Mini Talon VTOL (Arduplane Quadplane)

olex

Der Testpilot
#1
Ja, ich bastele weiter an VTOLs :)
Nachdem der letzte Versuch mit einem Tiltrotor Tri-Wing flog und gezeigt hat, dass die Arduplane Software mit Quadplane doch ziemlich gut taugt, habe ich mir überlegt wie ich das Konzept nicht mehr nur als PoC sondern "vernünftig" umsetze. Rausgekommen ist dabei die folgende Aufstellung:
  • Basis: X-UAV Mini Talon. Der Flieger gefällt mir an sich sehr gut, und bietet folgende Vorteile für den VTOL Umbau:
    • Die Flügel haben vom Werk eine doppelte CFK-Steckung, perfekt für einen steifen Quadplane-Frame.
    • Die Flügel sind oben am Rumpf, damit sitzen die Quadplane-Motoren hoch genug für problemlose Starts und Landungen.
    • V-Tail Konfiguration bietet hinten genug Platz für die hinteren Quadplane-Propeller.
    • Der Rumpf bietet Unmengen an Platz für die Elektronik und einen größeren Akku.
    • 1300mm Spannweite mit abnehmbaren Flügeln ist gerade an der Grenze wo es noch einfach transportierbar ist.
  • VTOL Konfiguration: SLT aka. klassischer Quadplane mit separaten Motoren für Auf- und Vortrieb.
    • Bei meinen bisherigen Tiltrotor-Experimenten hat sich die Schwenkmechanik als deutlicher Schwachpunkt erwiesen. Die gewünschte Effizienz hat sich auch nicht wirklich erreichen lassen: gute Propeller fürs Schweben sind leider weniger gut im schnellen Vorwärtsflug, und anders herum; starke Tilt-Servos und Mechanik machen den Gewichtsvorteil fast zunichte; und mehrere Vorwärtsflugmotoren sind weniger effizient als ein großer.
    • Der neue Flieger wird deutlich einfacher ausgelegt, ohne Schwenkmechanik, mit relativ klein gehaltenem Quadcopter-Auftrieb und einem größeren Motor für den Vorwärtsflug.
  • VTOL Antrieb: 4x AMAXinno 2305 1500kv mit HQ 7"x4" Propellern. Schön kompakt und leicht, dennoch erreicht jeder Motor knappe 1100g Schub auf 4S - damit sollte ein Schub-zu-Gewicht Verhältnis von 2:1 locker erreicht sein, was sicheren Schwebeflug ermöglicht.
  • Vortrieb: SunnySky X3114 1100kv mit APC 9"x6". Übrig geblieben aus meinem verunglückten Skywalker 1680, der Motor ist grenzwertig groß für die Aufnahme im Mini Talon. Sollte dafür aber schön effizient vorwärts gehen. Kann evtl. im späteren Verlauf gegen einen kleineren getauscht werden.
  • Flugsteuerung: Matek F405-Wing mit Arduplane Firmware. Seit Arduplane und Arducopter neulich viele F4 Boards aus der Betaflight-/INAV-Welt unterstützen, gibt es mmN keinen Grund mehr für den Pixhawk. Der F405-Wing vereint in einer kompakten Platine alles, was eine Pixhawk mit PowerModule, externem Servo-BEC und MinimOSD sonst auf mindestens 4 Bauteile mit massig Kabeln verteilt. Macht den Aufbau und die Verkabelung im Flieger deutlich einfacher und sauberer, und reduziert potenzielle Fehlerquellen.
    • Dazu kommt ein BN-880 GPS/GNSS mit Kompass, und evtl. ein digitaler I2C Airspeed-Sensor.
  • ESCs: BlueSeries 50A für den Vortrieb und AMAXinno 4-in-1 20A BlHeli_S für den Auftrieb. Der 4-in-1 wird im Rumpf unter der Flugsteuerung verbaut, und die Kabel zu den VTOL-Motoren via 6-Pin Multiplex Stecker in der Flügelsteckung rausgeführt.
  • Servos: 4x Corona DS-929MG. Werden in vielen Bauberichten vom Mini Talon empfohlen, machen soweit einen guten Eindruck.
  • FPV: Runcam Split auf Pan/Tilt, und ein TBS Unify HV Videosender. Vom F405-Wing wird ein OSD eingeblendet.
  • Akkus: es kommen meine vertrauten Hacker 4S 5000 zum Einsatz. Potenziell kann der Flieger auch mehr mitnehmen, evtl lege ich mir ein paar Multistar 4S 6600er oder 8000er zu.
Ich schätze ein Abfluggewicht von ~2kg für den Vogel (mit 4S 5000). Die VTOL Motor/Prop Kombo habe ich auf 4S mal vermessen; sieht in etwa so aus:

