Der perfekte Mobius-Kopter - the search must go on!

Mein letzter Versuch ist zwar nicht komplett gescheitert, aber meine Erwartungen wurden leider nicht erfüllt. Also; auf ein Neues!


Der perfekte Mobius-Kopter muss...

1. Günstig & und doch so weit wie möglich ausfallssicher sein
2. Gute Videoaufnahmen ermöglichen (Kein Jello, keine Propeller im Bild)
3. Akzeptable Flugzeiten aufweisen
4. Leicht reparierbar sein


Und der Plan?
Es soll ein normaler X-Quadrocopter werden. Dies ist aus meiner Sicht die einzige Bauweise, die meine Erwartungen erfüllt, denn…

…H-Kopter sind weder gewichseffizient noch verwindungssteif.
…Spider-Kopter sind aufwändiger zu reparieren & planen als X-Kopter. Dazu kommt, dass die hinteren Arme deutlich länger als die Vorderen sind, was die Gefahr eines Aufschwingens(/Resonanz) erhöht!

Flugsteuerung wird ein APM2.6 von Goodluckbuy. Dieses soll mit return to home eine akzeptable Ausfallssicherheit bieten. Der Kopter selbst wird aus 10mm Alu-Vierkantprofilen gebaut. 1 mm starke Carbonplatten müssen als Centerplates reichen.


In Google Sketchup habe ich versucht, den Kopter zusammenzubauen…Man möge mir verzeihen, ich habe vorher noch nie mit einem solchen Programm gearbeitet!

So soll der Kopter ungefähr aussehen:



… und weil es so cool ausschaut, hier eine monochrom-röntgen Ansicht



Ursprünglich wollte ich keine grosse, gedämpfte Ebene für Akku, Gimbal, APM usw. machen, sondern alle Komponenten separat dämpfen. Das wäre aber gewichtsmässig schlecht, zudem wäre die träge Masse (=Akku) geringer, was sich negativ auf die Dämpfungseigenschaften auswirken würde. Hier also die ursprüngliche Version:



Die neue Idee zur Schwinungsdämpfung im Grossformat:


Das blaue Zeugs soll Baumarktsilikon darstellen. Ich denke, das Funktionsprinzip ist klar. Das Teil wird, wie im ersten Bild zu sehen, direkt auf der Centerplate montiert.


Das Landegestellt wird aus vier 12mm Carbonrohren von ungefähr 23 cm Länge gebaut welche mit „T-Style tube clamps“ an den Auslegern befestigt werden. Diese sind zudem eine gewollte Sollbruchstelle im Falle eines Absturzes (pro Stück weniger als 1$, zur Reparatur müssen lediglich drei Schrauben gelöst werden).

Wahrscheinlich werde ich den Sender an einem kleinen Servo befestigen, wodurch sich die Antenne nach unten richten lässt.




Die Mobius wird an einem kleinen Brushlessgimbal befestigt. Dieses wird zusätzlich mit vier kleinen 50g-Antivibrationsbällen gedämpft.





Gestern ist das erste Packet mit einigen Teilen von Himodel angekommen. So sieht ein Landegestell- Arm in echt aus:


Vier dieser Carbonrohre, inklusive Kappe und Befestigung, wiegen 75 Gramm.


Zum Abschluss die wichtigsten technischen Daten:
- 530 KV Turnigy Motoren
- 13'', evtl. auch 14'' Carbonpropeller
- F-30a Regler mit Simonk
- 4000 & 5000mAh 3s Lipos

nice to know: Wenn der Kopter etwa 1.7Kg schwer ist und ich einen spezifischen Schub von 10g/Watt erreiche, ergibt das eine Flugzeit von 19 Minuten bei vollständig geleertem 5000mAh Akku.

Mit freundlichen Grüssen,
Christian

Uii, ich dachte gerade Interessantes Projekt, da ich sowas auch noch immer Suche, bis ich unten deine Specs unten gelesen habe. Mal im Ernst, is das nicht etwas Übertrieben um ne 50g Kamera zu tragen?

FerdinandK hatte da letzt ne ganz gute Faustformel mit je 1/3 des Gewichtes für Kopter, Akku und Nutzlast, das fand ich nicht schlecht. Selbst bei 300g für Cam und Gimbal wärst du da noch deutlichst von weg.

