FPV VTOL QuadPlane - Skywalker mit Senkrechtstart

Ich will ja schon lange einen VTOL haben. Die bisherige Anläufe haben sich nie als praktisch erwiesen... aber nun habe ich glaube ich endlich was, was ich tatsächlich umgesetzt bekomme.

Wunschvorstellung

• Großer FPV Flieger mit ruhigem Flugverhalten, GPS-stabilisiert, mit RTH Fähigkeit und idealerweise mit einem GoPro-Gimbal als Nutzlast.
• Effizienter Vorwärtsflug - dafür größere Spannweite und effizient ausgelegter Antrieb.
• Senkrechter Start und Landung bzw. Schwebefähigkeit - der ganze Sinn des VTOL Damit man sich nicht mit Werfen und Landeanflügen beschäftigen muss, auch aus eingegrenzten Positionen fliegen kann, und auch mal neben einem interessanten Objekt in der Ferne schweben kann anstatt Kreise drum zu drehen.

Konzept

• FPV-Flugzeug in der Pusherkonfiguration als Basis: kein Nuri aus persönlichen Präferenzen, Pusher damit die Kameras vorne freie Sicht haben.
• SLT VTOL-Konfiguration (Separate Lift and Thrust): klassischer Quadplane - separate Motoren für Auftrieb (Quad-Auslegung) und Vorwärtsflug (einzelner Motor)
  • + Spart Gewicht und mechanische Komplexität der Tiltrotor-Auslegungen
  • + Vorwärtsflug maximal effizient mit einem leistungsfähigen Motor
  • ~ Redundante Motorisierung fügt wieder Gewicht hinzu, aber im Endeffekt kommt man gleich oder leichter raus wie beim Tiltrotor
• FPV Kamera in der Nase drin + GoPro 3-Achser Gimbal auf dem Rumpf, mit Headtracker-Steuerung
• Pixhawk Flugsteuerung mit GPS: beides PX4 und APMlane Firmwares können mittlerweile mit solchen Fliegern umgehen

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Phase 1: Proof-of-Concept

Um sicherzustellen dass das Konzept so aufgeht, bevor man sich teure Hardware bestellt und viel Zeit in den Aufbau investiert, haben wir erstmal einen Proof-of-Concept Flieger gebaut. Folgende Komponenten kamen zum Einsatz:

• Alter mehrfach gecrashter Bixler 1.1
• Quad-H-Frame aus Aluvierkant in die Flügel gebaut
• 5x NTM 2826 1200kv Motoren mit 9" (Copter)/8" (Flieger) Props
• Afro 20A Regler
• Pixhawk Lite mit M8N GPS/Kompass
• 3S 3300 Lipos

Zusammengebaut sah's so aus:



(an den Stühlen festgebunden, um das bekannte Afro ESC <-> Pixhawk Sync-Verlust-Problem zu lösen; trat zuverlässig auf, bis ich sauberen Signal-Ground an alle 4 Regler verlegt habe und BlHeli 14.6 aufgespielt habe, wo ein Sync-Loss-bei-noisy-PWM Bug behoben wurde - ab dem Moment liefen die Motoren immer 1A sauber).

Erst war die PX4 VTOL Firmware drauf. Die erfordert allerdings einen Airspeed Sensor und macht die Transition in den Vorwärtsflug ausschließlich mit den Daten davon - also wenn hinreichend hohes Airspeed angezeigt wird. Das kam doof, als sich rausstellte dass mein analoges Airspeed Sensor an PX4 ständig >20m/s anzeigt und es keine Option zum Kalibrieren gibt... bei der Transition gingen die Copter Motoren einfach sofort aus, da er der Meinung war schon schnell genug für den Vorwärtsflug zu sein. Zum Glück ist die Copter-Regelung von PX4 robust genug, um ihn beim sofortigen Zurückschalten in Copter-AltHold ausm Sturzflug abzufangen.

Dann habe ich APMlane 3.6.0 RC1 aufgespielt und den Airspeed Sensor komplett abmontiert - APMlane ist mit der GPS Geschwindigkeit glücklich, die auch deutlich zuverlässiger ist an der Stelle. Und damit hat's dann doch funktioniert!
https://www.youtube.com/watch?v=HO2iMncKy2w

Der Bixler schwebt wunderbar vor sich hin, inkl. Loiter (GPS Position Hold), und macht auch eine super Transition in beide Richtungen - aus Copter-AltHold nach FBWA und zurück. Bei Copter->Flieger Transition läuft der Flieger Motor an, der Bixler beschleunigt vorwärts mit aktiven Copter Motoren, und macht diese sanft aus sobald 10m/s erreicht sind. Bei Flieger->Copter geht der Flieger Motor einfach sofort aus und die Copter Motoren springen an, dabei wird die Flughöhe gehalten (beim Schalten nach AltHold). Funktioniert super.

