Projekt "UFO": 3 vertikal ausgerichtet Impellertri

Hallo!

Hab auf der Uni mit einem interessanten Projekt begonnen:
Aufgabe: Eine Plattform mit 3 Elektroimpellern (kleiner Propeller mit 6cm Durchmesser in einem kurzen Rohr) soll Lageregelbar sein.

Als erster Schritt wird sie noch an eine Stange gefesselt sein - später vielleicht ferngesteuert fliegen.

Habe schon einiges über diese Quadrokopter gelesen. Die können ja ganz gut die Drehung um die Hochachse steuern, aber mit meinen drei gleichdrehenden Impellern wird das schwieriger ;-)
Ein weiteres spannendes Problem wird noch die genaue Lagebestimmung werden. Ich habe zwar 3 Drehratensensoren, doch driften die auch. Im freien Flug wirds dan auch mit Hilfe von Linearbeschleunigungsaufnehmern schwierig :-)

Schon jemand Erfahrung mit solchen "UFOs"? Was haltet ihr von der Idee?

Hi,

mich würde mal interessieren wie du das UFO um die Hochachse stabil halten willst; wenn man 4 Motoren verwendet kann man das Drehmoment ja gut ausgleichen, aber mit 3?
Und warum willst du Impeller nehmen? Die sind bei so einem Gerät vom Wirkungsgrad her viel schlecher... Dass du Blätter zum Ausgleichen der Luftwirbel hinten dran bauen kannst?

Greetz, Felix

1.) Quadrokopter gibts ja schon - das ganze soll ja auch eine Herausforderung und etwas Neues sein.
2.) Nun ja das ganze soll erstmals ein Labormodell auf einer Stange werden, da ist die Leistung nicht so wichtig. Ausserdem sind die Impeller wesentlich kompakter und eignen sich deshalb auch ganz gut fürs Labor.

Das Drallproblem ist mit den Impellern auch viel kleiner als mit Propellern.

Ich denke mir, den Drall könnte man ganz gut durch Neigen der Rotoren ausgleichen...

Hallo,

Zitat:

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Quadrokopter gibts ja schon - das ganze soll ja auch eine Herausforderung und etwas Neues sein.

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Mit drei Propellern gibts auch schon.
Such mal nach Tribelle oder guck mal hier :
http://www.braunmod.de/tribelle.htm

Gruß Jan

Hmm die Tribelle sieht ja interessant aus, aber aus der Beschreibung geht nicht hervor, dass man die Hochachse aktiv steuern kann - richtet sich anscheinend bei Flug in eine Richtung über das Heckruder aus, oder? Kann mir nicht vorstellen, wie die das aktiv steuern wollen.
Oder hat hier jemand dieses Modell schon ausprobiert und andere Erfahrungen?

Ich hab die Tribelle von ein paar Jahren mal auf der InterEx gesehen. Da hat Stefan Dolch das Ding gerade neu vorgestellt. Die Tribelle fliegt sich eigentlich wie ein normales Flugzeug, du kannst aber auch in der Luft stehenbleiben. Eine Drehung nur um die Hochachse geht mit der Tribelle nicht.
Aber sieht schon cool aus und ist auch echt gut zu fliegen...

Greetz, Felix

Die Entwickler schreiben allerdings, daß das Steuerprinzip geschützt ist :(

Gruß
Christopher

Hapt ihr auch schon geklärt wo ihr gegenläufige Luftschrauben her bekommt. Linkdrehende sind so gut wie überhaupt nicht zu bekommen. Und die Luftschraube von der Tribelle ist sehr groß und nicht gerade günstig.

Also ich denke die Methode die Franz sich überlegt hat dürfte auch gut funktionieren, und man braucht keine ausgefallenen Teile dafür...


