Bau eines selbstfahrenden Bootes (ArduPilot Rover) - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Fusion 360-Projekte »

Weißt du was cool ist? Unbemannte selbstfahrende Fahrzeuge. Sie sind sogar so cool, dass wir (meine Uni-Kollegen und ich) bereits 2018 damit begonnen haben, selbst eine zu bauen. Deshalb habe ich mich dieses Jahr auch vorgenommen, sie in meiner Freizeit endlich fertigzustellen.

In diesem Instructable möchte ich dieses Projekt mit Ihnen teilen und Sie dazu bringen, Ihr eigenes selbstfahrendes Fahrzeug zu bauen. Ich habe auch ein kleines YouTube-Video gemacht, das an der Oberfläche des Projekts kratzt und Ihnen einen schnellen Überblick über alle Pannen auf dem Weg gibt. Dieses Instructable ist die korrelierende Anleitung, die erklärt, wie dieses Ding tatsächlich funktioniert.

Für wen ist dieses Instructable und wie man es liest?

Dieses Instructable hat eigentlich zwei Zwecke. In erster Linie möchte ich teilen, was ich gebaut und gelernt habe, und euch für den Bau selbstfahrender Fahrzeuge begeistern. Der zweite Zweck besteht darin, das Projekt und die meisten Details zu dokumentieren, damit die nächste Studentengruppe an meiner alten Universität, die das Projekt aufnimmt, weiß, was los ist.

Wenn Sie nur zum Spaß hier sind, können Sie Details wie Parameterlisten und genaue Schaltpläne ignorieren. Ich werde versuchen, die Schritte am Anfang sehr allgemein zu halten, damit sie auf jedes ArduPilot RC-Boot angewendet werden können und die Details am Ende stehen.

Das Projekt wurde in zwei Teilen abgeschlossen und das Instructable folgt der gleichen Struktur. Ich werde den ersten Teil als "Muskeln" bezeichnen, da er die gesamte Leistungselektronik und den Bootsrumpf umfasst. Dann gehe ich über das "Gehirn", das eine kleine Kiste oben auf dem Boot ist, die den Hauptcontroller und das gesamte Empfänger-Sender-Zeug enthält.

Die Ursprünge der Kenterprise

Alles klar, hier ist die Hintergrundgeschichte zu diesem Projekt, falls ihr sie noch nicht im Video gehört habt. Dieses Projekt begann 2018, als ich noch an der Universität war. Wir waren am Ende des 4. Semesters und gingen auf das 5. zu. An unserer Hochschule absolvieren Sie für ca. 6 Monate ein Teamprojekt. Sie können entweder aus einer Liste vorbereiteter Projekte wählen (gute Chancen auf eine gute Note) oder ein eigenes Projekt starten (das hat meines Wissens noch niemand gemacht). Außerdem bekommst du für dieses Projekt 12 Credit Points, womit es so viel wert ist wie die Bachelorarbeit. Auf diese Weise kann ein Nichtbestehen einen großen Unterschied in Ihrer Gesamtnote ausmachen.

Ich habe mich natürlich entschlossen, ein Projekt von Grund auf neu zu starten und fand 4 arme Seelen, die mir auf dieser Reise in ein Müllcontainerfeuer eines Teamprojekts folgten. Wir begannen mit der minimal erforderlichen Teamgröße von 5 Personen, aber 2 von uns gingen später. Wir bekamen auch 1500€, ABER wir durften sie nicht für einen dieser schönen chinesischen Webshops ausgeben, die immer die neueste und beste Elektronik haben. Stattdessen waren wir an gute alte deutsche Elektroniklieferanten gebunden. Spoiler: Es ist irgendwie unmöglich, auf diese Weise selbstfahrende Bootskomponenten zu bekommen.

Die ursprüngliche Idee

Als wir an eine Idee für das Projekt dachten, dachten wir darüber nach, etwas mit Drohnen zu tun, denn Drohnen sind einfach das Coolste, was es je gab. Aber normale fliegende Drohnen sind schon eine Sache und wir wollten etwas Neues bauen. Also beschlossen wir, ein Drohnenboot zu bauen. Diese Idee kam uns aufgrund eines nahegelegenen Sees.

