladen worden (zie 3.1). De regelaarschakelt zichzelf dan naar een lagere vermogen of zelfs helemaal uit indien

nodig wanneer de spanning een kritische ondergrens dreigt te bereiken.

Zoals gezegd wordt een borstelloze motor op eenspeciale manier aangestuurd. Hierbij moet deregelaar de 3 spoelen (A, B en C) precies op dejuiste manier en frequentie aansturen zodat demagneet van de rotor op het juiste moment

aangetrokken of afgestoten wordt. Daardoor zalde rotor draaien. Hoe meer toeren de motormaakt, hoe sneller de regelaar de spoelen moet

aansturen. De regelaar moet dus op elk moment"weten" in welke positie de rotor staat t.o.v. despoelen.

Om dat te weten kan dit op twee manieren: Met een sensorloze motor of viaeen motor met sensor. Wij zitten in het eerste geval.


51/257

Pagina 51

Een sensorloze motor:

Een brushless DC-motor is eigenlijk een draaiveldmotor. Hij wordt metpermanente magneten aangestuurd. Zodra de borstelloze motor draait,

verandert de langskomende magneet de stroom door de spoel een beetje. Destroom is dus veranderd. Dat kan de regelaar gebruiken om te bepalen waar

de magneten zich bevinden en dus ook hoe de spoel op dat momentaangestuurd moet worden. Dit proces noemt men sensorloos. Het voordeelvan dit systeem is dat het heel erg efficint is en hele hoge toerentallen engrote vermogens kan leveren.Het nadeel was tot voor kort dat de motor al "even" moest draaien voor deregelaar de motor optimaal kan aansturen. Bij auto's moet voor elke bewegingdie de motor wil maken de hele auto direct mee verplaatst worden. Auto'smoeten bovendien snel accelereren, hard remmen en weer van stilstand oflage snelheid weg trekken. De eerste sensorloze motoren hadden hierproblemen mee dus werd er een nieuw soort sensorloze motor/regelaar

ontwikkeld.

Bij de nieuwe soort motoren zonder sensor wordt een veel nauwkeurigeremeettechniek gebruikt. Die meettechniek laat probleemloos een autowegrijden en een gelijkwaardige acceleratie vanuit laag toerental uitvoeren

zoals bij een motor met een sensor, maar gekoppeld aan de hogere efficiencyen hogere topsnelheid van een sensorloze motor.Dit is mogelijk gemaakt door een speciaal ontwikkelde chip en bijpassendesoftware.

Verder worden motoren zonder sensor alleen maar met 3 dikke stroomdradenop de regelaar aangesloten. Dit wil zeggen met 3 paar spoelen.

Een motor met een sensor:

Voordat de 2e generatie sensorloze motor/regelaar in combinatie ontwikkeldwas, werd de motor met sensor gebruikt om bijvoorbeeld het startprobleembij auto's op te lossen. Er werd speciaal hiervoor een motor/regelaar systeemontwikkeld met 3 ingebouwde HAL sensoren die aan de regelaar feedbackgeven in welke stand het anker staat en in welke richting hij draait. Dit kan

ervoor zorgen dat de motor nauwkeuriger geregeld kan worden qua positie,stroom, en dus ook de snelheid. Dit geeft een minder aarzelende acceleratieen een hoger koppel op lage toeren t.o.v. de eerste generatie borstellozeregelaars. Het feit dat motoren met sensor een wat lagere efficientie en eenmindere topsnelheid hebben dan sensorloze motoren, werd ruimschootsgoedgemaakt door de betere eigenschappen. Deze motoren worden op deregelaar aangesloten met de gebruikelijke 3 dikke stroomdraden en met een 5of 6 aderige dunne bedrading met stekker voor de sensoren.


52/257

Pagina 52

3.4.2 Specificaties

Onze motoren hebben 930KV. Dit wil zeggen dat ze zonder weerstand 930toeren per volt kunnen draaien. Aangezien onze batterij een spanning levertvan 11,1V kunnen onze motoren in perfecte omstandigheden 10323 toerenleveren ( ). Met enige weerstand meegerekend bijhet opstijgen en het veranderen van de richting zullen de motoren maximaal10000 toeren leveren. Verder zal het verlies ook toenemen in de motorwanneer hij zijn maximum toerental bereikt. Wij hebben minder toeren nodigom onze quadrocopter te laten vliegen maar hoe hoger het toerental is, hoesneller de quadrocopter verticaal in de lucht kan vliegen. Het is niet debedoeling om een te zware motor te nemen, want dan zal je een motor

hebben die aan een zeer laag toerental bjna geen koppel meer zal hebben.