Man muss nur jeden Impeller an einen Servo hängen, und schon ist das Drehmoment kein Problem mehr.
(das kann man ja durch Verkippen der Impeller ausgleichen)


Damit ergeben sich für die Steuerung noch einige interessante Möglichkeiten.
Prinzipiell könnte man die Motoren sogar immer auf voller Leistung laufen lassen und das Ding nur durch Verkippen der Impeller steuern.
(nur eine sanfte Landung wäre so kaum möglich)

@Frank: ich hoffe, dass die Impeller kein großes Moment um ihre Längsachse erzeugen, im Gehäuse sind Leitschaufeln, die die Luft wieder relativ drallfrei austreten lassen sollten. Darum kommen 3 gleichdrehende zum Einsatz. Morgen gibts den ersten Impellertest :-), da werde ich mir das mal anschaun können.

@Felix G:Ich lande schon lieber sanft mit dem UFO :-)

Zur Zeit will ich noch alle Motoren um den gleichen Winkel kippen lassen. Wenn die Triebwerke zum Kippen unterschiedlich viel Schub leisten, gibt das zwar nicht immer eine reine Drehung um den Schwerpunkt, aber das nehme ich in kauf.
Wenn man die Triebwerke aber wirklich einzeln kippt, und vielleicht sogar noch um 2 Achsen könnte man das Ufo ja fast wie ein Flugzeug fliegen lassen - mit ungeahnter Manövrierbarkeit!! Tolle Idee!

Naja, die Dinger um 2 Achsen zu kippen ist aber mechanisch wieder ein Stück anspruchsvoller...
Ich würde sagen nur um eine Achse, aber eben jeden Impeller seperat.


Mal davon abgesehen bringt es vermutlich eh kaum was wenn man die Dinger um 2 Achsen kippen kann.
(man kann auch so schon alle denkbaren Bewegungen realisieren)

Denn der Winkel zwischen den Achsen beträgt doch prinzipbedingt 120°,
d.h. durch das Kippen der Impeller kann man eine Kraft in fast jede beliebige Richtung erzeugen.
(natürlich nur wenn man auch die Impellerleistung für jeden Impeller einzeln regeln kann)

Wirklich sehr interessante Idee.
Allerdings sehe ich hier einige Probleme mit den Impellern. Wenn ich das richtig verstanden habe soll das ganze mit 3 Impellern betrieben werden die über Stellmotoren schwenk und kippbar angebracht sind. Das Hauptproblem, das die ganze Aparatur wie ein Helikopter ohne Heckroter wie ein Brummkreisel rotiert ließe sich mit einem zusätzlichen Impeller der wie bei Schiffen als Querstrahlruder dient verhindern. Eine Drehnickbewegung durch verstellen eines Treibwerkes zu verhindern würde bedeuten das der senkrecht nach oben gerichtete Schub verringert wird. Das Objekt wird über die Seite abkippen, wenn der Schwerpunkt nicht genau mittig liegt kommt eine seitliche roll nickbewegung dazu und muss wiederum abgefangen werden. Wäre es nicht einfacher das Prinzip eines Helikopters ohne Blattverstellung zu nutzen. Das soll bedeuten 3 Senkrecht stehende Schubdüsen liefern konstanten Auftrieb. Die Motoren dieser Vektorschubdüsen laufen ständig auf 100%. Die Auftriebsregelung erfolgt durch die Veränderung der Blattanstellung. Damit ließe sich das Objekt auf der Stelle schwebend fliegen. Zur Schubvektorsteuerung in der horizontalen Ebene kommen 4 erheblich kleinere Luftschrauben zum Einsatz. Hierbei ist zu bedenken das ein seitliches Abkippen nicht durch eine Richtungsänderung der senkrechten Schubvektoren sondern nur durch den von ihnen erzeugten SChub ausgeglichen werden können. Die Lageregelung für den Steig und Sinkflug könnte dann ein einfaches Kreiselgyrometer übernehmen. Zur Entlastung der tragenden Schubvektoren könnte zusätzlich ein Ring mit einem gängigen Tragflächenquerschnitt um das Objekt angebracht werden um bei Bewegungen in einer horizontalen Ebene einen Aufrieb zu erzeigen.
Zum Problem der Linearbeschleunigungsmessung sehe ich ebenfalls eine Lösung mit einem hängenden Pendel dessen ruhenden Masse als Bezugspunkt durchaus geeignet sein dürfte.
Das größe Problem sehe ich allerdings in der Energieversorgung. Einfache NiCd oder Akkus dürften hier ihren Dienst versagen da zum Schweben doch erhebliche Energiemengen aufgebracht werden müssen. Vielleicht bietet die Lithium plymer Technik hier einen Ansatz aber Flugzeiten jenseits der 5 Minuten Marke halte ich mit einem Elekroantrieb in diesem Falle für nicht erreichbar.