Der See bedeckt eine Fläche von 12 km² und ist meist nur 1,5 m tief. Das bedeutet, dass es sich im Sommer aufheizt, gleichzeitig aber auch weniger Wasser drin ist. Sie wissen, welches Lebewesen warmes Wasser liebt: Cyanobakterien, in Deutschland auch Blaualge genannt. Unter den richtigen Bedingungen können sich diese Dinger in kürzester Zeit vermehren und große Flächen bedecken und dabei Giftstoffe produzieren, die Mensch und Tier gleichermaßen schädigen können. Der Zweck des Bootes bestand darin, regelmäßig die Oberfläche des Sees zu fegen und die Algenkonzentration zu messen. Dann können die gesammelten Daten in eine Heatmap gedruckt werden, um zu verstehen, unter welchen Umständen sich Algenanfänge aufbauen, und um auch Einheimische und Touristen in Echtzeit zu warnen.

Ein weiterer Spoiler: Wir konnten nie eine Messanordnung für Blaualgen bauen und auf ein Boot montieren, da solche Anordnungen sehr teuer sind und normalerweise in einem 1mx1mx2m Rack auf einem Schiff untergebracht sind, was für eine Länge von 1m eine unpraktische Größe ist Boot. Der neue Schwerpunkt liegt darin, automatisch und kostengünstig Tiefenkarten außerhalb des Sees zu erstellen, damit der lokale Biologe sehen kann, wie sich der Seeboden im Laufe der Zeit verändert. Derzeit ist das Scannen aufgrund der notwendigen Handarbeit sehr kostspielig.

Eine Abwärtsspirale

Zurück zur Geschichte. In den ersten zwei Monaten des Sammelns von Hintergrundwissen und der Planung haben wir uns überlegt, was ein solches Boot braucht: einen Rumpf, einen elektrischen Antriebsstrang, selbstfahrende Fähigkeiten, Internetsteuerbarkeit, …. Da habe ich beschlossen, dass wir fast alles selbst bauen sollten, mit Fokus auf autonomes Fahren. Das war eine schlechte Idee, eine Idee, die so ziemlich zum Scheitern verurteilt war, und ratet mal, was sie bewirkte? Genau, 6 Monate später hatten wir unsere Zeit und Schweiß in ein riesiges RC-Boot gesteckt, die Kenterprise (Infografik in Bild 4). Unterwegs kämpften wir mit begrenztem Geld, fehlender Elektronik und schlechtem Teammanagement, für das ich die meiste Verantwortung übernehme.

Da war er also, der Kenterprise, ein autonomes Messfahrzeug, das weder autonom war noch irgendetwas misst. Kein großer Erfolg, wie man sieht. Wir wurden während unserer Abschlusspräsentation gegrillt. Zum Glück hat unser Professor unsere gehörte Arbeit anerkannt und uns trotzdem eine ok Note gegeben, schlechter als jede andere Projektgruppe in den letzten Jahren, aber ok.

Das 2020-Upgrade

Ich würde in Betracht ziehen, dieses Studentenprojekt als absolutes Müllcontainerfeuer zu bezeichnen, aber wie das alte Sprichwort sagt: "Die Narben eines Müllcontainerfeuers machen dich stärker". Diese Erfahrung hat mir wirklich geholfen, meine Ziele angemessen zu skalieren und bei allen meinen folgenden Projekten konzentriert zu bleiben. Ich liebe auch immer noch die Idee eines unbemannten Fahrzeugs, das Biologen bei Seeuntersuchungen helfen kann, und der allgemeine Reiz, ein selbstfahrendes Boot zu bauen. Deshalb wollte ich es jetzt, ein Jahr später, mit meinem neu erworbenen FPV-Drohnen-Wissen, dem schönen Open-Source-Projekt ArduPilot und der Kraft billiger Elektronikseiten fertigstellen.

Ziel war es nicht, daraus ein vollwertiges Messboot zu machen, sondern alle Systeme zum Laufen zu bringen und einen Autopiloten zu installieren. Es muss nicht perfekt sein. Ich wollte diesen Bootsantrieb nur als Proof of Concept sehen.

Das autonome Boot WORKING werde ich dann an die Universität für zukünftige Projekte wie die Kartierung des Meeresbodens weitergeben. Ich war übrigens nicht allein. Mein Freund Ammar, der 2018 auch in der Projektgruppe war, half mir beim Testen des Bootes.

