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Einleitung

Eigentlich wollte ich schon seit ich das erste Mal einen Quadrokopter sah auch einen besitzen. Natürlich macht es immer mehr Spass, sich sein Spielzeug selbst zu bauen. Mein Wissen über Modellbau und dergleichen war allerdings so gering, dass ich nicht über ein wenig Planung und Träumerei hinaus kam. Im August letzten Jahres kaufte ich mir dann allerdings das Magazin c't Hardware Hacks. Darin wurde unter anderem beschrieben, wie man einen Quadrokopter bauen kann. Es erinnerte mich wieder einmal daran, dass ich eigentlich schon einmal einen bauen wollte und da sowieso die Semesterferien anstanden, entschloss ich mich, ihn zu bauen. Meine Erfahrung mit Elektronik ist allerdings sehr beschränkt, in der Schule hatten wir zwar schon gelötet, aber das war auch schon mindestens 6 Jahre her. Trotz der Hilfe aus dem Artikel beging ich also viele Anfängerfehler und hoffe, mit diesem Artikel den Aufbau eines Quadrokopters idiotensicher zu beschreiben.

Benötigte Teile

Werkzeug

Zusammenbau

Zuallererst den Arbeitsplatz vorbereiten, vor allem um den Tisch vor heißem Lötzinn zu schützen.