Ich würde das Gimbal unter die Dämpfer hängen und nicht davor, so erzeugst du ein Kippmoment das die Dämpfer unterschiedlich belastet, das schwingt dann sehr leicht auf anstatt zu dämpfen.

19min mit 5000mAh, das sind dann 15A im Mittel, pro Motor also unter 4A. Da sind die 30A Regler etwas dick, gute 10er oder 12er sollten hier reichen wenn du nicht ständig mit Vollgas bolzen willst.

Schau dir mal Ferdinands Projekt 12mm oder meinen Lightflight an, evtl kannst du dir da noch ein paar Anregungen holen.
http://fpv-community.de/showthread.php?21347-Projekt-12mm
http://fpv-community.de/showthread.php?47678-Light-Flight-der-500g-Gimbal-Kopter-Versuch

denke auch das sich das aufschwingt bei dem langen "cam" ausleger.
das würde ich anderst machen.

Hey,
Danke für die Beiträge!

Naja, ob "Overkill" oder nicht ist schwer zu sagen. Würde ich anstelle dieser Motoren kleinere ca. 50g und 10'' Propeller verwenden, würde die Flugzeit in etwa dieselbe bleiben oder wäre höchsten minimalst länger.

Die Formel 1/3 für Nutzlast, Akku und Kopter scheint mir durchaus sinnvoll, aber nicht ganz leicht umzusetzenbei einem Kopter in Standard-Alu-Bauweise

Die 30a Regler werde ich nur verwenden, da ich diese noch rumliegen habe. 12a wären aber auf jeden Fall sinnvoller!



Ich habe die 3d Skizze neu gemacht; anders ist jetzt:
- Landegestell 10cm kürzer
- Die Schwingungsgedämpfte Ebene ist unter dem Kopter
- Propeller 10'', Motoren NTM 1000KV
- Centerplate von 10cm auf 8cm geschrumpft
- Mobius Gimbal ist jetzt direkt unter dem Vibrationsdämpfer anstatt davor
- Die Rohre, auf welchen das Gimbal & Akku aufliegt, sind jetzt nur noch ca. 26cm lang
- Die Ausleger sind mit ca. 23 cm entsprechend kleiner. Abstand zwischen den Propellerspitzen ist demnach etwas weniger als 7cm.
- Das APM Board wird mit vier von den kleinen, blauen Dämpfern gelagert.

Hier die Bilder dazu:








Der Kopter wird so auf jeden Fall ziemlich klein & kompakt. Das ist gut, weil er so leichter transportierbar wird und weniger windanfällig dürfte er auch sein. Das Gewicht dürfte dann so um die 1,3 Kg liegen. Mein etwas kleinerer FPV-Kopter wiegt inkl. 5Ah Akku 950g; dazu kämen noch ca 200g für das Gimbal (inkl mobius) und mindestens 100g für GPS, etwas längere Ausleger und Landegestell.

Was meint ihr zu dem neuen Modell?

MfG

Was vielleicht am besten ist:
Den Kopter noch etwas kleiner als oben gezeichnet. Dazu dann 9'' Propeller und die grünen Multistar 980KV Motoren. Regler F-20a, die habe ich auch noch rumliegen ;D
Somit würde der Kopter recht leicht werden. Eventuell könnte ich gar 0.75*0.75 Alu anstelle von 1cm*1cm verwenden?

MfG

Das 7.5er Alu hat mehr Wandstärke und ist somit kaum leichter als das 10mm, ich meine 100g/m zu 80g/m
Ich bleibe bei der Leichtbauweise. Warum mehr Gewicht rumschleppen als nötig.
Geht nur mehr kaputt wenn er runterkommt - und dabei ist der Kopter selbst noch das geringste Problem.

7.5er Alu hat bei uns auch 1mm Wandstärke, ist also leichter.