Kommen wir ohne weiteres dazu

Schritt 1: Muskeln: der Rumpf

Der Rumpf ist der größte Teil des Bootes. Nicht nur wegen seiner riesigen Abmessungen (100cm*80cm), sondern auch, weil es viel Zeit gekostet hat, diese kundenspezifische Struktur zu bauen. Wenn ich es noch einmal machen würde, würde ich auf jeden Fall zu den Regalteilen gehen. Ein RC-Boot von der Stange war für uns leider nicht in Frage, da diese Boote eine sehr begrenzte Nutzlastkapazität haben. So etwas wie ein Bodyboard oder ein Surfbrett oder einfach nur ein paar PVC-Rohre aus dem Baumarkt wäre eine viel einfachere Lösung gewesen, die ich nur empfehlen kann.

Wie auch immer, unser Rumpf begann mit einem 3D-Modell in Fusion 360. Ich habe ein sehr detailliertes Modell erstellt und mehrere Iterationen durchlaufen, bevor wir mit dem Bau begonnen haben. Ich habe darauf geachtet, jedem Bauteil im Modell die passenden Gewichte zu geben und sogar den Innenraum modelliert. Dadurch konnte ich das ungefähre Gewicht des Bootes kennen, bevor ich es baute. Ich habe auch ein paar Auftriebskalibrierungen durchgeführt, indem ich eine "Wasserlinie" eingefügt, das Fahrzeug damit geschnitten und das Volumen berechnet habe, das sich unter Wasser befand. Das Boot ist ein Katamaran, da diese Art von Fahrzeug eine höhere Stabilität verspricht als ein Boot mit einem einzigen Rumpf.

Nach einer Tonne Modellierstunden begannen wir, das Boot zum Leben zu erwecken, indem wir die Grundform der beiden Rümpfe aus Polystyrolplatten ausschnitten. Sie wurden dann in Form geschnitten, Löcher wurden gefüllt und wir haben viel geschliffen. Die Brücke, die die beiden Rümpfe verbindet, ist nur eine große Holzkiste.

Wir haben alles mit 3 Schichten Glasfaser bedeckt. Dieser Schritt dauerte etwa 3 Wochen und erforderte tagelanges manuelles Schleifen, um eine anständig glatte Oberfläche zu erhalten (0/10 würde nicht empfehlen). Danach haben wir es in einem schönen Gelb gestrichen und den Namen "Kenterprise" hinzugefügt. Der Name ist eine Kombination aus dem deutschen Wort "kentern", was übersetzt "Sinken" bedeutet, und dem Star Trek-Raumschiff "USS Enterprise". Wir alle dachten, dass dieser Name absolut passend für die Monstrosität ist, die wir geschaffen haben.

Schritt 2: Muskeln: Antriebssystem

Ein Boot ohne Motoren oder Segel hat die Fahreigenschaften eines Stücks Treibholz. Daher mussten wir dem leeren Rumpf ein Antriebssystem hinzufügen.

Ich möchte Ihnen noch einen Spoiler geben: Die Motoren, die wir wählen, sind viel zu stark. Ich werde die aktuelle Lösung und ihre Mängel beschreiben und auch ein alternatives Antriebssystem vorschlagen.

Die aktuelle Lösung

Wir wussten nicht genau, wie viel Schub das Boot braucht, also haben wir uns zwei dieser Rennboot-Motoren besorgt. Jeder von ihnen soll ein 1 m langes RC-Rennboot mit Strom versorgen und der dazugehörige elektronische Geschwindigkeitsregler (ESC) kann kontinuierlich 90 A liefern (dieser Verbrauch würde eine große Autobatterie in einer Stunde entladen).

Außerdem benötigen sie eine Wasserkühlung. Normalerweise würden Sie einfach den Regler und den Motor mit einigen Schläuchen verbinden, den Einlass an der Vorderseite des Bootes platzieren und den Auslass vor dem Propeller platzieren. Auf diese Weise zieht der Propeller das Seewasser durch das Kühlsystem. Der betreffende See ist jedoch nicht immer sauber und diese Lösung kann das Kühlsystem verstopfen und während des Sees einen Motorausfall verursachen. Aus diesem Grund haben wir uns für einen internen Kühlkreislauf entschieden, der das Wasser durch einen Wärmetauscher oben auf dem Rumpf pumpt (Bild 3).

Im Moment hat das Boot zwei Wasserflaschen als Reservoir und keinen Wärmetauscher. Die Reservoirs erhöhen einfach die thermische Masse, sodass die Motoren viel länger zum Aufheizen brauchen.