De maximum thrust is 550 gram en de bijbehorende propellers zijn DJI 10x3.8

/ DJI 8x4.5 en DJI 10x4. Onze propellers zijn van het merk DJI type 10x3.8.Verder is er ook smooth throttle en linear throttle aanwezig. Throttle zorgtervoor dat de snelheid in verhouding beperkt en bijgeregeld kan worden vande motoren. Dit gebeurt via de afstandsbediening.


53/257

Pagina 53

fig. 3.12: Liftkracht

3.5 De propellers

3.5.1 Liftkracht

De liftkracht is de kracht die loodrecht op de propeller inwerkt.Deze kracht is dus ongeveer tegengesteld aan degravitatiekracht. De liftkracht zorgt ervoor dat dequadrocopter omhoog blijft. Liftkracht is het gevolg vanverscheidene effecten zoals de reactiekracht van de

luchtstroom op het oppervlak, het Bernoulli-effect en hetCoand-effect.

Het effect van de reactiekracht is alsvolgt uit te leggen. Een vlakke plaat dieeen hoek maakt met de luchtstroom,zodat de luchtstroom aan de onderzijde

van de plaat wordt afgebogen naarbeneden toe, ondervindt behalve eenwrijvingskracht in de richting van de

stroom, ook een naar boven gerichtekracht. Deze kracht is de liftkracht .

Een vlakke vleugel is echter om meerdere redenen niet optimaal. Naast devereiste kracht veroorzaakt een vlakke plaat ook turbulentie en

luchtweerstand. Uit vele experimenten en berekeningen is gebleken dat debovenkant van de vleugel beter een bolle vorm kan hebben. De luchtstroom

volgt het vleugeloppervlak en buigt hierdoor ook aan de bovenkant van devleugel naar beneden (dit is het Coand-effect). Zonder deze bolle vorm zoude luchtstroom boven de vleugel bij een kleinere

invalshoek () al gewoon rechtdoor gaan enzouden er luchtwervelingen ontstaan. Dezeturbulentie werkt remmend en omdat de luchtaan de bovenkant van de vleugel niet meerafgebogen wordt, is er ook minder liftkracht.

fig. 3.13: Liftkracht met reactiekrachten

fig. 3.14: Voorstelling invalshoek


54/257

Pagina 54

De luchtsnelheidsverschillen boven en onder een vleugelprofiel kunnen metbehulp van de Wet van Bernoulli worden omgerekend in drukverschillen, dieook weer liftkracht veroorzaken.

De wet van Bernoulli:

Hierbij is:

v = de snelheid (m/s)g = de valversnelling (m/s)h = het hoogteverschil (m)p = de druk (Pa)= de massadichtheid (kg/m)

In de formule zien we

- de kinetische energiedichtheid of dynamische druk:

- de atmosferische druk: .

Omgerekend naar lengte-eenheden levert dit voor het totale energieniveauvan de stromende vloeistof:

[m]

Hierbij is:

= de snelheidscomponent

= de stijghoogte.

fig. 3.15: Voorstelling drukverschil op een vleugel


55/257

Pagina 55

De verplaatsing van de vleugel door de lucht veroorzaakt aan de onderkantvan de vleugel een overdruk en aan de bovenkant van de vleugel eenonderdruk. Deze drukverschillen veroorzaken zelf nog een extra effect. Delucht aan de onderkant van de vleugel wordt door de overdruk ter plaatseafgeremd. Door de onderdruk boven de vleugel wordt de lucht naar de

bovenkant van de vleugel gezogen. Dit veroorzaakt een grotere snelheid vande lucht boven de vleugel dan er onder. Daardoor ontstaat de liftkrachtongeveer 2/3 aan de bovenkant van de vleugel en 1/3 aan de onderkant.