Bei Fragen etc . stehe ich gerne mit Rat und Tat zur Seite

Danke für deine ausführliche Antwort!

Da das ganze Objekt mechanisch möglichst einfach bleiben soll (Gewicht, Kosten, Regelungsaufwand) will ich schon versuchen, mit den 3 Impellern die Lage stabilisieren zu können und auch gezielt bestimmte Lagen zu erreichen und zu halten.
Wenn zum Beispiel durch das Schrägstellen der Plattform Schub senkrecht nach oben kleiner wird, müssen konsequenterweise alle Triebwerke mehr Schub leisten. Ich hoffe, dass das mit meiner Regelung in den Griff bekommen lässt.
Was den freien Flug betrifft: Um sich wirklich mit Akkus in die Lüfte zu erheben, sind Impeller wirklichnicht besonders geeignet, da sie für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt sind. Mit etwas größeren und effizienteren Impellern sehe ich aber durchaus eine Möglichkeit, sich in die Lüfte zu erheben.

Dazu gleich eine wichtige Frage von mir:
-- Wie gestaltet man am Besten den Strömungskanal für den Impeller, sodass möglichst viel Standschub geliefert wird??
- Erfahrungen? -ist "nackter Impeller" mit Einlauflippe ok?

So ich hänge noch 2 kleine Bilder an, damit sich jeder was vorstellen kann unter der Idee.

@Nebirosh
Natürlich kann man die Drehung durch einen (oder mehrere) zusätzliche kleinere Impeller ausgleichen, das wäre sicher die einfachste/bequemste Variante...

Aber auch wenn nur die drei (kippbaren!) "Hauptimpeller" zur Verfügung stehen,
sollte es mit einer ordentlichen Regelung problemlos möglich sein das Ding ruhig schweben zu lassen.


Die Energieversorgung dürfte wirklich nicht einfach werden...
Man muss auf jeden Fall versuchen das Ding möglichst leicht und sparsam zu bauen.
Das spricht übrigens auch gegen zusätzliche Impeller, die sind nicht nur schwer sondern verbrauchen auch noch zusätzlich Strom.

-> leichte (teure) Akkus
-> evtl. SMD (spart immerhin ein bischen Gewicht)
-> keine Linearregler! (Energieverschwendung)


@Franz
jo, das ist schonmal ein guter Ansatz...
Allerdings sind die Servos etwas seltsam positioniert, wie sollen die denn so die Impeller kippen?
Viel einfacher wäre es doch, die Impeller direkt an die Servos zu schrauben

zu den Bildern noch:
-Detail: Ansicht von unten; Der Servo wir am Holz angeschraubt. Am schwenkbar gelagerten Ring, in dem der Impeller steckt, ist (in grün ein Hebel befestigt. Dieser Hebel ist über einen 2ten Hebel mit der Servoscheibe verbunden.
-Gesamtbild: jetzt von oben, alle drei Impeller sind leicht geschwenkt, um ein Drehmoment um die Hochachse zu erzeugen.

hellgelb soll Holz sein, die grauen Stangen CFK oder gleich Kohlefaser, in der Mitte eine leichte Platte (hat eine Aussparung, da hier ein Kardangelenk für die Befestigung im Labor Platz haben muss)

@Servos
achso...
ich würde dennoch dazu tendieren die Impeller direkt dran zu schrauben,
so ist die Belastung zwar höher, aber dafür lassen sich die Impeller stärker/schneller kippen