Die Motorwelle ist über zwei Kreuzgelenke, eine Achse und ein sogenanntes Stevenrohr, mit dem Propeller verbunden, das das Wasser abhalten soll. Im zweiten Bild sehen Sie eine Seitenansicht dieser Baugruppe. Der Motor wird mit einer 3D-gedruckten Halterung schräg montiert und die Requisiten werden auch gedruckt (weil ich die alten kaputt gemacht habe). Ich war ziemlich überrascht zu erfahren, dass diese Requisiten den Kräften der Motoren standhalten können. Um ihre Stärke zu unterstützen, habe ich die Klingen 2 mm dick gemacht und sie mit 100% Füllung bedruckt. Das Entwerfen und Drucken der Requisiten ist eigentlich eine ziemlich coole Möglichkeit, verschiedene Arten von Requisiten auszuprobieren und die effizienteste zu finden. Ich habe die 3D-Modelle meiner Requisiten angehängt.

Eine mögliche Alternative

Tests haben gezeigt, dass das Boot nur 10-20% des Gasbereichs benötigt, um sich langsam zu bewegen (bei 1 m/s). Direkt auf 100 % Gas zu gehen verursacht eine enorme Stromspitze, die das ganze Boot komplett lahmlegt. Auch das Erfordernis eines Kühlsystems ist ziemlich nervig.

Eine bessere Lösung könnten sogenannte Thruster sein. Bei einem Strahlruder ist der Motor direkt mit dem Propeller verbunden. Die gesamte Baugruppe wird dann eingetaucht und somit gekühlt. Hier ist ein Link zu einem kleinen Thruster mit dem entsprechenden ESC. Dies kann einen maximalen Strom von 30 A liefern, was eine angemessenere Größe zu sein scheint. Es wird wahrscheinlich viel kleinere Stromspitzen erzeugen und die Drosselung muss nicht so stark eingeschränkt werden.

Schritt 3: Muskeln: Lenkung

Der Antrieb ist cool, aber ein Boot muss auch drehen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu erreichen. Die beiden häufigsten Lösungen sind Ruder und Differentialschub.

Ruder schienen eine naheliegende Lösung zu sein, also haben wir uns dafür entschieden. Ich habe eine Ruderbaugruppe in Fusion modelliert und die Ruder, Scharniere und eine Servohalterung 3D gedruckt. Bei den Servos haben wir zwei große 25kg Servos gewählt, um sicherzustellen, dass die relativ großen Ruder dem Wasserwiderstand standhalten. Dann wurde das Servo im Rumpf positioniert und außen durch ein Loch mit dünnen Drähten mit dem Ruder verbunden. Ich habe ein Video von den Rudern in Aktion angehängt. Es ist sehr erfreulich zu sehen, wie sich diese mechanische Baugruppe bewegt.

Obwohl die Ruder gut aussahen, zeigten die ersten Testfahrten, dass der Wenderadius mit ihnen etwa 10 m beträgt, was einfach schrecklich ist. Außerdem neigen die Ruder dazu, sich von den Servos zu lösen, wodurch das Boot nicht mehr steuern kann. Der letzte Schwachpunkt ist das Loch für diese Drähte. Dieses Loch war so nah am Wasser, dass es beim Rückwärtsfahren untertauchte und somit das Innere des Rumpfes überflutete.

Anstatt zu versuchen, diese Probleme zu beheben, habe ich die Ruder komplett entfernt, die Löcher geschlossen und mich für eine Differentialschublösung entschieden. Bei Differenzschub drehen sich die beiden Motoren in die entgegengesetzte Richtung, damit sich das Fahrzeug dreht. Da das Boot fast ebenso breit wie kurz ist und die Motoren weit von der Mitte weg positioniert sind, ermöglicht dies ein Wenden auf der Stelle. Es erfordert nur ein wenig Konfigurationsarbeit (Programmierung der ESCs und des Hauptcontrollers). Denken Sie daran, dass ein Boot mit Differenzschub im Kreis fährt, wenn einer der Motoren ausfällt. Ich habe das möglicherweise ein- oder zweimal aufgrund des im vorherigen Schritt beschriebenen Stromspitzenproblems erlebt.