In onderstaande figuur is een doorsnede van een vleugelprofiel getekend.De luchtstroom is getekend in het groen. Dit is het pad dat luchtdeeltjesafleggen als zij langs de vleugel stromen. In de lucht ver vr de vleugel(rechts) zijn ze op gelijke afstand getekend. Als de stroomlijnen dichter bijelkaar gaan lopen en de dichtheid blijft (ongeveer) gelijk, betekent dit dat dedeeltjes sneller gaan stromen. De luchtsnelheid en stromingsrichting zijn

aangegeven met de blauwe pijlen. De rode pijlen geven een indicatie van deonderdruk boven de vleugel en de overdruk onder de vleugel. Tenslotte geeftde paarse pijl de totale liftkracht weer en de grijze de weerstand. Menprobeert de stromingsweerstand altijd zo laag mogelijk te houden.

fig. 3.16: Totale voorstelling werking van een vleugel


56/257

Pagina 56

3.5.2 Liftformule

De liftkracht L wordt als volgt berekend:

Hierbij is: = de dichtheid van lucht (kg/m3)

v = de luchtsnelheid (m/s) (t.o.v. het opgelifte deel)s = het oppervlak (in m2) van het opgelifte deel= de liftcofficint t.o.v. (aanstroomhoek)

Uit de liftformule kunnen we dan de liftcofficint bepalen:

In bovenstaande grafiek is de liftcofficint als functie van de aanstroomhoekgegeven. De aanstroomhoek is de hoek die de onbenvloede stroming maaktmet de koorde van de vleugel.

CL heeft voor veel profielen al een positieve waarde bij een aanstroomhoekvan 0. Dat komt doordat de stroming over de gebogen achterkant al naar

onder wordt afgebogen als de koorde van de vleugel evenwijdig met destroming staat. Bij een bepaalde kritische hoek (10 20) neemt de liftkrachtplotseling zeer sterk af. De curve is specifiek voor een bepaald profiel, maarheeft voor goede ontwerpen wel altijd ongeveer deze vorm.

fig. 3.17: Karakteristiek van de liftcofficint

fig. 3.18: Voorstelling koorde of invalshoek
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lift_kurve.pnghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lift_kurve.png


57/257

Pagina 57

3.5.3 Specificaties

Wij hebben DJI 10x3.8 propellers. Deze zijn zoals al eerder gezegd, passendbij onze brushless motoren. De propellers zijn van het merk DJI en zijn 10inchlang. Ze hebben een kromming van 3,8. We gebruiken 4 propellers. 2

propellers draaien in wijzerzin (oranje) en 2 in tegenwijzerzin (geel).

fig. 3.19: Draairichting propellers


58/257

Pagina 58

3.6 De UBEC

De UBEC zorgt ervoor dat de spanningvan de batterij (11,1V) wordt omgezetnaar 5V voor de receiver en hetgeheugenbord. De UBEC is dus eensoort kleine transformator.

3.6.1 Verschil tussen BEC en UBEC

De BEC is lineair terwijl de UBEC beschouwd wordt als een schakelende BEC.

De BEC heeft een betere ongestoorde signaalspanning en is goedkoper teproduceren. Ze zijn wel minder efficint en maken hogere temperaturen aanbij grotere spanningen. De UBEC daarentegen is efficinter en koeler bijhogere spanningen. Anderzijds hebben zij dan weer een verhoogd aantal

componenten zodat ze duurder zijn om te produceren.

fig. 3.20: De UBEC


59/257

Pagina 59

3.7 De zender en ontvanger

We hebben voor een zender en ontvanger gekozen die we van een vriend teleen hebben gekregen. Beiden zijn van het merk Planet.

3.7.1 De frequentie

De zender moet draadloos met de ontvanger kunnen communiceren. Ditgebeurt via een bepaalde frequentie. Voor modelbouw zijn er verschillende

frequenties legaal in Belgi (en Nederland):

35 MHz en 40 MHz: Deze frequentiebanden zijn uitsluitend gereserveerd voormodelbouwvliegtuigen. Er is wel een nadeel aan verbonden. Wanneer je metmeerdere mensen samen vliegt kan je elkaars signaal storen en dus decontrole over je vliegtuig (tijdelijk) verliezen.

2,4 GHz: In het frequentiebereik van 2400 tot 2483,5MHz is het besturen vanmodelbouwvliegtuigen toegestaan. Dit is een heel brede band waarin dezender en ontvanger zelf een vrije frequentie zullen zoeken en dezeregelmatig veranderen waardoor er bijna geen sprake is van storing. Dit heeftdus als gevolg dat je geen last hebt van andere medemodelbouwers.