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500g pro Motor sind bei ~7A erreicht, das ergibt 28A Schwebestrom. Nicht wenig, aber völlig OK für die kurzen Schwebephasen beim Start und im Landeanflug, gerade mit der größeren Akkukapazität die mitfliegt.

Vorwärtsflug sollte deutlich effizienter aussehen. Mein Skywalker 1680 flog mit dem Motor/Prop mit 5-6A mit lockeren 50 km/h, und war mit ~2,5kg nochmal ein Stück schwerer als der Mini Talon. Ich denke mit maximal 5A wird der gut vorwärts gehen, was dann doch ordentliche Flugzeiten mit sich bringt, sobald man nach dem Start die Transition gemacht hat und so tut als wäre man ein normales Flugzeug.

Baufortschritt

Alle Teile für den Flieger sind in der Werkstatt, und der Aufbau geht voran. Ich habe mir jede Menge 3D Druckteile in schwarzem PETG rausgehauen, sehr viele davon kamen von dieser genialen Seite: Parts Catalog - Mini Talon - ItsQv. Der Herr hat mit seinen 4 Mini Talons schon echt viel Erfahrung und jede Menge sehr nützlicher Teile veröffentlicht, was mir das Leben viel einfacher macht :)

Für den VTOL Teil musste ich jedoch selbst kreativ werden. Da der Talon wie oben geschrieben bereits vom Werk eine doppelte Flügelsteckung aus CFK besitzt, wollte ich das natürlich nutzen, um den Copterframe möglichst steif zu machen. Ich habe ein paar Teile gezeichnet, die in Ausschnitte im Flügel direkt an die CFK Steckungen sowie an den Schaum geklebt werden, und als Rohrklemmen für die VTOL Ausleger (14mm CFK Rohr) dienen:

2018-09-01 17.01.40.JPG 2018-09-01 17.10.42.JPG

Fertig zusammengesteckt sieht es dann in etwa so aus:
2018-09-01 17.26.18.JPG 2018-09-01 18.16.39.JPG

Motorhalter sind bereits gedruckt, und der VTOL Antrieb wird als nächstes fertig aufgebaut.

Servos und Anlenkungen zu Querrudern und beiden V-Tail Hälften sind bereits verbaut, und momentan baue ich am Innenleben des Fliegers. Der Holzrahmen ist in eine Rumpfhälfte eingeklebt, und die Elektronik wird gerade verkabelt und in den Rumpf verpflanzt.

Der finale Aufbau sollte sich im laufe der kommenden Woche erledigen, sodass am kommenden Wochenende oder irgendwann darauf der Erstflug passieren kann. Ich bin mal gespannt :)
 
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olex

Der Testpilot
#4
Habe die Motorhalter und Motoren für den VTOL Antrieb angebracht:

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Wie man sieht ist jeder Motor ordentlich mit vier Schrauben befestigt. Zwei davon halten die Klemmung zusätzlich auf dem Rohr. Da die Halter aus PETG sind und nicht PLA, sind sie witterungsbeständig und brechen auch nicht sofort wenn man beim Anziehen ein wenig mehr Dampf anwendet :) ABS wäre vermutlich auch ganz gut geeignet, damit habe ich aber noch keine Erfahrungen.