Leichtbauweise ist realtiv, viel leichter als 1mm Carbon Centerplates mit 10er Alus geht nicht. Carbonausleger inklusive Schellen dürften in etwas gleich schwer sein. Wenn man aber, so wie du, auf Schellen verzichtet - ja dann spart man einiges. Aber ich habe keine Ahnung wie man auf diese Weise baut. Und bei einem Absturz ist die Reparatur deutlich komplizierter als wenn sich einfach ein Ausleger austauschen lässt!

mfG

Moin,
ich bin da ja auch am rumtüfteln. Erstmal ein paar Gewichte

Zu den Auslegern. Also bei 20 cm länge wiegt
15*15*1 Aluvierkantrohr 30g
15*15*1 Aluvierkantrohr gelocht ca. 20g Hätt ich jetzt geschätzt ?
10*10*1 Aluvierkantrohr 20g.
7,5*7,5*1 Aluvierkantrohr 15g
12*1 Alurundrohr 18g
10*1 Carbonrohr pultrudiert 8,5 g
8*1 Carbonrohr pultrudiert 6,6 g

Ich denke Frickler meinte dasses Verhältnis Wanddicke zu Durchmesser beim 10er besser ist. Deswegen sparts auch "nur" 20 Gramm.

Also nix für ungut aber ich find deinen jetzigen Vorschlag auch zu schwer fürn Möbiuscopter. Ich würd da maximal 500 g Gesamtgewicht mit Akku und Mobius anstreben. 6er bis 8er Probs evtl.

Gruss Stefan

Servus Christian

Ich würde die Linse der Cam vor den Propellern platzieren, den ich hatte mal einen endlich aufgebauten Copter und hatte immer mal bei schnelleren schwenks die Props im bild, manchmal sogar den Motor.
hier n Bild von dem Damaligen aufbau:


und nein der is nicht immer so Dreckig... Tiefflug + RC Auto + Matsch = Bild ^^

Ich finde dein Design grundsätzlich viel zu schwer. Ich würde auf ein H-Quad Ähnliches Design á la TBS Discovery oder ov3rquad zurückgreifen. Da kannst du auch Alu nehmen und sparst dir einiges an Gewicht für zusätzliche Rohre usw für Akku und Cam.
LG, Walter

Hi,
@Mike: cooler Kopter ;D


Also 500g Gesamtgewicht inklusive Akku und Mobius ist bei "normaler" Bauweise unmöglich, zumal Mobius+Gimbal 180g wiegen (Das Gimbal werde ich noch etwas leichter bauen) und die Motoren, die ich verwenden möchte, um die 50g schwer sind. Bliebe also von dem her noch 120g für Akku, Rahmen und Regler... Klar, mit Ultraleichtbauweise wie von der Frickler kann das schon funktionieren, aber das Kriterium, das der Kopter leicht zu reparieren sein sollte, ist definitiv nicht erfüllt. Auch bräuchte ich dann neue Motoren, Akkus usw. Das habe ich zwar oben nicht geschrieben, aber ich möchte gern schon vorhandene Teile verwenden (entweder ca. 1000kv 50g Motoren oder ca. 530KV 100g Motoren. Also 9-11'' Propeller oder 13-14''. Akkus besitze ich ausreichend viele 4000-5000mAh und einige ältere 2200mAh).
Grob überschlagen sieht es wie folgt aus: Motoren (ca. 200g bzw. 400g) + Akku (350g) + Regler (120g) + Mobius inkl. Gimbal (180g) ergeben ein "Grundgewicht" von 850g bzw. 1050g. An diesem lässt sich nicht viel ändern.


Das Argument, das Design sei von Grund auf nicht optimal hat schon etwas. Ich bin gerade am überlegen, wie ich den Kopter alternativ aufbauen könnte. Grundsätzlich zwei Ideen:

a) Weglassen dieser Kamera-Akku-Ebene. Das Gimbal direkt unter die Centerplates montieren, evtl leicht nach vorne versetzt. Den Akku dann oben auf die Centerplates. Problem dürfte aber sein, dass - zumindest je nach Fluggeschwindigkeit - die Propeller im Bild sind. Da bevorzuge ich ein schwererer Rahmen, wenn das Bild dafür Propellerfrei ist!

b) komplett neuen Kopter designen. Aber diesmal eher in der Richtung wie Walter vorschlug, also etwas "Spider-Kopter" ähnlich. So etwas hatte ich vor einiger Zeit schon gebaut, ich habe ihn aber so konstruiert, dass zwischen den Propellerspitzen ca. 15cm Platz frei blieb. Dadurch wurden die hinteren Ausleger ziemlich lang und entsprechend instabil. Also wenn es in diese Richtung gehen soll, dann auf jeden Fall nur so gross wie nötig.
Hier ein Bild von diesem Kopter:


Problem wird dann aber sein, wie der Schwerpunkt korrekt eingestellt wird. Das bräuchte wohl auch wieder Carbonrohre, um den Akku nach hinten zu veschieben, oder aber eine riesige Centerplate (Schwer, Luftwiederstand, hässlich etc).