3.7.2 De zender

Deze zender werkt op 4 oplaadbare batterijen. Er iseen aansluiting voorzien voor een oplader waardoor er

geen extra batterijlader nodig is.

De zender heeft een schermpje waar de spanning vande batterijen op af te lezen is. Zo kan je op elkmoment weten hoe ver je batterij ontladen is. Het is debedoeling dat je de batterijen nooit onder de 4,6V laatkomen want anders kan je signaal verstoord zijn.

De zender heeft 5 kanalen. De kanalen 1 tot 4 dienen

voor het besturen van de quadrocopter in de 4mogelijke richtingen (throttle, yaw, roll en pitch). Ditwordt gedaan door de 2 sticks.De linkse stick dient voor de throttle () en de yaw().De rechtste stick dient als roll () en pitch ().

Het 5ekanaal is een tweestandenschakelaar. Hiermeezullen we de schakelaar bedienen die de ledlampjesaan en uit zet.

fig. 3.21: De zender


60/257

Pagina 60

3.7.3 De ontvanger

De ontvanger heeft 7 connecties. 6 kanalen en nog eenextra ingang die voorzien is voor de voedingsingang.De ontvanger werkt net zoals de rest van de

elektronica op 5V. We kunnen hierop dus de UBECaansluiten.

De kanalen 1 tot 4 zijn verbonden met het controllerbordje. Deze 4 signalendienen om de quadrocopter te bewegen in de richting die aangegeven is metde 2 sticks van de zender.

Het 5e kanaal verbinden we met de schakelaar (transistor) die de ledlampjesaan en uit schakelen.

fig. 3.22: De ontvanger


61/257

Pagina 61

3.8 Het controllerbordje

Dit controllerbordje zorgt voor de werking van de quadrocopter. Het is eensoort computer die aan de hand van sensoren en inputs (van de zender) de

motoren een bepaald toerental zal laten draaien.

Naast de motoren bedienen is er zijn er ook nog tal van extras om het vliegente vergemakkelijken. Een optie is bijvoorbeeld om een camera te bedienen.Dit alles gebeurd in de processor.

Op dit bordje zit een Atmega 328P processor. Deze is helemaalprogrammeerbaar en kunnen we dus een functie geven die we zelf willen. Indit geval dus het vliegen en besturen van de quadrocopter. Het bordje zelfmoet gevoed worden met 5V. Dit is dus afkomstig van de UBEC (via de

zender) zoals al eerder besproken.

3.8.1 Voltage level converter TXS0102

De sensoren werken allemaal op 3,3V. Ons controllerbordje sturen we aan met 5V. Dit wordt door deze

transistor nog eens opgesplitst naar 3,3V. Om dit tecontroleren staan er 2 ledlampjes op ons bordje die deaanwezigheid van 3,3V en 5V aanduiden.

fig. 3.23: Het controllerbordje

fig. 3.24: Voltage level converter


62/257

Pagina 62

3.8.2 Sensoren:

Gyro ITG3205

Wat?Een gyrometer (gyroscoop) meet de hellingshoekvan de quadrocopter over n van zijn assen. Dit isnodig bij de sturing om de quadrocopter van richtingte doen veranderen bij het manueel bedienen via deafstandsbediening. Deze gyro heeft als voordeel dathij de hellingshoek in de 3 richtingen meet. Dus

zowel voor de x, y als z-as. Met de gyrometer wetenwe dus onder welke hoek de quadrocopter zichbevind.

Werking?

Een gyro is een piezo-element die bij elke verbuiging(door middel van rotatie van onze quadrocopter) eenspanningsverschil teweeg brengt tijdens dat hetelementje vervormd (verbogen rond een as) wordt.Deze spanning wordt door de gyrometer opgemeten enomgezet in een beweging van de quadrocopter rondzijn assen.

Accelerometer BMA180

Wat?

Een accelerometer is bijna hetzelfde als eengyrometer. De accelerometer meet net zoals degyrometer de hellingshoek, maar dan niet deabsolute hoek, maar de verandering van hoek. Deverandering van hoek wordt gebruikt om zo snelmogelijk na een beweging terug naar zijn evenwichtte komen. Deze accelerometer werkt net zoals de

gyrometer voor alle richtingen: x, y, z-richting.