Kabel werde ich an den CFK Rohren außen verlegen. Innen drin wäre schicker, dann müsste ich aber in der Mitte des Auslegers ein größeres Loch reinbohren um sie wieder rauszukriegen. Da es gewickelte Rohre sind, möchte ich sehr ungern Löcher bohren und damit die Stabilität des Gewebes beeinträchtigen.

Wenn man die Motoren nun wieder an den Flieger anbringt und dabei auf die Symmetrie um den Schwerpunkt herum achtet, kommt folgendes Bild raus:

2018-09-02 16.41.08.JPG 2018-09-02 16.41.21.JPG

Der Schwerpunkt ist in der Anleitung mit 50mm (von der Vorderkante des Flügels gemessen) angegeben, diverse Bauberichte geben zwischen 53 und 60mm an. Gemittelt auf 55mm geht das ziemlich exakt auf die vordere CFK Steckung. Die Quad-Motoren müssen im gleichen Abstand vor und hinter dem Schwerpunkt liegen, um die Belastung im Schweben gleich zu halten - damit sind sie natürlich etwas "verschoben" in Relation zu der Fläche.

Wie man sieht, ist an den hinteren Motoren etwas eng mit Luft bis zur Flügelkante. Dort kann ich die Motoren nur wie abgebildet nach unten gerichtet als Pusher verbauen. Bei den vorderen Motoren bin ich noch am überlegen, ob nach unten oder nach oben. Nach oben gerichtet würden die Motoren dem zukünftigen Pan-Tilt etwas mehr freie Sicht nach unten zu den Seiten verleihen - denke das wird's am Ende werden.

An den Rohrklemmen für die VTOL-Auslegen und den Motorklemmen hätte ich Interesse ... ;)
Sobald die Möhre einmal erfolgreich abgehoben ist und ich sichergehen kann dass die Teile nicht völlig falsch gedacht sind, gerne :) Landen dann vmtl auf Thingiverse.
 
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olex

Der Testpilot
#5
Heute Abend war die Verkabelung des VTOL-Antriebs dran. Ich hasse ja eigentlich Löten... aber nach einer Menge Fluchen, Löten, Verbindungen nachkontrollieren und Umlöten war es vollzogen:

2018-09-04 22.08.23.JPG

Der 4-in-1 ESC in der Mitte sitzt später im Rumpf, unter dem FC. Die Kabel mit Multiplex 6-Pin Steckern werden zur Flügelsteckung rausgeführt, und die zugehörigen Buchsen in den Flügelenden eingeklebt, sodass es schön einfach verbunden werden kann wenn die Flügel nach Transport montiert werden. Parallel dazu kommen normale Servoverlängerungsstecker für die Querruder-Servos. Die Kabel werden natürlich noch ordentlich in den Schaum der Flügel eingelassen und mit Tape überdeckt, sodass nichts die Optik und die Aerodynamik stört.

Nicht abgebildet ist das ebenfalls fertige Kabel vom 4-in-1 ESC zum F405-Wing. Nach Akku anstecken überraschenderweise nirgendwo Rauch aufgestiegen, alle 4 Motörchen drehen sauber an. Drehrichtungen sind nun auch eingestellt (dazu erstmal INAV aufs F405 aufgespielt und BlHeli Passthrough genutzt), erstmal so wie zu sehen, mit allen 4 Motoren nach unten ausgerichtet - kann nachträglich in Software angepasst werden.

Damit ist der glaube ich komplexeste Teil des Aufbaus durch. Als nächstes wird die Elektronik in einer Rumpfhälfte aufgebaut, komplett mit dem Vortrieb-ESC, L9R Empfänger und FPV, bevor die Rumpfhälften und ihre zugehörigen V-Tail Hälften final zusammengeklebt werden.
 

amadeus

Erfahrener Benutzer
#6
Hey ho :) immer n gutes Projekt !
Meiner fliegt schon seit fast 2 Jahren, und einigen hundert Flugstunden!