:-) Felix G war schneller als ich :-)

zu den leichten Akkus: da gibts tollt Litihum Polymer Akkus. Die lassen sich auch in ca 5min mit hohen Strömen entladen und sind schön leicht ... und teuer http://home.vrweb.de/schuebeler.impeller/lipo.html

zu den Reglern: habe jetzt sg. "Brushlessmotoren" im Einsatz. Das sind eigentlich Synchronmotoren, die ein gutes Gewicht/Leistungsverhältnis haben. (gibts auch günsitge Modelle). Für diese Motoren braucht man ohnehin eigene Regler.

-- noch jemand Erfahrungen mit Impellern (Kanalgestaltung für max Standschub) ?
Rein theoretisch wärs ja günstig, hinten einen Diffusor (Querschnittsvergrößerung) dranzubauen, damit möglichst viel Druck da ist. Beim Einlass wäre wahrscheinlich eine Düse (Querschnitt wird kleiner) besser, damit der Impeller von schnellerer Luft angeströmt wird (wofür er ja ausgelegt ist)

Ja! servos direkt an Impeller hab ich mir erst auch gedacht!
Aber ich muß die Impeller nur sehr wenig kippen (max 4-5° in jede Richtung).
Mit den Hebeln kann ichs genauer einstellen, ich glaube schnell genug ists trotzdem noch.

Impeller folgen grundsätzlich sog. Staustrahltriebwerken. Allerdings ist die Leistung mit nur einer "Verdichterstufe" mehr als bescheiden.

Aber um es kurz und knapp zu halten : der Lufteinlass sollte knapp 1,5 mal so groß wie der Luftauslass gehalten sein. Es sollte möglichst nichts den Luftstrom einengen. Der Motor müsste also außerhalb des Strahlrohres sein und eine Welle im inneren über einen Riemenantrieb antreiben.
Eine wichtige Frage : Müssen es unbedingt Propeller sein oder können es auch ( mehrstufige ) Schaufelverdichterräder sein ?
Bei den Verdichterrädern würde sich der Schub bei gleicher Leistung erhöhen, allerdings müssten um Strahlrohr gegenläufige Blätter fixiert angebracht sein um einer Verwirbelung hinter dem Triebwerk entgegen zu wirken.
Zur Berechnung von Gasturbinentriebwerken ( vom Prinzip ist ein Impeller eine Turbine ) empfehle ich

Günther Schneider

Verbrennungskraftmaschinen
Kolbenmotoren und Gasturbinentriebwerke

erschienen im Carl Hansen Verlag München

das Buch ist uralt ob du es bekommst ist fraglich, aber vielleicht an der Hochschul- oder Unibibliothek.
Ansonsten schau dich mal auf Modellbauseiten um da gibt es manchmal sehr sehr hilfreiche Tricks und Kniffe.

@Verdichterstufen: Dass der Wirkungsgrad grauenvoll ist stimmt #-o
ca 50% ist schlimm. Die Lage des Motors kann ich auch nicht mehr beeinflussen, da die Impeller schon gekauft sind. ca 60mm Druchmesser.
(->es sind Propeller (keine Schaufelverdichter))

Ist es für den Standschub gut, den Auslass so klein zu machen? Damit erreicht man hohe Geschwindigkeiten, das ist für Jets interessant und wird auch auf den Modellbauseiten empfohlen.
Leider finde ich auf den Modellbauseiten nichts über Standschubmaximierung.
Ich glaube aber dass ein Design wie oben erwähnt (erst Düse, damit Impeller im ausgelegten Betriebsbereich ist, dann Diffusor für Druck) für Standschub nicht schlecht wäre.

Um den Verwirbelungen entgegenzuwirken und den Drall abzubauen, sind im Impeller sogar Leitschaufeln drin (s. Blider von http://www.euromodels.com.au/shop/in...products_id=52)

Zitat:

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Zitat von FranzXf

zu den Reglern: habe jetzt sg. "Brushlessmotoren" im Einsatz. Das sind eigentlich Synchronmotoren, die ein gutes Gewicht/Leistungsverhältnis haben. (gibts auch günsitge Modelle). Für diese Motoren braucht man ohnehin eigene Regler.