Werking?Een accelerometer maakt gebruik van hettraagheidsprincipe. Het is gebaseerd op de mechanischeversnellingsmeter. Het is een gewichtje dat verend isopgehangen. Als de quadrocopter dan beweegt zal hetgewichtje achterkomen (traagheid). In de praktijk is er geengewicht die verend wordt opgehangen, maar veren diegemaakt zijn van silicium. Die trillen heen en weer tussencontactpunten. Wanneer deze veren bewegen en terwijl een veranderingondergaan, zal de veer anders beginnen trillen. Het verschil van lading aan de

contactpunten meet de verandering van de verplaatsing op.

fig. 3.25: Gyrometer

fig. 3.26: Voorstelling gyrometer

fig. 3.27: Accelerometer

fig. 3.28: Voorstelling

accelerometer
http://blog.oscarliang.net/wp-content/uploads/2013/06/Accelerometer-3-axis.pnghttp://blog.oscarliang.net/wp-content/uploads/2013/06/Gyroscope-3-axis.pnghttp://blog.oscarliang.net/wp-content/uploads/2013/06/Accelerometer-3-axis.png


63/257

Pagina 63

Barometer BMP085

Wat?Een barometer meet de luchtdruk (atmosferische

druk) en de temperatuur om zo de hoogte te bepalenwaar de barometer zich bevind.

Werking?De barometer zal dus de druk en temperatuur meten.Die zal de onderstaande formule toepassen:

Magnetometer HMC5883

Wat?

Een magnetometer kan je vergelijken met eenkompas. De magnetometer bepaalt je positie aan dehand van het magnetisch veld van de aarde. Hetnadeel hiervan is dat je geen andere magnetischebronnen (zoals een magneet, een spoel, ) in de buurtmag brengen.

Werking?

De magnetometer bevat een permanente magneet die bijna geen wrijving

heeft. Zo zal deze net zoals in een echt kompas het noorden aanwijzen.Daardoor wordt de orintatie van de quadrocopter bepaalt.

3.8.3 De controller Atmega 328P

Dit is de effectieve controller. Deze is zoals reedsgezegd helemaal programmeerbaar(zie hoofdstuk 4).

M gemiddelde molaire massa van lucht (29kg

kmol )

g valversnelling (9,81 ms2

)

h hoogte (in m)

R algemene gasconstante (8,314 mol K )T temperatuur (in K)P luchtdruk (in hPa)P0luchtdruk op zeeniveau (0m hoogte)

fig. 3.29: Barometer

fig. 3.30: Magnetometer

fig. 3.31: Atmega 328P controller


64/257

Pagina 64

Hoofdstuk 4: Het programma

Zoals reeds besproken bij de flight controller is deze zelf programmeerbaar.Hieronder staat een korte beschrijving van wat er allemaal in het programmaverwerkt zit. Het programma is een standaardprogramma dat wordt

meegeleverd bij het bordje, dat wij hebben aangepast voor onzequadrocopter. Het programma is te vinden in bijlage 23.

4.1 Vlieg modes

Er zijn verschillende manieren om te vliegen, zowel voor beginners als voorervaren vliegers. Er zijn 3 belangrijke modes: ACRO-, ANGLE- en HORIZON-mode. Daarnaast zijn er nog andere modes zoals MAG-mode en BARO-mode.Er zijn ook speciale modes die niet bedoeld zijn om te vliegen.

Arming

Arm en disarm zijn 2 functies die bedoeld zijn om de quadrocopter tebeveiligen. Men moet eerst de quadrocopter uit zijn veiligheid halen wantanders kan het zijn dat de motoren beginnen te draaien zonder dat je datwenst.

Na het vliegen moet je hem weer in zijn veiligheid plaatsen. Anders zouden demotoren direct kunnen draaien en zou je verwondingen kunnen oplopen.

ACRO-mode

Acro-mode staat voor acrobatic mode. Het is de moeilijkste manier om te

vliegen. De quadrocopter is enkel bestuurd door de inputs van de zender. Watje instuurt wordt direct naar het bordje gezonden. Hierbij wordt de gyroscoopgebruikt om de quadrocopter onder een bepaalde hoek te brengen (afhankelijkvan de input) en die zolang in deze hoek te houden tot er een verandering vaninput is.

