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Richtungsbestimmung rotierender Körper

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Moin Leute,

mir geht seit geraumer Zeit ein Gedanke durch den Kopf, und ich bin mir unsicher, wie ich es anfange den zu einem Projekt zu machen.

Das erste grundlegende zu lösendes Problem:

Stellt Euch vor, Ihr steht auf einem Bürostuhl, dreht Euch um Eure eigene Achse und möchtet immer, wenn Ihr in ihre Richtung schaut, Eurer Liebsten einen Kuss zuwerfen oder empfangen.

Die Liebste steht am Nordpol, Ihr könnt sie ohne Hilfsmittel nicht sehen.

Ihr habe einen Kompass. Ist der in der Situation brauchbar, und bis zu welcher Drehrate, wenn Ihr keinen Kuss verpassen wollt? Ist ein Gyro, dessen aufaddierten Winkel durch den Kompass korrigiert werden sinvoll?

Ihr könnt der Freundin ein Leuchtfeuer verpassen, und Euch den Kompass sparen. Welcher Frequenzbereich macht Sinn (Wolken, Reflektionen, Reichweite, Freundin zielt nicht besonders gut, verfügbare und günstige Technik, ...)?

Ihr könnt Euch auch selbst ein Leuchtfeuer verpassen, und die Freundin ruft jedes Mal "PING!", wenn sie es sieht.

Der Bürostuhl kann und soll ins Rollen kommen, und die Freundin ruft Richtungen statt "PING!".

Wenn das langweilig wird, wollt auch fliegen...


Entschuldigt bitte die sesamstraßenartige Schreibe, ich wollte es so allgemein wie möglich formulieren, um alle möglichen Lösungsansätze offen zu halten.

Habt Ihr Ideen?

LG
Wolfgang
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Registriert seit: Apr 2007
Beiträge: 2344
Ort: Hesel
Also,
wenn das ein Hobbyprojekt ist, bin ich gerne zum diskutieren bereit ;-) denn auf den ersten Blick scheint das kein grosses Problem zu sein :-)

LG Walter
Mitglied
Registriert seit: Aug 2008
Beiträge: 234
Danke Walter,

ja, soll ein Hobbyprojekt werden. Wie Du meinem Geschreibsel entnehmen kannst, habe ich ein im Ganzen rotierendes Flugobjekt im Sinn, das, wenn es sinnvoll steuerbar sein soll, natürlich einen Bezugspunkt braucht.

Möglichkeiten gibt es da ja einige, und ich frage mich, welche davon in dem Zusammenhang Sinn machen und mit vertretbarem Aufwand umsetzbar wären.

Am naheliegendsten erscheint mir ein neigungskompensierter Kompass, mit dessen Signal man eine zyklische Blattverstellung und/oder anderes Gedöns - auch da gibt es einige Möglichkeiten, aber eins nach dem anderen - synchronisieren könnte.

Am elegantesten finde ich Antennen im Rotor, einen Peilsender am Piloten und die Richtungsbestimmung via Dopplerpeilung.

Am simpelsten wäre eine Steuerung via IR, aber das wäre nur was, um das Prinzip zu testen und für echten Einsatz kaum brauchbar.

Für den Anfang habe ich mir überlegt, mit einer herkömmlichen günstigen Race-FC zu experimentiren. Der könnte ich ein BT Modul verpassen, sie in Rotation versetzen und sehen, was ich mit der Werten anfangen kann. Was meinst Du dazu? Holzweg oder passt fürs erste?

LG Wolfgang
Mitglied
Registriert seit: Mar 2013
Beiträge: 129
Sorry, aber ich verstehe das Herumgedruckse nicht. Warum sagst Du nicht konkret, was Du willst?
Also:

1) Benötigte Genauigkeit
2) Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit
3) Nur zur Messung oder zur aktiven Steuerung?
4) Konkreter Anwendungs-Background
5) etc., etc.

Gruß,

Stella
Mitglied
Registriert seit: Aug 2008
Beiträge: 234
Stella meinte
Sorry, aber ich verstehe das Herumgedruckse nicht. Warum sagst Du nicht konkret, was Du willst?
Also:

1) Benötigte Genauigkeit
2) Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit
3) Nur zur Messung oder zur aktiven Steuerung?
4) Konkreter Anwendungs-Background
5) etc., etc.