Ich tendiere momentan dazu:
- Antrieb: 20a Simonk, 980Kv Multistar Motörchen, 9'' Propeller. Akkus wahlweise 2200, 4000 und 5000mAh.
- Kopter: TBS-Discovery ähnlich. Ausgelegt auf die 9'' Propeller und nur ungefähr 5-7cm Abstand zwischen den Propspitzen.
Eventuell könnte ich die hinteren Ausleger auch etwas kürzer machen. Ich weiss aber nicht, wie das APM damit zurechtkommt.


Vielen Dank für die konstruktive Kritik, die Tipps etc!

MfG

So hier einige Bilder:

Der Kopter von oben. Der Rahmen ist beinahe symmetrisch, nur sind die hinteren Ausleger etwas kürzer, wodurch sie der Abstand zwischen den Motoren verringert.


Eine Ansicht von schräg oben:


Bild der neuen Vibrationsdämpfung:


Mit Gimbal:



Das Landegestell lohnt sich bei diesem Kopter nicht wirklich, aber ich habe es mal in die Skizze übernommen.


MfG

dämpfer ist doof belastet, das wird nicht gut funktionieren.

Hi,
Das wird wohl auf einen Versuch hinauslaufen
Das auf dem Bild ist nur eine erste Skizze, das Gimbal würde so auch viel zu stark nach links/rechts schwingen. Aber vom Prinzip her sollte es eigentlich ganz gut funktionieren.

Cooles Projekt,
ich bin auch gerade dabei einen neuen leichten Copter für die Mobius+Gimbal zu konstruieren (der erste ist einfach zu schwer geraten).
Momentan tendiere ich noch zu einer gedämpften Ebene mit Akku, FC und Gimbal.
Welches Dämpfungsmaterial willst du nehmen?

LG
Martin

Hi,
Ich habe Dämfpungsbälle in mehreren Grössen und Härtegraden zur Verfügung, dazu noch Baumarktsilikon. Mit jenem werde ich es zuerst versuchen.
Aber ob und wie gut die jeweiligen Materialien und aufbauten funktionieren, wird sich wohl erst im Praxistest zeigen.

mfg

Hi,
kann Amadeus nur beipflichten; so wird der Dämpfer (aus physikalischen Gründen!) nicht funktionieren. Dämpferelemente, wie du sie vor hast einzusetzen, müssen auf Druck belastet werden. Idealerweise liegt der Schwerpunkt der zu dämpfenden Masse dabei im Schwerpunkt der Dämpferebene. Ansonsten werden da unschöne Koppelbewegungen ins System eingebracht. Bedenke, dass es sich um ein System mit 6 Freiheitsgraden handelt!
Dann kann mittels korrekter Abstimmung von Dämpfungseigenschaften (also Kennwerte des Dämpfermaterials) und der zu tragenden Masse eine wirksame (!) Dämpfung in einem Frequenzspektrum erfolgen, das >sqrt(2) über der Eigenfrequenz des Dämpfersystems (bestehend aus Dämpferelementen und zu stabilisierender Masse) liegt.
Natürlich muss man das nicht unbedingt mathematisch erschlagen, aber die Grundprinzipien sollte man beachten.
Und dann einfach mit den Dämpfermaterialien experimentieren...

Hi Andreas

Danke für den Beitrag, das hört sich doch sehr logisch an!

Das Problem ist aber, dass es sehr schwer ist, einen Dämpfer nach diesen Kriterien zu konstruieren, wenn das Gimbal vor und nicht unter dem Kopter hängen soll!
Dass die Dämpferelemente auf Druck belastet werden, ist kein Problem (Gilt das auch für die handelsüblichen Dämpferbälle?), aber dass der Schwerpunkt auch passt...hmm...