  1. Als erstes löten wir den Akkuanschluss. Grundsätzlich verwenden wir für Minus (GND) immer schwarze Kabel und für Plus (Vcc) immer rote. Von den beiden dickeren Kabeln schneiden wir jeweils ein ungefähr 20cm langes Stück ab und isolieren die Enden ab. Dazu brauchen wir noch zwei Stücke mit jeweils 3cm Schrumpfschlauch. Von dem 2-Pin Stecker isolieren wir die Enden auf der gleichen Länge wie die dickeren Kabel ab und stecken jedes Ende durch einen Schrumpfschlauch und stecken das gleichfarbige dicke Kabel dazu, so dass die Enden 5cm überstehen. Nun löten wir dieses Ende an die XT60-Buchse. Dazu verdrillen wir das Ende des dünnen und des dicken Kabels und verzinnen es. Bei der Buchse finden sich auf der Außenseite zwei Anschlüsse. Diese verbinden wir nun mit Lötzinn, indem wir die Anschlüsse erwärmen und auf die Halbkreise Lötzinn aufbringen. Nun löten wir auf der angeschrägten Seite die beiden schwarzen Kabel an, am anderen Anschluss werden die beiden roten angelötet. Sitzen die Lötstellen fest werden die Schrumpfschläuche darübergeschoben und geschrumpft, indem sie erhitzt werden, entweder mit einem Heißluftfön, dem Lötkolben oder einem Feuerzeug. Zuletzt lötet man noch die anderen Enden der dicken Kabel an die Stromverteilung, wieder rot an Plus und schwarz an Minus.
  2. Als nächstes löten wir die Stiftleisten auf das NanoWii-Board. Wenn man das Board mit dem Pfeil in der Mitte nach oben legt kommt die gebogene Dreierleiste unten an die drei Reihen von Löchern, rechts daneben kommen zwei Stifte für die Stromversorgung und am linken Rand müssen zumindest die horizontale Dreierreihe und alle darüber angeschlossen werden. Mehr zu Löten schadet auch nicht, dann muss man später nicht extra nachzulöten. Pinbelegung NanoWii
  3. Nun bauen wir den Rahmen zusammen. Dazu nimmt man zuerst die Bodenplatte und steckt vier Schrauben von unten durch die inneren vier Löcher. Arme darauf stecken, darauf achten, dass am äußeren Ende der Ausleger die größeren Löcher nach unten zeigen, und die Deckplatte darauf. Auf die vier Schrauben kommen nun die Distanzbolzen, darauf das NanoWii-Board, das mit selbstsichernden Muttern befestigt wird. An den anderen acht Löchern werden Schrauben von oben durchgesteckt. Die äußeren werden von unten mit Muttern befestigt, an die mittleren kommen Distanzbolzen. Hat man ein extra Stromverteilungsboard kommt das darauf und danach wieder Distanzbolzen.
  4. Nun machen wir uns an die Motoren und die ESCs. Darum schließen wir die 3-Pin-Anschlüsse der ESCs an das NanoWii an um zu sehen, an welcher Stelle auf den Armen man sie befestigen kann. Die ESCs vorne rechts und hinten links werden mit der Schrift nach unten, die anderen beiden nach oben befestigt. Vorne ist dort, wo auf dem NanoWii-Board der Pfeil hinzeigt, beziehungsweise dort wo die USB-Buchse sitzt. Damit müssten sich nachher die Rotoren vorne rechts und hinten links gegen den Uhrzeigersinn drehen, die anderen beiden im Uhrzeigersinn. Als nächstes werden die Motoren auf die Arme geschraubt, dabei keine Senkkopfschrauben benutzen, da diese sich in das Aluminium drücken. Die Kabel sollten dabei Richtung Mitte zeigen, damit sie bei einem Absturz geschützt sind. Die Schrauben werden mit Schraubensicherung gesichert. Als nächstes muss man die ESCs mit den Motoren verbinden, dazu kürzt man die drei Anschlusskabel des ESCs und/oder der Motoren und verzinnt sie. Dann steckt man ca. 2cm lange Stücke Schrumpfschlauch auf die Kabel und verlötet die Enden der Kabel, dabei kommen die beiden mittleren zusammen und die äußeren jeweils zu dem Kabel auf der jeweiligen Seite. Die Schrumpfschläuche noch nicht schrumpfen.
  5. Nun müssen wir die BECs trennen, da wir das NanoWii-Board gesondert mit Strom versorgen. Dazu trennen wir an dem 3-Pin-Stecker jedes ESCs das mittlere, rote Kabel durch und versiegeln das Ende mit etwas Schrumpfschlauch.
  6. Die ESCs werden nun an die Stromverteilung angelötet, dazu einfach das rote Kabel wieder an Plus und das Schwarze an Minus anlöten.
  7. Als nächstes bauen wir eine Akkuhalterung. Dazu kann man entweder mit einem Klettband den Akku unter der Centerplate befestigen oder man baut aus einer Kunststoffdose einen Behälter. Dazu bohrt man einfach in den Boden der Dose vier Löcher, die dem Abstand der Distanzbolzen auf der Quadrokopterunterseite entsprechen. Mit vier Muttern und vier Unterlegscheiben kann man diesen Behälter dann festschrauben. Mit vier Streifen eines festen, leicht federndem Material kann man sich auch noch Landebeine bauen. Dazu habe ich eine Kunststoffgitterkiste genommen, in denen normalerweise Champignons transportiert werden, in 3cm breite Streifen geschnitten und mit jeweils einem Kabelbinder direkt vor dem Motor und am Übergang vom Arm zur Centerplate angebracht. Da der Streifen ein gutes Stück länger war bildet sich dadurch ein Bogen, der nach unten zeigt und auf dem man landen kann.