Gruß,

Stella


Moin Stella,

Du hast recht! Ich versuche gerade selbst, etwas Ordnung in die vage Idee zu bringen.

1) So präzise wie ein gut eingestellter Hubi oder ein mittelmäßiger Kopter.
2) Zuverlässigkeit + Verfügbarkeit, wie man sie von einem Flugmodell im Privatbereich erwarten kann und muss.
3) siehe etc., etc.
4) Spaß und etwas lernen


5) Butter bei die Fische:

Die Flächenflieger haben ihren Nurflügler, und ich denke an einen kontrolliert steuerbaren Nurrotor.
Technisch gesehen wäre so ein Ding ein Hubschrauber ohne Drehmomentausgleich, Taumelscheibe und auf sich selbst bezogenes Vorne.

Elektromechanisch wird es einige zu lösende Probleme geben, was Stellkraft, Stellgeschwindigkeit, Genauigkeit und Robustheit angeht, aber sicher nichts unlösbares. Damit möchte ich mich später befassen.

Worum es mir jetzt geht, ist, aus einem externen Bezugspunkt ein Signal abzuleiten, mit dem die Stellgrößen für eine zyklische Blattverstellung synchronisiert werden kann.

Als externe Bezugspunkte oder Größen habe ich das Erdmagnetfeld und / oder den Sender des Piloten im Sinn.

Magnetfeld ist nicht weiter erklärungsbedürftig. Zum (Peil-) Sender des Piloten als Bezugspunkt folgendes:

a) Montiert man eine Antenne irgendwo außen am Nur-Rotor, wird das empfangene Signal in seiner Frequenz moduliert. Die Frequenz des dem Träger aufmodulierten Signals entspricht der Drehzahl, aus der Phasenlage des Signals lässt sich die Richtung des empfangenen Senders ableiten. Dieses Peilverfahren nennt man Dopplerpeilung, weil die FM durch den Dopplereffekt zustande kommt.

b) Montiert man eine Richtantenne im Zentrum des Nurrotors, erhält man eine Amplitudenmodulation. Der Sender liegt in Richtung Maximum. Das entspricht klassischen Peilverfahren.


Der geäußerte Gedanke mit der rotierenden FC bezog sich auf den Ansatz mit dem Erdmagnetfeld, wobei die FC das neigungskompensierte Kompassignal am UART liefert und nebenbei mit seinen Gyros eine grundlegende Stabilisierung auf die Verstellservos für die Rotorblätter legen könnte.

Der Rest meines Geschreibsels waren bruchstückartige Lösungsgedanken, die mir gerade durch den Kopf gehen.

LG
Wolfgang
Mitglied
Registriert seit: Mar 2013
Beiträge: 129
Ok, jetzt wird es etwas klarer. Wie das mit dem "Nurrotor" physikalisch gehen soll: keine Ahnung - aber auch egal.
Warum nimmst Du nicht einfach eine IMU / AHRS?

Stella
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Registriert seit: Aug 2008
Beiträge: 234
Stella meinte
... Wie das mit dem "Nurrotor" physikalisch gehen soll: keine Ahnung - aber auch egal.
Warum nimmst Du nicht einfach eine IMU / AHRS?

Von den physikalischen Gegebenheiten, ich vermute, Du meinst den fehlden Drehmomentausgleich, funktioniert es wie die historischen Hubschrauber mit Blattspitzenantrieb oder auch wie die (unsteuerbaren aber tatsächlich fliegenden) Spielzeuge, bei denen ein oder zwei Props um die Achse herumsausen und diese so antreiben.

Bevor ich mit IMUs und sonstigen Sensoren experimentiere, die hinterher in der Grabbelkiste vergammeln, stelle ich lieber erstmal Fragen.

Eine Frage wäre z. B., ab welcher Drehrate gängige Kompassmodule außer Tritt kommen und keine vernünftigen Werte mehr liefern. Die zweite wäre dann, ob man dadrumherum kommt, indem man die Drehrate mittels Gyro misst, aufaddiert und alle n Umdrehungen den Wert via Kompass korrigiert.