MfG


Edit:
Eigenfrequenz des Dämpfersystems - kann man die irgendwie einfach selbst messen/herausfinden?
Selbe Frage auch zur Vibrationsfrequenz, die es zu dämpfen gilt (Smartphone und passendes App?).

Habe ich das so korrekt verstanden: Ich müsste die Frequenz der von Motoren/Propeller etc. verursachen Vibrationen eruieren. Dann ist mir aber nicht ganz klar, wie du das meinst:
Ich würde das so verstehen:
Eigenfrequenz des Dämpfersystems = (zu dämpfende Vibr. frequenz) / sqrt(2)
Dadurch liesse sich dann die gewünschte Eigenfrequenz des Dämpfungssystems berechnen, wodurch sich das Dämpfermaterial passend (experimentell) bestimmen liesse? Ist die Frequenz das einzige, worauf man achten muss? Wie sieht es mit dem "Ausschlag" dieser Vibrationen aus, also wie stark die Vibrationen sind?

Hi,

dein Konzept, den Lipo und den Gimbal zu dämpfen ist schon mal sehr gut. Die Masse des Lipos wirkt sich da entscheidend positiv aus. Dazu kommt, dass der Schwerpunkt in der Nähe des Lipos liegt (klar) und damit auch die Dämpferelemente um diesen herum angeordnet werden können. (Was ich damit sagen will: So hat man keine Schwierigkeiten mit der Montage des Gimbals vorne am Copter, wenn dieser alleine an Dämpferelementen aufgehängt werden soll. Und, wie gesagt, das Gewicht des Lipos bringt auch noch mal einen entscheidenden Vorteil)
Auch die Dämpfer-Bälle müssen auf Druck belastet werden.
Die Dämpferelemente sollten im Verhältnis zur Länge der Trägerstruktur für Lipo und Gimbal auch nicht zu eng zusammen stehen. Sonst "wippt" sie auf- und ab...

Vereinfachend kann man ein Dämpferelement als 1-DOF gedämpften Feder-Masse-Schwinger betrachten. Dann ist die Eigenfrequenz gleich (1/(2*pi))*sqrt(k/m), wobei k die Steifigkeit (analog: Federsteifigkeit) des Dämpfers ist und m die zu isolierende Masse, also Gimbal, Lipo, etc....
Bei der Eigenfrequenz wird eine Schwingungsanregung (Vibrationen) resonant verstärkt; d.h. die Amplitude der Schwingung auf der Seite des Gimbals vergrößert, statt gemindert. Das will man natürlich unbedingt vermeiden.
Hier sieht man das ganz schön (ein bisschen klein, aber man kanns erkennen):

Erhöht man den Dämpfungsgrad (damit keine Verwirrung aufkommt: ungleich k!), so wird zwar die Verstärkung bei Resonanz geringer, aber Vibrationen in einem höheren Frequenzbereich werden nicht mehr so gut gedämpft. Das Ganze ist also ein bisschen als Trade-Off zu sehen... Die Realität (gekoppelte Eigenmoden, 6-Freiheitsgrade, etc.) ist natürlich etwas komplexer, aber wenn man das Alles im Hinterkopf hat, dann kann man mM nach ein recht wirksames Dämpfersystem entwerfen.
Die Erfassung des Vibrationsspektrums (als Stichwort: ASD [Acceleration Spectral Density] oder PSD [Power Spectral Density] googlen) ist tatsächlich aufwändig. Z.B. Über Beschleunigungssensoren an einigen Punkten des Airframes (da die Airframe-Struktur selbst ja auch gewissermaßen als "Dämpfer"/Übertragungsglied zwischen Vibrationsquelle und Gimbal-Montagepunkt wirkt). Falls es von Interesse ist, wie das (zum Beispiel) gemacht wird: [1]
Auch FEM- oder SEA-Methoden finden Anwendung (z.B. in der Raumfahrt), aber ist natürlich viel zu aufwändig.
Abschätzungen können zum Beispiel für eine grobe Betrachtung ausreichen. (Stichwort: Motordrehfrequenz) Die Amplitude ist DA erstmal (!) nebensächlich. (Nicht, dass sich Nachfolgendes wie ein Wiederspruch anhört )