ANGLE-mode

Angle-mode is de stable of self-levelling mode. Dit is de gemakkelijkste manierom te vliegen. Deze manier van vliegen maakt gebruik van de gyroscoop omzich (net zoals in ACRO-mode) te besturen. Wanneer er geen input van de

zender komt zal de quadrocopter zichzelf stabiliseren en zich terug horizontaalbrengen waardoor hij niet meer verder beweegt.

HORIZON-mode

HORIZON-mode is een combinatie van ANGLE en ACRO-mode. Dit is de bestemanier om in ACRO-mode te leren vliegen. Zolang er geen of weinig input iszal de quadrocopter zichzelf stabiliseren, maar vanaf er grote inputs zijn zal dequadrocopter in ACRO-mode staan. Daardoor bedien je de quadrocopterhelemaal zelf. Wanneer er terug geen inputs zijn (bijvoorbeeld als je denkt datje gaat crashen tijdens het oefenen) zal de quadrocopter zichzelf horizontaalproberen te brengen.


65/257

Pagina 65

MAG-mode

Deze mode activeert de magnetometer. Dit zal als resultaat hebben dat dequadrocopter zich in dezelfde positie zal houden en in dezelfde richting

voortbewegen zolang de MAG-mode aanstaat. De richting wordt bepaald vanafwanneer de MAG-mode actief wordt.

BARO-mode

Deze mode heeft een barometer nodig. Die zal ervoor zorgen dat de

quadrocopter op dezelfde hoogte blijft vliegen. Hierbij wordt ook deaccelerometer gedeeltelijk gebruikt om de versnelling in Z-richting (omhoogen omlaag) minimaal te houden.

Extra: headfreeDit zorgt ervoor dat de quadrocopter altijd dezelfde richting en hoogte zalbehouden (door middel van de magnetometer en de barometer). Zo kan je dequadrocopter in een 2D vlak makkelijk bewegen. Dit is handig bij het lerenvliegen. Deze mode is dus niets meer dan de yaw-functie (draaien rond Z-as)uitschakelen.

Combinatie: position hold

Position hold is niet echt om te vliegen. Het zal ervoor zorgen dat de

quadrocopter dezelfde positie zal behouden. Hierbij zal hij niet van richtingveranderen (MAG-mode), op een constante hoogte blijven (BARO-mode) enzichzelf stabiel houden (ANGLE-mode). De quadrocopter zal dus bijnastilhangen in de lucht. Aangezien we geen GPS hebben zal hij niet op dezelfdepositie blijven, maar zal hij ook geen versnelling ondergaan. Hij zal dusgewoon meedrijven in de wind.


66/257

Pagina 66

fig. 4.1: Stick-inputs

4.2 Tuning

Om de quadrocopter te besturen naar eigen wens zijn er verschillende settingsdie je kan toepassen. Dit wordt hoofdzakelijk gedaan door de gevoeligheid vande stick-inputs aan te passen en door verschillende vliegmodes en andereinstellingen uit te kiezen. Daarnaast kan je elke vliegmode nog aanpassennaar eigen wens via de PID-settings. De PID-settings zorgen voor desoepelheid van de quadrocopter.

Stick-inputs

Aan de hand van de gevoeligheid van de stick-inputs kanje de inputs van de afstandsbediening regelen. Bij dethrottle (blauwe grafiek) is dit rechtlijnig. D.w.z. dat

zowel bij het center als bij heel grote inputs de vergrotingevenveel effect zal hebben. Bij de pitch en de roll (groene

grafiek) is de grafiek niet lineair. Zo zie je dat bij een input dicht bij het centerer een zeer kleine verandering is en bij een zeer grote input er een groteverandering zal optreden. Dit is handig om bij kleine bewegingen nauwkeurigbij te regelen.

Instellingen selecteren

De instellingen worden geselecteerddoor schakelaars op de zender.

Je kan zelf kiezen door de vakjes aan teklikken bij welke stand van deschakelaar er welke optie moetgeactiveerd worden.

We hebben 4 ingangskanalen (AUX1 totAUX4). Elke schakelaar kan 3 standenhebben (indien het er maar 2 zijn enkelhoog en laag). Wij zijn geen professionele vliegers dus vliegen wij in de

gemakkelijkste vliegmode (ANGLE-mode). Omdat wij toch geen anderevliegmodes nodig hebben selecteren we voor zowel laag, midden en hogespanning van de schakelaar dat we op ANGLE-mode vliegen. Dit kan jeherkennen op bovenstaande tekening door de witgevende vakjes.