Im Prinzip macht das eine FC im Kompass- oder Careless- Mode schon so, warum also das Rad neu erfinden? Stellt sich nur die Frage, wie schnell und lange so eine FC gieren kann, bis der Careless- bzw. Headless- Mode an Grenzen stößt und das Ding die Orientierung verliert.

Dann kann man die Gegebenheiten vllt. annähern, Drehzahl senken und eine schnellere FC in Betracht ziehen. Dann wäre da noch die Kleinigkeit, dass ich einen Headlessbetrieb bisher nur mit gleichzeitigem Autolevel/Acc gesehen habe, von dem ich nicht glaube, dass er in einer Dauerrotation funktioniert.

Es gab mal / gibt Experimente mit rotierenden Fluggeräten mit den Eigenschaften von Ahornsamen, die waren kontrolliert steuerbar, aber ich habe keinen blassen Schimmer, wie die das hinbekommen haben ...
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Registriert seit: Aug 2008
Beiträge: 234
Habe es gefunden.
https://youtu.be/sbuGCgc-JCM
https://youtu.be/jtU1ZsjAqsE
https://youtu.be/I_6EjX8T9Ag
...
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Registriert seit: Mar 2013
Beiträge: 129
Ok, jetzt habe ich's verstanden.
In erster Linie würde Dir wohl ein stabiler Gyro ausreichen, da es Dir wohl weniger auf eine absolute Genauigkeit (z.B. bezüglich geografisch Nord) ankommt, sondern auf einen Richtungswert, der auch einer langsamen Drift unterliegen kann.
Problematisch sind wohl die Drehraten. In den Videos lässt sich die nicht so genau erkennen, aber wenn wir vom mindestens 10 Umdrehungen in der Sekunde ausgehen, entspricht das 3600° / Sekunde, was die Auswahl schon ziemlich einschränken dürfte. Beispielsweise schafft eine IMU, die ich aktuell verwende (1.000 EUR-Klasse) gerade mal 2000° / Sekunde. Aber geben wird es sowas sicherlich.

Stella
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Registriert seit: Aug 2008
Beiträge: 234
Moin Stella, moin Leute,

das nächtliche Gespräch hat mich schonmal in die richtige Richtung geschubst (danke Stella), und mein Gedächtnis hat vergessen geglaubte Begriffe wie Ahornsamen und Monocopter hervorgebracht. Mit diesen Begriffen habe ich einiges im Netz gefunden.

Die verbreitete IMU MPU6000 packt 2000°/s, was mit etwas Luft 300 rpm entspricht.
Das ebenso verbreiteten Kompassmodule HMC5883L und CMPS10/CMPS11 packen Updates mit 75Hz, entsprechend 4500 Werte/Min. Die CMPS Module sind neigungskompensiert.

Bei 300 rpm lassen sich also regulär 15 Werte pro Umdrehung abfragen. Das Modul HMC5883L ließe sich mit Trickserei auf über 150Hs bringen, nämlich indem man es in dieser Frequenz reinitialisiert.

Wir sind also zunächst bei Rotordrehzahlen unterhalb 300 rpm, da ist also konsequenter Leichtbau gefragt - oder schiere Größe.

Das verlinkte Ahornblattgedöns stabilisiert sich konstruktionsbedingt selbst. Für einen „richtigen” Rotor wäre wohl auch an eine Stabi zu denken.

Für höhere Drehzahlen wären wir dann wieder bei dem Ansatz mit Peilung. Für Dopplerpeilung muss der Kreis, den die Antenne beschreibt, größer als die Wellenlänge sein. Handhabbare Dimensionen kleiner 40cm fangen bei Frequenzbändern ab der LTE Mittenlücke ab 823 MHz (36cm) an.

Im 2,4GHz ISM Band wären wir ab 12,5 cm dabei.

Jetzt gehe ich erstmal arbeiten und freue ich mich darauf, von Euch mit der Nase auf meine Denkfehler gestoßen zu werden.

LG
Wolfgang
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Registriert seit: Aug 2008
Beiträge: 234
Mein gefühltes Funkpeil-Halbwissen schrumpft zusammen. Der Abstand der Antennen scheint nur bei einer bestimmten Art des Umschaltens kritisch zu sein. Ich werde wohl mehr Zeit in die Recherche und die Mathematik dahinter investieren, wird aber für den rotierenden Kopter nicht mehr relevant werden.