Schritt 4: Muskeln: Batterie

Für mich scheint es, als ob RC-Komponenten, wie sie in diesem Boot verwendet werden, von so ziemlich allem angetrieben werden können, von einer Uhrenbatterie bis hin zu einem Atomkraftwerk. Dies ist natürlich ein wenig übertrieben, aber sie haben einen ziemlich weiten Spannungsbereich. Dieser Bereich wird nicht in die Datenblätter geschrieben, zumindest nicht in Volt. Es ist im S-Rating versteckt. Diese Bewertung beschreibt, wie viele Batteriezellen in Reihe es verarbeiten kann. In den meisten Fällen handelt es sich um Lithium Polymere (LiPo) Zellen. Diese haben im voll geladenen Zustand eine Spannung von 4,2 V und im leeren Zustand eine Spannung von ca. 3 V.

Die Bootsmotoren behaupten, in der Lage zu sein, 2s bis 6s zu handhaben, was einem Spannungsbereich von 6V bis 25,2V entspricht. Wobei ich der Obergrenze nicht immer trauen würde, da einige Hersteller dafür bekannt sind, Komponenten auf ihren Boards zu platzieren, die nur niedrigeren Spannungen standhalten.

Das bedeutet, dass es eine große Vielfalt an verwendbaren Batterien gibt, solange sie den benötigten Strom liefern können. Und ich habe tatsächlich ein paar verschiedene Batterien durchgespielt, bevor ich eine richtige gebaut habe. Hier ist ein kurzer Überblick über die drei Batterieiterationen, die das Boot (bisher) durchlaufen hat.

1. LiPo-Akkupack

Als wir das Boot planten, hatten wir keine Ahnung, wie viel Energie es verbrauchen würde. Für den ersten Akku haben wir uns entschieden, ein Pack aus den bekannten 18650 Lithium-Ionen-Zellen zu bauen. Wir haben sie mit Nickelstreifen in ein 4S 10P-Pack gelötet. Dieses Pack hat einen Spannungsbereich von 12V bis 16,8V. Jede Zelle hat 2200mAh und ist für eine maximale Entladerate von 2C (ziemlich schwach) ausgelegt, also 2*2200mA. Da 10 Zellen parallel geschaltet sind, kann es Spitzenströme von nur 44A liefern und hat eine Kapazität von 22Ah. Außerdem haben wir das Pack mit einem Batteriemanagement-Board (mehr zu BMS später) ausgestattet, das für den Ladungsausgleich sorgt und den Strom auf 20A begrenzt.

Beim Testen des Bootes stellte sich heraus, dass 20A maximaler Strom waaaaay weniger ist, als die Motoren verbrauchen und das BMS ständig die Leistung drosselte, wenn wir nicht auf den Gashebel aufpassten. Deshalb habe ich beschlossen, das BMS zu überbrücken und die Batterie direkt an die Motoren anzuschließen, um die vollen 44 Ampere zu erhalten. Schlechte Idee!!! Während die Batterien etwas mehr Leistung lieferten, konnten die Nickelstreifen, die die Zellen verbinden, nicht damit umgehen. Eine der Verbindungen schmolz und verursachte eine Rauchentwicklung im hölzernen Inneren des Bootes.

Ja, diese Batterie war also nicht wirklich geeignet.

2. Autobatterie

Für meinen Machbarkeitsnachweis 2020 habe ich mich für eine größere Batterie entschieden. Ich wollte jedoch kein zusätzliches Geld ausgeben, also habe ich eine alte Autobatterie verwendet. Autobatterien sind nicht dafür gedacht, vollständig entladen und wieder aufgeladen zu werden, sie sollten immer voll geladen sein und nur für kurze Stromstöße zum Starten eines Motors verwendet werden. Deshalb werden sie Starterbatterien genannt. Die Verwendung als Batterie für ein RC-Fahrzeug verkürzt deren Lebensdauer erheblich. Es gibt eine andere Art von Bleibatterie, die oft den gleichen Formfaktor hat und speziell dafür entwickelt wurde, mehrmals entladen und wieder aufgeladen zu werden, die sogenannte Deep-Cycle-Batterie.

Ich war mir der Mängel meiner Batterie durchaus bewusst, aber ich wollte das Boot schnell testen und die Batterie war sowieso alt. Nun, es hat 3 Zyklen überlebt. Jetzt fällt die Spannung von 12 V auf 5 V, wenn ich den Gashebel drücke.