Wenn du noch Fragen hast immer her mit :)
(achte besonders drauf das die Flügel steif werden, trosion auf yaw. Sind das normale Multiplex stecker? Etwas unterdimensioniert finde ich.)
 

olex

Der Testpilot
#7
Hey, danke für das Video! Das sieht doch gut aus, die Idee mit LEDs an den Motoren werde ich mir glatt klauen :) Du hast auch Arduplane drauf, und so wie es aussieht einen PlayUAVOSD? Welche Hardware sonst, und wie schwer ist das Teil am Ende (mit oder ohne Lipo)?

Es sind tatsächlich normale Multiplex 6-Pin Stecker. Meine Recherche sagt, die sind gut für bis zu 14A pro Pin Dauer und ein wenig mehr für kurzzeitige Spitzen. Die Motoren die ich verbaue ziehen ~7A im Schweben und ~20A Spitze bei Vollgas (was beim VTOL kaum bis gar nicht vorkommen sollte), und der Strom ist ja 3-phasig, also kriegt nie ein Pin die volle Belastung ab. Damit habe ich für mich entschieden, das sollte erstmal reichen. Ich werde bei ersten Schwebetests auf jeden Fall beobachten und schauen ob die Stecker warm werden; sollte das der Fall sein, finde ich wohl eine andere Lösung - entweder aufdoppeln auf 2x Multiplex pro Seite (2 Pins pro Phase anstatt einen), oder im Zweifel einen MT30 Stecker pro Motor verbauen.
 
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amadeus

Erfahrener Benutzer
#8
Ja eine pixhawk mit arduplane drauf (uralte version:D) playuav osd ja, m8n gps, airspeedsensor, ne 16mp rgb kamera fürs mapping mit guter optik, 433mhz telemetry, 5.8g video, 4s 6600er für ca 1h entspannte flugzeit bei 17m/s. gewicht auw 2,2kg wenn ich mich nicht irre.

denke von den steckern her die leistung könnte gerade so passen, bedenken hab ich bei der mechanischen belastung bei der transition, wenn da einmal auch nur ganz kurz der kontakt weg ist passt die esc kommutierung nicht mehr und die kiste liegt im dreck. ich würde auf 2 stecker umbauen, mit 2 pins pro motorkabel und ruhig schlafen ;)
 

olex

Der Testpilot
#9
Die Stecker werden in meinem Aufbau nie mechanisch belastet, das ist nie eine gute Idee. Nur eine Seite wird eingeklebt, die andere ist frei an einem Kabel dran der dann im Rumpf verschwindet wenn die Flügel zusammengeschoben werden.
 

olex

Der Testpilot
#11
Ein größerer Update. Zuerst das wichtigste: der Vogel fliegt!


Transition und Vorwärtsflug klappen auch soweit wunderbar, leider noch nicht auf Video. Abfluggewicht des Vogels ist momentan bei ~1900g (mit einem 500g schweren Hacker 4S 5000 Lipo), zwecks Schwerpunkt musste vorne sogar etwa Blei drauf - das wird später besser, wenn ich alle Teile für die Pan/Tilt Haube gedruckt und eingebaut habe.

Schweben braucht ca. 23-25A, Steigen im Coptermodus ca. 30A - damit möchte man die Schwebephasen des Flugs doch möglichst kurz halten. Vorwärtsflug ist wie geplant deutlich effizienter, mit 4-8A je nach Geschwindigkeit (45-70 km/h ohne Wind). Bei Vollgas vorwärts kommen ~20A rum, das OSD zeigt 98 km/h - da sollte noch was zu machen sein mit einem größeren Prop bzw. mehr Steigung, der Motor und ESC sollten locker bis 40A belastbar sein.

Standard PID Werte von Arduplane 3.9.1 passen nahezu perfekt. Die Copter-PIDs werde ich so lassen wie sie sind, für den Vorwärtsflug fliege ich ein paar Runden in Autotune, erwarte aber keine signifikanten Verbesserungen zum Ausgangszustand - der regelt so schon verdammt gut.