So verlockend einfach der Gedanke war, die Rotation für eine Funkpeilung zu nutzen auf den ersten Blick war, so unnötig kompliziert ist er auf den zweiten Blick, denn diese Art der Peilung setzt voraus, das die genaue Drehzahl, genauer gesagt, die Phasenlage der Drehung bekannt ist, womit man unweigerlich wieder beim Thema Kompass + Gyro landet.

Die Antennen virtuell (=elektronisch) mit einer bekannten Drehzahl zu rotieren bringt auf einem rotierenden Objekt auch nicht wirklich etwas.
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Beiträge: 615
Ort: Nordhausen
Mir geistert dieses Fluggerät schon lange durch den Kopf.

Die Sache mit dem Peilsender finde ich zu kompliziert.

Auf der Hand liegt die Lösung mit Magnetsensor und Gyroskop. Da muss man auf die 2000 Grad pro Sekunde achten. Notfalls könnte man den Sensor entsprechend der Drehgeschwindigkeit mechanisch "zurückdrehen", das ist aber anspruchsvoll.

Am besten finde ich die Variante (die hier noch nicht angesprochen wurde :-) mit Spule. Man baut in das rotierende Fluggerät einfach ne Spule ein und schaut sich die Sinuskurve an. Das ist ja die Richtung nach Norden. Sowas machen Bastler gern für z.B. Kreisel, die mit LED's ausgestattet sind. Damit kann man den Kreisel "beschriften", also Text schreiben. Ich habe das Heft hier irgendwo rumliegen: https://www.elektor.de/elektor-12-2008-pdf-de. Der Artikel heisst: "Effektvoller LED-Kreisel zeigt Text wie programmiert - wenn er rotiert…". Das ganze klappt gut, solange das Fluggerät nicht mehr als 10...15 Grad geneigt ist. Dann gibt es Proleme, weil die Inklination des Magnetfeldes bei uns etwa 70 Grad beträgt.
« Bearbeitet von Tumba am 08.10.2017 16:50. »
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Registriert seit: Aug 2008
Beiträge: 234
Tumba meinte
Mir geistert dieses Fluggerät schon lange durch den Kopf.

Die Sache mit dem Peilsender finde ich zu kompliziert.

Auf der Hand liegt die Lösung mit Magnetsensor und Gyroskop. Da muss man auf die 2000 Grad pro Sekunde achten. Notfalls könnte man den Sensor entsprechend der Drehgeschwindigkeit mechanisch "zurückdrehen", das ist aber anspruchsvoll.
...
Ich habe das Heft hier irgendwo rumliegen: https://www.elektor.de/elektor-12-2008-pdf-de. Der Artikel heisst: "Effektvoller LED-Kreisel zeigt Text wie programmiert - wenn er rotiert…". Das ganze klappt gut, solange das Fluggerät nicht mehr als 10...15 Grad geneigt ist. Dann gibt es Proleme, weil die Inklination des Magnetfeldes bei uns etwa 70 Grad beträgt.


Moin und danke für den Tipp mit der Spule, der kann ganz sicher noch für einige Projekte nützlich sein. :)

Was Funkpeilung angeht, habe ich mittlerweile ein paar gar nicht so komplizierte Ansätze und Projekte gefunden, auch billige und von der Bandbreite her passende Funkmodule habe ich bei Farnell gefunden. Aber wie gesagt, ohne die exakte Drehzahl als Referenz bringt das nichts, geht also so oder so kein Weg an Kompass oder ähnlichem Gedöns vorbei.

Ich spiele zur Zeit im Hinblick auf höhere Drehzahlen mit dem Gedanken, zu cheaten, in dem Sinne, einen neigungskompensierten Magnetsensor oder eine billige FC auf einer Motorachse sich permanent auf z.B. Norden ausrichten zu lassen, und die Drehzahl + Rotorposition optisch abzugreifen...

Muss noch einiges in meinem Kopf ordnen im Sinne von Möglichkeiten eliminieren, ehe ich anfange zu bauen.

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