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Ich meinte auch nicht die Regler für die Motoren, sondern eher die Spannungsversorgung der Elektronik.

Also keinen 7805er sondern einen Schaltregler verwenden.

@Felix G ... alles klar, Danke!

Nochmal eine wirre Idee hinterher:
Genau genommen kommt das ganze was nun folgt eher aus der Fluidtechnik aber nun gut. Angenommen der Diffusor erhöht den Druck bzw. die Strömungsgeschwindigkeit, wäre es nicht denkbar hier das Prinzip der Injektorpumpe zu nutzen um den Volumendurchsatz um ein paar Prozent zu erhöhen ?
Die Injektorpumpe nutzt das Prinzip, dass bei strömenden Flüssigkeiten (und Gasen) bei Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit z.B. durch Verengungen in Rohrleitungen oder Düsen eine Druckabsenkung und somit eine Saugwirkung auftritt. Diese Theorie wird durch die Bernoullische Energiegleichung beschrieben.

Nur wenn unterm Strich mehr Energie rauskommt als wir reinstecken müssen wir uns gedanken machen ( nicht warum es so ist sondern wie wir am schnellsten zum Patentamt kommen )

Das ist eine gute Idee - Fluidtechnik ist wahrscheinlich eh besser auf den Impeller anwendbar als der Vergleich mit der Flugzeugturbine (bei der das Volumen durch die starke Erhitzung ja deutlich zunimmt)...

...hmm also du meinst, man könnte zb einen großen Einlass wählen, dann eine Düse mit kleinerem Querschnitt nachschalten. Dort wo durch die Geschwindigkeitszunamhe der Druck abfällt, darf er dann gleich neue Luft ansaugen?

...hmm Woanders habe ich gelesen ein Trompetenförmiger einlass wäre gut (entspricht ja einer Düse)

Also ich mach mal schnell ne Zeichnung...wenn du mir dann auch sagen kannst wie man das fertigt :-)

@Perpetuum Mobile: also wenn dann noch mehr luft drin ist, muss ja die Geschwindigkeit noch höher sein...->noch mehr unterdruck -> noch mehr Luft ansaugen und immer weiter so... fragt sich dann nur, wie ich bremse \:D/

(Der Diffusor erhöht den Druck und verringert die Geschwindigkeit)

Joar so ähnlich habe ich mir das vorgestellt. Allerdings denke ich muss der innere Kranz weiter in den hinteren äußeren Ring hineinragen. Zur Fertigung denke ich mal nimmt man am besten ein Tiefziehverfahren.

sooo... werde eine etwas einfachere From vorziehen. (ohne Injektionspumpenprinizp)
Hat jemand Ideen wie man das einfach fertigen kann (innendurchmesser ~60mm). Leicht sollte das Ding auch werden.
Also vielleicht aus Styropor schneiden? Oder irgendwie aus Holz - aber eine leichte dünne Form zu drehen scheint mir unmöglich? Eine Idee wäre noch aus Glasfasermatten - aber da brauch ich erst eine Form.

Vielleicht doch erst aus Styropor eine Form basteln, dann mit Glasfasern auslegen...?

Wenn du Glasfaser/Kohlefaser/Kevlar (je nachdem welche Eigenschaften das Ding haben soll) verwenden willst,
wäre es wohl sinnvoll die Form aus Holz o.ä. zu bauen, denn ich glaube nicht daß das mit Styropor so toll klappt.