Die Amplitude der Störung (man muss zwischen Vibrationen und Schock unterscheiden) ist allgemein natürlich schon wichtig, vor allem bei Shock (also über sehr kurze Zeiträume eingebrachte kinetische Energie). Verschiedene Typen von Dämpfer-Elementen kommen mit Schock besser oder schlechter klar. Auf jeden Fall wird idealerweise die Energie "zwischengespeichert", teilweise durch Reibung dissipiert und mit verminderter Amplitude über einen gestreckteren Zeitraum abgegeben. Sehr interessant sind da zum Beispiel Drahtseil-Federelemente, da sie gerade bei Schockeinwirkung recht gut zur Isolation taugen, verglichen mit (manchen!) Elastomer-basierten Dämpferelementen. Beim "Flexacopter" kommen die zum Beispiel zum Einsatz:


[1] J. Simsiriwong; R. W. Sullivan: Vibration Testing of a Carbon Composite Fuselage

Hi,
Danke vielmals für die vielen Informationen!
Das in deiner Formel erwähnte "k" kenne ich aus der Physik als "Federkonstante", die sich durch
[Quelle: Wikipedia]
errechnet.
Liesse sich dies auch analog auf die Steifigkeit übertragen? Wohl kaum, zumal (Dämpferbälle) keine einheitliche Struktur wie Federn aufweisen?
Falls es aber doch dasselbe ist, liesse sich diese Konstante(Wobei es bei Dämpferbällen ja aufgrund der Struktur kaum eine Konstante sein kann) zumindest bei dem Baumarktsilikon recht einfach, wenn auch nur mässig genau, bestimmen.

So könnte ich eigentlich den Koper aufbauen, zusatzgewichte als Ersatz für Gimbal etc. auf den Kopter geben, und dann die Motordrehzahl abschätzen (Motordrehzahl = Vibrationsfrequenz in Hertz?!).
Alternativ zur von Dir angegebenen Berechnung (Eigenresonanzfrequenz) könnte ich auch einen kleinen Teststand aufbauen; also einen Motor mit (ungewuchtetem) Propeller und die Dämpferbälle/Silikon auf einer Platte montieren. Dann testen, bei welcher Motordrehzahl die Vibration verstärkt wird; also quasi wo die höchste Amplitude sichtbar wird (Smartphone). Aber auch hier wieder das Problem: Wie messe ich die Motordrehzahl? Optischer Sensor oder irgendwie über eine Motorphase?


Auf die Vibrationsdämpfung mit diesen Drahtseilen bin ich auch schon gestossen; siehe das Video: https://www.youtube.com/watch?v=nEaTO2twSxc

Ich habe so etwas auch schon rein testmässig nachgebaut. Die Konstruktion war sehr "schwammig", also unstabil. Vibrationen wurden aber hervorragend gedämpft. So etwas wäre vielleicht auch eine Möglichkeit für den Mobiuskopter!



Um die ganzen Informationen etwas zusammenzufassen:
- Der Kopter soll eher klein werden, also 980 KV Motoren und dazu 9'' Propeller
- Der Kopter wird wohl ein "X", eventuell mit verlängerter Centerplate oben
- Es soll eine gesamt- Vibrationsgedämpfte Ebene vorhanden sein, auf der Vorne das Gimbal und hinten der Akku platz finden. Auch das APM Board (Eignet sich auch super, um die Effektivität auszuwerten) wird darauf befestigt!
---> Die Ebene wird aus zwei Carbonrohren 8*6 bestehen. Diese sollen so kurz wie möglich und so lang wie nötig sein.
---> Die Centerplate oben wird eventuell leicht verlängert (Bspw. anstatt 7cm*7cm eine 10cm*7 cm Centerplate). Dadurch wird der Abstand der Schwingungsdämpfer vergrössert, was ein aufschwingen verhindert und das Ganze etwas stabiler macht.
- Der Schwerpunkt des gesamten Kopters UND der Schwingungsebene sollen einigermassen genau im geometrischen Mittelpunkt liegen.

MfG