3. LiFePo4-Akkupack

"Das dritte Mal ist ein Zauber" heißt es. Da ich mein eigenes Geld immer noch nicht ausgeben wollte, habe ich meine Universität um Hilfe gebeten. Sicher genug, sie hatten die ganze Zeit meine Traumbatterie. Unsere Uni nimmt am Wettbewerb „Formula Student Electic“teil und verfügt daher über einen Elektro-Rennwagen. Das Rennteam hat zuvor von LiFePo4-Zellen auf 18650 LiPo-Zellen umgestellt, da diese leichter sind. Sie haben also einen Vorrat an mehrfach gebrauchten LiFePo4-Zellen, die sie nicht mehr benötigen.

Diese Zellen unterscheiden sich in ihrem Spannungsbereich von LiPo- oder LiIon-Zellen. Sie haben eine Nennspannung von 3,2 V und reichen von 2,5 V bis 3,65 V. Ich habe 3 dieser 60Ah-Zellen zu einem 3S-Pack zusammengebaut. Dieses Paket kann Spitzenströme von 3C aka liefern. 180A und hat eine maximale Spannung von nur 11V. Ich entschied mich für eine niedrigere Systemspannung, um den Motorstrom zu verringern. Dieses Paket ermöglichte es mir endlich, das Boot länger als 5 Minuten zu fahren und die Selbstfahrerfähigkeiten zu testen.

Ein Wort zum Batterieladen und zur Sicherheit

Batterien konzentrieren Energie. Energie kann in Wärme umgewandelt werden, und wenn diese Wärme die Form eines Batteriefeuers annimmt, haben Sie ein Problem an der Hand. Deshalb sollten Sie Batterien gebührend behandeln und mit der richtigen Elektronik ausstatten.

Batteriezellen haben 3 Arten zu sterben.

1. Entladen bis unter ihre minimale Nennspannung (Kalttod)
2. Laden über ihre maximale Nennspannung (kann Schwellungen, Feuer und Explosionen verursachen)
3. zu viel Strom ziehen oder kurzschließen (also muss ich wirklich erklären, warum dies schlecht sein könnte)

Ein Batteriemanagementsystem verhindert all das, deshalb sollten Sie es nutzen.

Schritt 5: Muskeln: Verdrahtung

Die Verkabelung für den Muskelteil wird im ersten Bild gezeigt. Auf der Unterseite haben wir die Batterie, die mit einer geeigneten Sicherung abgesichert werden sollte (im Moment gibt es keine). Ich habe zwei externe Kontakte hinzugefügt, um ein Ladegerät anzuschließen. Es wäre eine gute Idee, diese durch einen richtigen XT60-Anschluss zu ersetzen.

Dann haben wir einen großen Batterieschalter, der den Rest des Systems mit der Batterie verbindet. Dieser Schalter hat einen echten Schlüssel und lassen Sie mich Ihnen sagen, es ist so befriedigend, ihn zu drehen und zu sehen, wie das Boot zum Leben erwacht.

Das Gehirn ist mit der Masse der Batterien verbunden, während die Regler und Servos durch einen Shunt-Widerstand getrennt sind. Dadurch kann der Strom durch den kleinen orangefarbenen Anschluss gemessen werden, da er einen kleinen Spannungsabfall über den Shunt-Widerstand verursacht. Der Rest der Verkabelung ist nur rot zu rot und schwarz zu schwarz. Da die Servos nicht mehr wirklich verwendet werden, können sie einfach ignoriert werden. Die Kühlpumpen sind die einzige Komponente des Bootes, die genau 12 V benötigt und sie scheinen nicht gut zu funktionieren, wenn die Spannung höher oder niedriger ist. Daher benötigen sie einen Regler, wenn die Batteriespannung über 12 V liegt, oder einen Aufwärtswandler, wenn sie darunter liegt.

Bei der Rudersteuerung würden beide ESC-Signalleitungen zum gleichen Kanal im Gehirn führen. Das Boot verwendet jedoch jetzt Differentialschub, auch bekannt als. Skid-Lenkung, so dass jeder ESC einen eigenen separaten Kanal haben muss und die Servos überhaupt nicht benötigt werden.