Je ziet ook dat we via AUX1 (we hebben op AUX1 een 2-standen schakelaargeplaatst dus hebben we enkel hoog en laag) de LED strips erop hebbenaangesloten. Als de schakelaar hoog staat zullen de lampjes oplichten.

fig. 4.2: Matrix van selecties (eigen voorkeur)


67/257

Pagina 67

fig. 4.3: PID settings

PID-tuning

Je kan zowel de P, I en D apart instellen. Dit zelfs voorelke richting apart. Zowel de P, I als D hebben hun eigen

eigenschappen en effecten. Het is de bedoeling dat ze alledrie samenwerken om zo een goed mogelijk resultaat te

verkrijgen. Hieronder verstaan we dat de quadrocopterzichzelf snel, maar niet te snel corrigeert en dat hij direct reageert opveranderingen.

P-tuning

De P staat voor proportioneel. Als je de quadrocopter wilt veranderen vanhoek ontstaat er een verschil tussen de werkelijke hoek en de gewenstehoek. Hoe groter de P is, hoe meer het verschil versterkt wordt.

Hoe groter P, hoe sneller er zal worden gestabiliseerd metonnauwkeurigheden en oscillaties (vibraties) tot gevolg.Hoe kleiner P, hoe trager er zal worden gestabiliseerd. Er zal welnauwkeuriger gestabiliseerd worden dan bij een grote P.

I-tuning

De I staat voor integreren. Hoe langer dat het verschil van hoek blijft,hoe groter het verschil zal versterkt worden (in de tijd). Stel dat de windde quadrocopter tegenhoudt voor bewegingsveranderingen, zal de Iervoor zorgen dat er in de tijd meer gecorrigeerd zal worden.

Hoe groter I, hoe makkelijker het wordt om de quadrocopter in eenzelfdepositie te houden, maar daardoor wordt de quadrocopter gevoeliger voorveranderingen.Hoe kleiner I, hoe moeilijker het wordt om dezelfde positie te behouden,maar de quadrocopter zal stabieler veranderen van positie.

D-tuning

De D staat voor differentiren. Dit zorgt ervoor dat hoe groter het

verschil is, hoe meer het verschil versterkt wordt. Indien het verschilkleiner wordt, zal het verschil minder versterkt worden om teveelcorrigeren te voorkomen.

Hoe groter D, hoe meer het verschil versterkt wordt waardoor dequadrocopter sneller zal corrigeren, maar hij zal trager reageren op snelleveranderingen.Hoe kleiner D, hoe minder het verschil zal versterkt worden waardoor dequadrocopter langzamer zal corrigeren, maar sneller reageren opkortstondige veranderingen.


68/257

Pagina 68

Hoofdstuk 5: De afwerking

Nadat de quadrocopter gebouwd en geprogrammeerd was hebben we nog eenpaar extras aangebracht op de drone.

5.1 Het landingsgestel

Door het landingsgestel kan de quadrocopter nu overal opstijgen en landen.Hij hoeft nu niet meer op zijn batterij te landen en kan ook op oneffenondergronden landen. We kozen ervoor om het landingsgestel uit carbon temaken. Deze profielen hebben we gevonden bij Aerobertics.

Lengte monteerstuk (A): 40mmBeen breedte (B): 150mmHoogte (C): 80mmDikte (D): 20mm

fig. 5.1: Landingsgestel


69/257

Pagina 69

Wanneer we nu deze profielen in 2 delenzagen (door de lengte A), bekomen we 2stukken. Als we zo 2 profielen kopen hebbenwe voldoende om een volledig landingsgestelte maken. We monteren de 4 stukken dan

namelijk onder de armen aan de motoren.

De landingspoten passen qua dikte perfect oponze aluminium armen (20 mm dik). Op dealuminium armen hebben we 25 mm plaatsom ze te monteren. Er is dus genoeg plaatsom deze landingspoten mooi te monteren (20mm). We monteren dit door middel van 2bouten.

1 poot van Aerobertics kan 500 gram dragen.Door ze middendoor te zagen en verder uitelkaar te zetten vergroten we het draagvlak.Daardoor kunnen we dus meer dan 500 gramdragen. We doen dit 2 keer. Na de testbekomen we dat deze landingspoten deq

1. manuscript (het boek)

Documents