  8. Den Empfänger der Fernsteuerung kann man irgendwo befestigen, danach geht es ans Verkabeln:
    • Vom Empfänger zum NanoWii wird mit dem 3-Pin-Kabel Channel 3 mit den drei horizontalen Pins auf dem NanoWii auf der linken Seite verbunden. Dabei kommt das braune Kabel an den Rand und das gelbe in Richtung Mitte. Am Empfänger kommt das gelbe Kabel auf den Pin, der der beschrifteten Seite zugewandt ist. Die anderen Kabel werden am Empfänger an den Pins am nächsten zur Schrift angebracht. Sie werden auf dem Board so eingesteckt, dass von dem eben eingesteckten aufwärts folgendes anliegt: Channel 1, 2, 4, 5. Pinbelegung Receiver
    • Dann werden die ESCs angeschlossen. Diese kommen an die gewinkelten Dreierleisten, mit dem gelben Kabel nach oben. Dabei werden von links nach rechts zuerst der hintere rechte, dann der vordere rechte, hintere linke und der vordere linke ESC angeschlossen.
    • Rechts daneben sind noch zwei Pins. Daran wird der 2-Pin-Stecker angeschlossen, den wir an die XT60-Buchse angelötet haben. Rot kommt nach oben, schwarz an den Rand.
  9. Nun sollte man den Empfänger mit dem Sender koppeln. Dazu steckt man das Bindkabel in die Reihe mit der Beschriftung BAT und versorgt das Board mit Strom indem man es per USB an einen Rechner anschließt. Im Empfänger sollte nun eine LED blinken. Nun hält man am Sender den Bind-Knopf gedrückt und schaltet währendessen den Sender ein. Kommt hierbei ein "Switch Error" stellt man alle Schalter nach oben und hinten und wiederholt das Binden. Danach sollte die LED im Empfänger dauerhaft leuchten. Nun schaltet man den Empfänger aus und dann den Sender.
  10. Nun ist der Quadrokopter fast fertig, wir machen uns nun an die Software. Dazu verbinden wir den Quadrokopter per USB und laden die Arduino-Software herunter. Für Windows findet man sie unter www.arduino.cc, für Arch findet man sie im AUR. Bei der Installation hilft dort wie immer das Arch Wiki. Unter Arch sollte man noch die Serielle Schnittstelle konfigurieren und die Zugriffsrechte einstellen. Unter allen Betriebssystemen muss man die MultiWii-2.2-Software herunterladen von http://code.google.com/p/multiwii/ und entpacken. In der Arduino-Software öffnet man dann die Datei MultiWii.ino. In der config.h werden einige Einstellungen gemacht, dazu entfernt man die //, um die Zeilen #define QUADX und #define NANOWII nicht mehr auszukommentieren. In der Arduino-Software wählt man dann unter Tools > Board > Arduino Leonardo aus und klickt auf Überprüfen (Haken) und Uploaden (Pfeil).
  11. Nun bereiten wir den Sender vor. Dazu müssen wir zuerst einmal MultiWiiConf zum Laufen bringen. Unter Linux muss man dazu erst einmal von einem freien seriellen Anschluss auf den eigentlichen Anschluss linken mit sudo ln -s /dev/ttyACM0 /dev/ttyS8 Danach startet man die MultiWiiConf-Software, die sich in dem entpackten Ordner finden lässt. In der Software klickt man dann links auf die Schnittstelle und danach auf START. Mit einem Klick auf CALIB_ACC wird der Beschleunigungssensor kalibriert. Danach kann man den Copter etwas herumbewegen und sollte im Diagramm unten Veränderungen erkennen. Oben rechts sieht man eine Anzeige der Werte, die der Empfänger gerade an NanoWii weitergibt. Zuerst müssen wir die Zuordnung der Steuerknüppel zu den Kanälen einstellen. An der Fernsteuerung kommen wir Mit MENU (etwas länger) zu den Einstellung, nochmal MENU bringt uns in die Systemeinstellungen. 2x DN und MENU lässt uns den Typ des Fliegers auswählen. Hier wählen wir ACRO und verlassen das Menü wieder mit MENU. Zwei darunter können wir die Steuerknüppelbelegung festlegen. Dort wählen wir Mode 2, damit der Gas-Knüppel links liegt, bestätigen mit MENU, verneinen „Throttle reverse“ mit EXIT und verlassen das Menü mit 2x EXIT. Nicht irritieren lassen, dass im Display noch MODE 1 steht, das bezieht sich nicht auf die gerade geänderte Zuordnung. Wir müssen nun den Sender so einstellen, dass die Ausschläge möglichst genau von 1000 bis 2000 gehen und in der Ruhestellung bei 1500 liegen. Dazu gehen wir in der Fernbedienung in das Einstellungsmenü. Wir schalten also den Sender ein und drücken MENU (etwas länger), nach rechts mit +, MENU, 3x DN auf E.Point und wieder MENU. Dort kann man mit UP und DN die Zeile wechseln, mit + und - die Werte verändern und mit dem Steuerknüppel für die jeweilige Funktion kann man die Spalte wechseln. Nun kann man den Steuerknüppel ganz in eine Richtung drücken, in der MultiWiiConf den Wert ablesen und mit + und - verändern. Mit MENU (kurz) verlässt man das Menü wieder. Mit den kleinen Schalterchen neben den Steuerknüppeln kann man die Trimmung verändern und damit den Mittelwert möglichst genau auf 1500 einstellen.