Nun ein paar Bilder vom Aufbau am Wochenende:

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Innenleben. F405-Wing zentral montiert, 4-in-1 ESC direkt drunter mit den Multiplex Steckern nach oben zu den Seiten raushängend, eine Seite bereits im Schaum versteckt. Dahinter auf dem zweiten Deck der L9R mit angeschlossenem SBUS und RSSI. Das GPS liegt im dafür vorgesehenen Schacht zwischen den V-Tail Hälften. Kabel für die Runcam Split und den Videosender gehen nach vorne raus.

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Verschlossener Rumpf. Runcam Split vorläufig im festen Gehäuse vorne montiert, später kommt da eine Pan/Tilt Canopy hin (diese hier: RunCam Split Pan and Tilt and Cases - ItsQv). Das Innenleben nochmal durch den offenen Deckel sichtbar und top zugänglich. Beide Decks lassen sich rausschrauben, so komme ich auch bei verschlossenem Rumpf noch an alle Elektronik dran. In die Seiten sind Lufteinlässe eingebaut, die zur Kühlung von beiden ESCs im Inneren beitragen sollen, zusätzlich zur Luft die vorne durch die obere Öffnung reinkommt.

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Ordentlich verlegte Kabel und eingelassene Multiplex-Buchse im Flügel. Steckung ist auf dem Bild sichtbar - der Flügel wird auf die Entfernung dran geschoben, die Stecker verbunden, und die übrige Kabellänge wird zurück in den Rumpf reingeschoben. Das braune Paketband wird noch gegen was schöneres getauscht :)

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Erste Transportlösung :D Dank der Taranis X-Lite passt alles was ich auf dem Feld brauche in den Rucksack, und der Vogel ist sicher dahinter geschnallt. So komme ich wunderbar auf dem Elektroroller aufs Feld. Wie ich das Teil im Auto transportiere muss ich noch sehen, habe momentan nur einen 2-Sitzer ohne nennenswerten Kofferraum - das wird noch abenteuerlich.

Und zum Schluss nochmal kurz das erste Problem, und der Grund warum es kein Video von der Transition bzw. vom Vorwärtsflug gibt. Beim ersten Flug hat alles 1A funktioniert, da hatte ich noch keine Kameras laufen - konnte aber über gute 10 Minuten alles abtesten, Transitionen, Vorwärtsflug, RTL. War soweit glücklich.

Beim zweiten Flug habe ich einen Kumpel gebeten zu filmen, das ist das Video ganz oben. Leider kam beim Versuch in Vorwärtsflug zu wechseln nur Zucken vom Vortrieb-Propeller, der Vogel blieb friedlich an Ort und Stelle schweben anstatt nach vorne zu beschleunigen. Ein paar mehr Anläufe mit mehr Gas oder in andere Richtung (Wind) haben auch nichts gebracht. Gelandet und Haube aufgemacht, dann sehe ich folgendes:

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Da der erste Flug problemlos verlief, muss das Problem beim zweiten passiert sein - entweder beim Akku anstecken oder beim Anlauf des Motors für die Transition. Das war ein Racerstar BlHeli_32 52A (!) ESC. Davon habe ich drei weitere, und einen deutlich schwereren BlueSeries 50A. Nun die Frage, welchen mache ich jetzt rein:

- Der BlueSeries lief mit dem Motor in meinem Skywalker und hatte keine Probleme im wenig gekühlten Rumpf zu sitzen. Ist jedoch schwer und muss hinten rein, was meine Schwerpunktsituation nicht besser macht.

- Die BlHeli_32 ESCs sind viel leichter und sollten in Theorie auch effizienter laufen. Allerdings ist einer davon bereits gestorben, und das obwohl davon maximal 20A gezogen wurden. Jetzt ist die Frage was der Grund war: schlechte Hardware? Zu schneller Motoranlauf mit zu großem Motor? Evtl. falsches Timing eingestellt? Eigentlich kann ich's nur rausfinden wenn ich noch so einen verbaue, den Anlauf deutlich sanfter mache und das korrekte Timing für den großen 3114er recherchiere und einstelle... wenn der zweite dann auch stirbt wird's halt der BlueSeries.
 