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Phase 2: Planung

Nachdem der PoC erfolgreich war, ging es weiter mit der Komponentenplanung für den richtigen Flieger. Der Bixler ging schon in die richtige Richtung. Folgende Liste ist es nun geworden:

• Airframe: Skywalker 1680 V6
  • Sehr beliebter FPV Flieger mit *zig Bauberichten und Erfahrungswerten
  • Reichlich Tragfähigkeit dank 1720mm Spannweite
  • Günstig
  • Hat in der V6 bereits eine doppelte CFK-Flügelsteckung mit 8mm und 10mm Rohr - perfekt für den Quadframe
• Copter-Antrieb: T-Motor MN2213 950kv / T9545 "Anniversary Set" + DYS XM20A ESCs
  • Relativ leicht, sehr laufruhig und effizient
  • Bereits vorhanden, übrig vom QR400 Projekt
  • ESCs sind extrem leicht, günstig, und verfügen über aktive Bremse zum Festhalten der Props im Vorwärtsflug
• Vorwärtsantrieb: NTM 3530 1400kv + 9x5 E-Prop + Hobbywing Skywalker 40A ESC (noch unsicher)
• Servos: Turnigy MG90S
• Flugsteuerung: Pixhawk Lite mit APMlane FW aus dem PoC Bixler wiederverwendet
• FPV: PZ0420m in der Nase + PlayUavOSD + ImmersionRC 5.8G VTX
• Gimbal: Feiyutech Mini-3D mit Gopro oder Xiaomi Yi, über den PlayUavOsd als Videoswitch ebenfalls per FPV schaltbar und mit Yaw/Pitch an Headtracker angebunden
• Lipos: Hacker 4S 5000

Der Copter-Rahmen wieder diesmal aus CFK gemacht, um weniger Gewicht und mehr Steifigkeit zu erreichen. Wie oben erwähnt hat der Skywalker 1680 V6 bereits zwei CFK Rohre im Flügel als Spars - einmal 10mm und einmal 8mm. Diese dienen dann als Basis des H-Frames, zwei weitere Längsrohre werden als Ausleger angebracht und darauf die Motoren befestigt. Die ESCs und Kabel werden sauber in den Flügel eingelassen und somit aerodynamisch versteckt, sodass der gesamte Aufbau möglichst effizient im Vorwärtsflug bleibt.

Grob geschätzt komme ich insgesamt auf ~2,7-2,8kg AUW. Das ist für den MN2213-Copterantrieb etwas grenzwertig (< 2:1 Schub-zu-Gewicht), sollte aber hinreichende Flugleistungen für Start und Landung bringen. Die Hauptflugzeit wird im effizienten Vorwärtsflug verbracht.

Die fehlenden Komponenten werden in Kürze bestellt, und dann geht es mit dem Aufbau weiter. Stay tuned!

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Phase 3: Aufbau

Zwischenupdate im > Post #4.

Coming soon!

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Kommentare wie immer erwünscht!

Interessantes Projekt. Bin gespannt...

Direkt mal Abo, ich bin auch schon länger dran mit dem Thema bin sehr gespannt.

Ich finde die lösung auch sehr gut.

Gruß Rene

Update 06.06.2016

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Heute habe ich die HK Sendung mit dem Skywalker und Kleinkram (Servos, XM20A ESCs) aus dem Paketshop abgeholt. Zuhause ausgepackt und inspiziert, um das weitere Vorgehen zu planen. Folgende negative und positive Erkenntnisse kamen dabei raus:

• (-) Die "V6" Version von Hobbyking entspricht nicht 100% dem was ich erwartet habe. Spannweite sind zwar tatsächlich 1720mm und keine 1680. Die Flügelsteckung ist allerdings ein einzelnes 12mm Rohr anstatt der versprochenen zwei (10+8mm), und vorne in der Schnauze ist kein Ausschnitt für die FPV Cam drin. Und es ist kein FPV Canopy dabei, wie man das bei neueren Skywalkern eigentlich kennt. Naja, alles verkraftbar.
  
  
• (+) Die 1110g Gewichtsangabe ist Unsinn - stammt vermutlich von der ARF Version mit Motor und Servos. Meine Waage sagt ~650g für die Schaumteile + ~100g für die mitgelieferten GFK Steckungs-Rohre + ~150g Kleinkram (Anlenkungen, zwei Tuben Kleber etc.). Die Rohre werden eh alle mit CFK getauscht, damit ist der Flieger ohne Elektronik bei ~800-850g maximal - fast 300g weniger als geplant! Das ist definitiv sehr gut.
  
  
• (+) Trotz des geringeren als erwartet Gewichts ist das Ding einfach nur riesig Der 4S 5000 verliert sich völlig da drin, sieht aus wie ein 3S 2200 in nem Bixler. Ich denke dann mal, dass die Entscheidung für den Skywalker und gegen den Bix3 an der Stelle die richtige war:
  

Als nächstes bestelle ich die nötigen CFK Rohre (2x 12x10x1000mm für die doppelte Flügelsteckung aka. Querrohre des Copterframes, 1x 14x12x1000 für zwei 50cm lange Ausleger, und evtl. ein 8x6mm als Rumpfsteckung - noch unsicher ob ich da nicht das Standardrohr behalte), und fange an die 3D-Druckteile für die Motormounts und diverse Steckungen und Schraubungen zu zeichnen.

Zusätzlich habe ich mir angefangen Gedanken zu machen über die Flügenbefestigung - die Gummibändchen-Lösung vom Original wird natürlich nicht herhalten. Ich möchte das mit richtiger Schraubung lösen, zwecks Gewicht vermutlich mit Nylon. Dazu habe ich mal einen Suchthread aufgemacht: http://fpv-community.de/showthread.php?75383-Gute-Bezugsquelle-f%FCr-Nylon-Schrauben, wenn jemand Ahnung hat wäre ich über Hinweise sehr dankbar

To be continued.