  12. Wenn man nun den linken Knüppel nach rechts unten drückt sollte in MultiWiiConf der Hintergrund von ARM grün werden. Mit dieser Knüppelstellung schaltet man den Quadrokopter standardmäßig scharf und die Motoren laufen an, wenn er nicht am USB hängt. Da bei mir das Scharfstellen nicht funktionierte und mir so auch zu kompliziert war habe ich den Quelltext geändert. Dazu ging ich wie folgt vor:

    • MultiWii.ino in der Arduino IDE öffnen

    • In MultiWii suchen wir die Funktion go_arm() (bei mir bei Zeile 801) und ändern es folgendermaßen ab:

      void go_arm() {
  //if(calibratingG == 0 && f.ACC_CALIBRATED 
  //#if defined(FAILSAFE)
  //  && failsafeCnt < 2
  //#endif
  //  ) {
    if(!f.ARMED) { // arm now!
      f.ARMED = 1;
      headFreeModeHold = heading;
      #if defined(VBAT)
        if (vbat > conf.no_vbat) vbatMin = vbat;
      #endif
      #ifdef LCD_TELEMETRY // reset some values when arming
        #if BARO
           BAROaltMax = BaroAlt;
        #endif
      #endif
      #ifdef LOG_PERMANENT
        plog.arm++;           // #arm events
        plog.running = 1;       // toggle on arm & disarm to monitor for clean shutdown vs. powercut
        // write now.
        writePLog();
      #endif
    }
  //} else if(!f.ARMED) { 
  //  blinkLED(2,255,1);
  //  alarmArray[8] = 1;
  //}
}

    • Dann gehen wir weiter in die Funktion loop(). Diese ist recht lang, darin suchen wir (ungefähr bei Zeile 926) if (rcData[THROTTLE] <= MINCHECK) { und ändern den nachfolgenden Block so ab:

          if (rcData[THROTTLE] <= MINCHECK) {            // THROTTLE at minimum
      errorGyroI[ROLL] = 0; errorGyroI[PITCH] = 0; errorGyroI[YAW] = 0;
      errorAngleI[ROLL] = 0; errorAngleI[PITCH] = 0;
      //if (conf.activate[BOXARM] > 0) {             // Arming/Disarming via ARM BOX
        //if ( rcOptions[BOXARM] ) 
        if ( rcData[AUX1] > MAXCHECK ) go_arm(); 
        //else if ( rcData[AUX1] < MINCHECK && f.ARMED) go_disarm();
        //if ( rcOptions[BOXARM] && f.OK_TO_ARM ) go_arm(); else if (f.ARMED) go_disarm();
      //}
    }

    • Mit AUX1 legen wir fest, dass wir mit Channel 5 die Motoren ein- und ausschalten wollen.

    • Um dem Kanal nun noch einen Schalter zuzuweisen müssen wir noch die Fernsteuerung einstellen. Dazu gehen wir wieder in die Settings, einmal UP und MENU um den den Punkt AUX-CH auszuwählen. Dort kann man nun mit UP und DOWN kann man den Kanal wechseln, mit + und - wechselt man den dazugehörigen Schalter, bei uns wählen wir Gear aus, das ist der Schalterauf der Oberseite ganz rechts vorne.
    • Wenn man den 3-Wege-Schalter daneben auch noch verwenden möchte muss man den Pin des Empfängers mit dem RX-Pin verbinden, in config.h RCAUX2PINRX0 auskommentieren und die Fernsteuerung entsprechend diesem Forenbeitrag einstellen.
    • Zuletzt noch die Software wieder überprüfen und uploaden.

  13. Vor dem ersten Flug muss nun noch der LiPo-Akku aufgeladen werden. Mit dem Ladegerät von Turnigy schließt man zuerst den Akku mit dem XT60-Anschluss an, dann den kleinen weißen Balancestecker. Mit diesem kann das Ladegerät die Spannung der einzelnen Zellen des Akkus auslesen und ausbalancieren. Zuletzt schließt man das Netzteil an. Am Ladegerät muss man nun noch einiges einstellen. Zuerst kann man das Program auswählen, indem man mit Type durchwechselt. Wir wählen "LiPo Batt" aus und bestätigen mit Start. Mit INC wechselt man nun zu "LiPo Balance". Nun müssen wir die Einstellungen für den Akku ändern. Dazu setzen wir den Ladestrom auf 2.0A (wird berechnet, indem man die Akkugröße in Ah etwas abrundet, hier als 2200mAh = 2.2Ah => 2A) und die Anzahl der Zellen auf den richtigen Wert. Zum Ändern benutzt man INC und DEC, gewechselt wird mit kurzem Druck auf Start. Den Ladevorgang startet man mit einem ca. 3 Sekunden langen Druck auf Start. Auf der nächsten Anzeige sieht man links die erkannte Anzahl der Zellen und rechts die eingegebene Anzahl. Sind beide gleich kann man es mit Start bestätigen und der Ladevorgang beginnt. Beim Laden sollte man beachten, dass LiPo-Akkus unter bestimmten Umständen explodieren, deshalb sollte man den Akku am besten in einem feuerfesten Gefäß platzieren, zum Beispiel in einem Keramiktopf mit Sand oder ähnlichem.