Schritt 6: Gehirn: Komponenten

Das Gehirn ist eine große Kiste voller interessanter Elektronik. Viele davon sind in FPV-Renndrohnen zu finden, und einige davon wurden tatsächlich aus meiner eigenen Drohne genommen. Das erste Bild zeigt alle elektronischen Module. Sie werden mit Messing-Leiterplattenabstandshaltern ordentlich übereinander gestapelt. Dies ist möglich, weil FPV-Komponenten in speziellen Formfaktoren erhältlich sind, die als Stack-Site bezeichnet werden. Von unten nach oben enthält unser Stack Folgendes:

Stromverteilungsplatine (PDB)

Dieses Ding macht genau das, was der Name schon sagt und verteilt die Kraft. Zwei Drähte von der Batterie kommen herein und es bietet mehrere Lötpads, um verschiedene Module an die Batterie anzuschließen. Diese PDB bietet auch einen 12V- und einen 5V-Regler.

Flugkontrolleur (FC)

Der Flugregler führt die ArduPilot Rover-Firmware aus. Es macht eine Vielzahl von Dingen. Es steuert die Motorcontroller über mehrere PWM-Ausgänge, es überwacht die Batteriespannung und -strom, es verbindet sich mit den verschiedenen Sensoren und Ein- und Ausgabegeräten und verfügt auch über ein Gyroskop. Man könnte sagen, dass dieses kleine Modul das eigentliche Gehirn ist.

RC-Empfänger

Der Empfänger ist mit einer Fernbedienung verbunden. In meinem Fall ist es eine FlySky-Fernbedienung für RC-Flugzeuge, die über zehn Kanäle verfügt und sogar eine Zwei-Wege-Kommunikation herstellt, sodass die Fernbedienung auch Signale vom Empfänger empfangen kann. Seine Ausgangssignale werden über ein einziges Kabel unter Verwendung des sogenannten I-Bus-Protokolls direkt zum FC geleitet.

Videosender (VTX)

Die Gehirnbox verfügt über eine kleine analoge Kamera. Das Videosignal der Kamera wird an den FC weitergeleitet, der dem Videostream ein On-Screen-Display (OSD) hinzufügt, das Informationen wie die Batteriespannung enthält. Es wird dann an den VTX weitergeleitet, der es am anderen Ende an einen speziellen 5,8 GHz-Empfänger überträgt. Dieser Teil ist nicht unbedingt notwendig, aber es ist cool zu sehen, was das Boot sieht.

Oben auf der Box sind ein paar Antennen. Einer ist vom VTX, zwei vom RC-Empfänger. Die anderen beiden Antennen sind die folgenden Komponenten.

Telemetriemodul

Die 433MHz Antenne gehört zu einem Telemetriemodul. Dieser kleine Sender ist ein Eingabe-/Ausgabegerät, das den Flugregler mit der Bodenstation (einem Laptop mit einem 433MHz USB-Dongle) verbindet. Diese Verbindung ermöglicht es dem Bediener, Parameter aus der Ferne zu ändern und Daten von den internen und externen Sensoren abzurufen. Dieser Link kann auch verwendet werden, um das Boot aus der Ferne zu steuern.

GPS und Kompass

Das große runde Ding oben auf dem Boot ist eigentlich keine Antenne. Nun, es ist irgendwie so, aber es ist auch ein ganzes GPS-Modul und ein Kompass-Modul. Dies ermöglicht es dem Boot, seine Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung zu kennen.

Dank des Wachstums des Drohnenmarktes steht für jedes Modul eine Vielzahl von Komponenten zur Auswahl. Am wahrscheinlichsten ist der FC. Wenn Sie mehr Sensoren anschließen möchten und mehr Eingänge benötigen, gibt es eine Vielzahl leistungsfähigerer Hardware-Optionen. Hier ist eine Liste aller FCs, die ArduPilot unterstützt, es gibt sogar ein Himbeer-Pi.

Und hier ist eine kleine Liste der genauen Komponenten, die ich verwendet habe:

• FC: Omnibus F4 V3S Aliexpress
• RC-Empfänger: Flysky FS-X8B Aliexpress
• Telemetrie-Sender-Set: 433MHz 500mW Aliexpress
• VTX: VT5803Aliexpress
• GPS und Kompass: M8N Aliexpress
• Gehäuse: 200x200x100 mm IP67 Aliexpress
• Fernbedienung: FLYSKY FS-i6X Aliexpress
• Videoempfänger: Skydroid 5, 8 GHz Aliexpress

Schritt 7: Gehirn: Verdrahtung

Das Gehirn bezieht seine Betriebsspannung direkt aus der Batterie. Es erhält auch eine analoge Spannung vom Strom-Shunt und gibt die Steuersignale für beide Motoren aus. Das sind die externen Anschlüsse, die von der Außenseite der Gehirnbox zugänglich sind.