Plexiglas kann man im heissen Zustand übrigens auch hervorragend verarbeiten...
Du könntest bei einer einfachen Form also auch eine dünne Plexiglasscheibe im Backofen erhitzen und vorsichtig in die Holzform drücken
(da muss es garantiert Holz sein... Styropor mag Hitze nich so)

Das wäre zumindest einfacher als die Glasfaservariante und ist auch gesundheitlich unbedenklicher,
zumindest wenn man schlau genug ist das heisse Plexiglas nicht ohne Handschuhe anzufassen ;)
(das bei der Glasfaservariante verwendete Epoxidharz bzw. der Härter enthält einige ziemlich ungesunde Stoffe)

Hallo!
Soooo, jetzt melde ich mich mal wieder :-)
Hat sich schon etwas getan. Mit Joystick kann ich das Ding am Kardangelenk schon ganz nett steuern, doch für Freiflug gibts noch ein paar Hindernisse:
1) Die Drehratensensoren sind super, wenn man schnelle Drehungen realisieren will, doch wenn man daraus die Lage berechnet, merkt man schnell, dass das ziemlich driftet.

2) Drehung um die Hochachse kann noch nicht beeinflusst werden.

Hier kommt ein kleines Bild :-)

Für einen Laboraufbau zur Demonstration von Regelalgorithmen mag das ja gehen mit den Impellern, wenn es aber mal autonom fliegen soll, würde ich folgendes empfehlen:

Anstatt 3 Impellern könnte man 3 Schubmodule bauen, die jeweils zwei gegenläufig rotierende Propeller beinhalten. Die wirken auch wie Impeller, allerdings sind die Propeller dann wesentlich grösser, drehen langsamer (wesentlich besserer Wirkungsgrad), und es hat zudem noch den Vorteil, dass man damit auch Drehungen um die Hochachse leicht ausführen kann, indem man die links- und rechtslaufenden Propeller unterschiedlich schnell drehen lässt.

Das ganze ist zudem nach aussen hin drehmomentfrei machbar, so dass es sich viel gutmütiger verhalten sollte als normale Hubschrauber oder auch 4-Rotor-Plattformen. Man hat mit den 3x2 Rotoren ja viel mehr Freiheitsgrade als man überhaupt braucht, was die Lageregelung eigentlich vereinfachen sollte :)

Noch ein Tip am Rande:

Kleine und leichte Propeller (links- und rechtsdrehend) kann man ganz gut aus PET-Pfandflaschen bauen (die mit dem etwas dickeren Material, nicht die dünnen Wegwerf-Flaschen). Als geeignet haben sich z.B. die 1.5 Liter Flaschen von Bonaqua erwiesen, die haben ein ca. 12 cm langes zylindrisches Stück, aus dem man super Rotorblätter schneiden kann (geht mit der Schere). Man macht sich eine Schablone, legt die drauf, zeichnet es mit einem wasserfesten Stift nach, und schneidet das ganze dann aus. Dann braucht man nur noch ein geeignetes Mittelstück, an dem man die Blätter montieren kann. Solche Rotoren sind von Gewicht und Leistung her recht gut, und es kostet fast nichts :) Bis ca. 2000 u/min (je nach Ausführung) laufen diese Rotoren sehr gut, darüber fangen sie dann an zu flattern. Mit dieser Drehzahl und einem Durchmesser von ca. 25 cm kommt man aber schon auf Schubwerte von bis zu 250 g, also bei einem 6-Rotor-System dann insgesamt 1500 g, was mehr als ausreichend ist :D

Ich wollte mir selber mal sowas bauen, nur leider hab ich momentan keine Zeit dazu. Aber aufgeschoben ist ja nicht aufgehoben...

Hi,
ich würde auf 2 Servos wegen des Gewichtes gänzlich verzichten. Anstelle derer könnten kleine Steuerfahnen in den drei 'Abgasstrahlen' zentral und gemeinsam von einem Servo für eine Stabilisierung/ Steuerung um die Hochachse eingesetzt werden. Ausserdem sollte einer der Antriebe 'hinten' sein und somit das Nicken übernehmen. Für das Rollen gibt es dann den rechten und linken Antrieb. Somit wären 'geregelte' Verhältnisse. Kann man mir folgen?
Michael

???
ist was aus dem Modell geworden?