  14. Vor dem Flug muss man auch noch einige rechtliche Aspekte beachten. Zuerst sollte man eine Modellflugversicherung haben. Diese kann man entweder bei der DMO oder beim DMFV abschließen. Der DMFV empfiehlt sich vor allem, wenn man in einem Verein Mitglied werden möchte.
    Außerdem muss man auf einer sogenannten ICAO-Karte nachschauen, an welcher Stelle man überhaupt fliegen darf. Eine solche Karte findet man zum Beispiel bei der deutschen Flugsicherung, nachdem man sich registriert hat oder bei fl95.de ohne Registrierung, wenn auch etwas umständlich. Eine analoge Ausgabe auf totem Baum geht natürlich auch und oft kann man bei einem Tower mit freundlichem Fragen auch sehr kostengünstig eine bekommen. Die Karte zu lesen ist eigentlich recht einfach, wir brauchen nur die Zahl unter dem "Bruchstrich". Diese gibt die Untergrenze des kontrollierten Flugraumes in Fuß über Grund (AGL) oder über Meereshöhe an (FL x bedeutet x mal 100 Fuß). Damit interessieren uns meistens nur Zonen, die bis zum Boden (GND) kontrolliert sind sowie Flugverbotszonen (ED-R und ED-D). In Kontrollzonen darf man zwar fliegen, muss aber vorher beim zuständigen Tower eine Genehmigung einholen. Bei weiteren Fragen hilft auch die ausführliche Legende weiter. Zusätzlich dürfen wir nicht näher als 1,5km an Flugplätze heran fliegen und nicht über bewohntem Gebiet fliegen. Außerdem braucht man natürlich noch die Erlaubnis des Inhabers des Grundstückes von dem man starten will.
  15. Endlich nähern wir zum ersten Flug, ein historischer Moment^^. Ein kleines Wort der Warnung noch vorneweg: Quadrokopter sehen zwar harmlos aus, die Rotoren drehen sich jedoch wirklich schnell und haben dadurch eine ganz schöne Wucht. Also bitte auf Gegenstände und vor allem Personen in der Nähe achten. Ansonsten kann es vorkommen, dass man beim Schreiben eines Blogposts an der Fernsteuerung den Gashebel verkehrt, sich dann wundert, warum die Motoren nicht anlaufen und beim Testen auf dem Schreibtisch dann feststellt, dass sie doch anlaufen, wenn man den Hebel nach oben schiebt und vor Schreck dann Vollgas gibt. Ergebnis: Kratzer im Notebook, zwei zerstörte Tasten und mehrere zerschredderte Rotor- und Papierblätter. Nicht dass mir so etwas passiert wäre...
  16. Damit können wir nun endlich die Propeller anbringen: Bei mir musste man die Löcher der Propeller mit einem Bohrer etwas weiten, damit sie auf die Mitnehmer passen. Dann stecken wir sie einfach auf die Wellen der Motoren und ziehen die Kappen mit einem dünnen Bohrer oder ähnlichem fest, wie hier auch auf Englisch beschrieben. In unserem Fall ist nur die Anordnung etwas anders, die Propeller gegen den Uhrzeigersinn kommen vorne rechts und hinten links auf die Motoren. Sie sind meistens mit einem kleinen CCW gekennzeichnet.
  17. Jetzt kommen wir endlich zum ersten Flug. Dazu gehen wir an einen freien Platz, bestenfalls eine Wiese, und stellen den Quadrokopter in das Gras. Zuerst schalten wir den Sender ein und stecken danach den Akku am Quadrokopter an. Der Quadrokopter testet dann die Motoren und meldet mit 4 ansteigenden Piepsern, dass alles OK ist. Nun ziehen wir den Gashebel (links) ganz nach unten und klappen den Schalter oben rechts nach vorne. Damit sollten die Motoren anlaufen und mit langsamem Erhöhen des Schubes kann man nun den Quadrokopter abheben lassen. Sollte er sich dabei zu einer Seite neigen kann man die Lage mit dem rechten Stick korrigieren. Die Dosierung des Schubes erfordert ein wenig Übung, ebenso sollte man mit horizontalen Bewegungen vorsichtig sein, da der Kopter schnell reagiert. Bis der Kopter nicht mehr unkontrolliert durch die Gegend fliegt, abstürzt oder gegen beliebige Gegenstände kracht dauert es eine Weile, aber irgendwann kann man ruhig schweben und sich präzise bewegen ... hoffentlich.

Nach ein paar Erfahrungen, hier noch einige praktische Tipps:

Bilder

Quadrokopter auf blauer Decke Quadrokopter auf der Wiese Quadrokopter im Flug