Das Innere sieht viel verworrener aus. Deshalb habe ich den kleinen Schaltplan im ersten Bild gemacht. Dies zeigt die Verbindungen zwischen all den verschiedenen Komponenten, die ich im vorherigen Schritt beschrieben habe. Ich habe auch ein paar Verlängerungskabel für die PWM-Ausgangskanäle und den USB-Anschluss gemacht und sie an die Rückseite des Gehäuses geführt (siehe Bild 3).

Um den Stapel an der Box zu montieren, habe ich eine 3D-gedruckte Grundplatte verwendet. Da die Komponenten (insbesondere der VTX) Wärme produzieren, habe ich noch einen 40-mm-Lüfter mit einem weiteren 3D-gedruckten Adapter angebracht. Ich habe an den Kanten 4 schwarze Plastikstücke hinzugefügt, um die Box auf das Boot zu schrauben, ohne den Deckel öffnen zu müssen. Die STL-Dateien für alle 3D-gedruckten Teile sind beigefügt. Ich benutzte Epoxid und etwas Heißkleber, um alles daran zu kleben.

Schritt 8: Gehirn: ArduPilot-Setup

Das Ardupilot-Wiki beschreibt sehr detailliert, wie man einen Rover einrichtet. Hier ist die Rover-Dokumentation. Ich kratze hier nur an der Oberfläche. Es gibt grundsätzlich die folgenden Schritte, um einen ArduPilot Rover zum Laufen zu bringen, nachdem alles richtig verkabelt ist:

1. ArduPilot Firmware auf FC flashen (Tipp: Sie können dafür Betaflight verwenden, eine gängige FPV-Drohnensoftware)
2. Installieren Sie eine Bodenstationssoftware wie Mission Planner und schließen Sie das Board an (siehe Missionsplaner-UI in Bild 1)

3. Führen Sie ein grundlegendes Hardware-Setup durch

   • Kreisel und Kompass kalibrieren
   • Fernbedienung kalibrieren
   • Ausgangskanäle einrichten

4. Führen Sie ein erweitertes Setup durch, indem Sie die Parameterliste durchgehen (Bild 2)

   • Spannungs- und Stromsensor
   • Kanalzuordnung
   • LEDs
5. Machen Sie eine Probefahrt und stimmen Sie die Parameter für Gas und Lenkung ab (Bild 3)

Und Boom, du hast einen selbstfahrenden Rover. Natürlich nehmen all diese Schritte und Einstellungen einige Zeit in Anspruch und Dinge wie das Kalibrieren des Kompasses können ziemlich mühsam sein, aber mit Hilfe der Dokumente, der ArduPilot-Foren und YouTube-Tutorials können Sie schließlich dorthin gelangen.

ArduPilot bietet Ihnen einen erweiterten Spielplatz mit Hunderten von Parametern, mit denen Sie so ziemlich jedes selbstfahrende Fahrzeug bauen können, das Sie sich vorstellen können. Und wenn Sie etwas vermissen, können Sie mit der Community in Kontakt treten, um es aufzubauen, da dieses großartige Projekt Open Source ist. Ich kann Sie nur ermutigen, es auszuprobieren, denn dies ist wahrscheinlich der einfachste Einstieg in die Welt der autonomen Fahrzeuge. Aber hier noch ein kleiner Profi-Tipp: Probieren Sie es mit einem einfachen Fahrzeug aus, bevor Sie ein riesiges RC-Boot bauen.

Hier ist eine kleine Liste der erweiterten Einstellungen, die ich für mein spezielles Hardware-Setup vorgenommen habe:

• Geänderte Kanalzuordnung in RC MAP

  • Tonhöhe 2->3
  • Drossel 3->2
• Aktivierte I2C-RGB-LEDs
• Rahmentyp = Boot

• Skid-Lenkung einrichten

  • Kanal 1 = ThrottleLeft
  • Kanal 2 = ThrottleRight
• Kanal 8 = Flugmodus
• Kanal 5 = Scharf/Unscharf

• Strom- und Batterieüberwachung einrichten

  • BATT_MONITOR=4
  • Dann neu starten. BATT_VOLT_PIN 12
  • BATT_CURR_PIN 11
  • BATT_VOLT_MULT 11.0

Schritt 9: Gehirn: Benutzerdefinierter LED-Controller

Erster Preis beim Make it Move Contest 2020