QuadCrash

Erfahrener Benutzer
#12
Schon klasse, was Du da zusammenbaust ... (y)

Zum L9R fällt mir noch ein, dass Du eine Antenne davon um 90 Grad drehen musst. Du hast bei beiden Antennen die breite Seite nach oben, bei einer davon muss jedoch die schmale Seite nach oben zeigen.

Bei Versuchen im MT hat ein Kumpel übrigens festgestellt, dass der L9R an Deiner Einbauposition mit Antennen nach unten gerichtet einen noch besseren Empfang hat, weil dann durch V-Leitwerk und Flächen weniger abgeschattet wird (aus Richtung Boden gesehen).
 

olex

Der Testpilot
#13
Danke für die Hinweise! Ich werde erstmal die Reichweite so austesten, vermutlich ist meine X-Lite mit interner Antenne dabei viel eher der Flaschenhals als der L9R. Auf lange Sicht kriegt der Vogel sowieso ein R9 System verpasst :)

Hat das mit dem Verdrehen einer Antenne eine gute Begründung? Konnte selbst dazu nicht wirklich was finden. So wie ich die Antennen verstehe sind es einfache lineare, mit Polarisierung entlang der Platine - damit sollte die Verdrehung keinen Unterschied ausmachen.
 

olex

Der Testpilot
#15
Vorwärtsflug ESC gegen den Blue Series 50A ausgetauscht. Eindeutiger Erfolg. Bin momentan recht begeistert von dem Vogel, daher nur ein Video in diesem Update, mehr Details kommen später :)

 

olex

Der Testpilot
#17
Nötig war gar nichts - er flog auf Anhieb. Die Copter PIDs habe ich bei Standard belassen und nicht angefasst. Für Vorwärtsflug habe ich jetzt knappe 10 Minuten lang Autotune gemacht auf Quer und Höhe, gefühlt liegt er ein wenig sanfter in der Luft, war aber auch von Anfang an schon sehr gut. Das werde ich aber noch weiter optimieren mit kleineren Ruderausschlägen (mechanisch), habe in Manual gemerkt dass er viel mehr Wirkung auf allen Achsen hat als er jemals braucht, das kann man reduzieren und dadurch bessere Auflösung der Servos um den Mittelpunkt bekommen.
 

amadeus

Erfahrener Benutzer
#18
top, copter yaw musste ich damals etwas tunen, rest is auch default. krass wie weit ardupilot gekommen ist. besser als 20k€ kommerzielle autopiloten. Bau noch n Airspeed sensor ein, das bringt nochmal welten bei wind.
 

olex

Der Testpilot
#19
Yaw ist auch bei mir tatsächlich das einzige was nicht perfekt ist - man merkt wie er manchmal sehr langsam oszilliert. Vmtl müssen die PIDs deutlich hoch mit den vergleichweise doch sehr kleinen Coptermotoren und Propellern für das Gewicht. Stört mich aber erstmal nicht weiter, daher fange ich da keine Experimente an :)

Ja, bin aktuell am Suchen nach einem günstigen digitalen Airspeed Sensor. Habe einen analogen da, aber leider hat der F405-Wing keinen freien ADC Eingang mehr, der einzige verfügbare ist durch RSSI belegt. Potenziell löst sich das wenn ich das Teil zukünftig auf R9 umbaue (wo RSSI dann als SBUS Kanal injected wird), aber das ist erstmal weit weg, daher ist ein digitaler Sensor auf I2C wohl besser.
 

Elyot

Erfahrener Benutzer
#20
RSSI kannst Du auch bei normalen Empfängern über SBUS übertragen. Wird dann halt 2 mal durch die Luft geschickt. Einfach den RSSI in der Funke als Input verwenden und schon ist der mit im SBUS enthalten.
 
RCLogger

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