Nanodrone – Auswahl der Bauteile

Der erste große Schritt für die Nanodrone ist die Auswahl geeigneter Bauteile. Dabei ist darauf zu achten, dass die Teile nicht enorm teuer sind und trotzdem Ihren Zweck erfüllen. Außerdem sollte der gantze Quadrocopter in DFN- oder LGA-Gehäusen aufgebaut werden, um Platz zu sparen. Die wichtigsten Teile im Überblick.

Prozessor

Ausgewählt wurde der ATxmega128D4 von Atmel. Die D4-Serie ist eine einfachere Version der xmega-Prozessoren. Sie hat etwas weniger integrierte Peripherie, dafür gibt es sie aber in einem etwas kleineren Gehäuse. Da für die Nanodrone nicht allzuviel Besonderheiten benötigt werden, reicht die D4-Serie aus. Um Platz für Programmerweiterungen zu haben, habe ich die Version mit 128 kb Programmspeicher ausgesucht – Für diese Anwendung eigentlich viel zu viel, aber die Prozessoren mit weniger Speicher kosten nur unwesentlich weniger. Warum also kleckern… Das Gehäuse ist 7x7mm groß.

Sensor

Benötigt wird mindestens ein 3-Achsen Gyroskopsensor, um den Quadrocopter in allen 3 Drehachsen stabilisieren zu können. Zusätzlich habe ich einen 3-Achsen Beschleunigungssensor eingeplant, so wäre es z.B. möglich dass der Prozessor den Drift der Gyroskope selbsttätig ausgleicht oder auch von allein, d.h. ohne Eingriff des Benutzers, eine bestimmte Lage einnimmt.
Um Platz zu sparen, sollten möglichst alle Dimensionen in einem einzigen Sensorgehäuse untergebracht sein – Die Wahl fiel auf den LSM330DLC von ST. Dieser Chip enthält 3-Achsen Gyroskop und 3-Achsen Beschleunigungssensor, ist in weitem Umfang konfigurierbar und besitzt ein I2C- sowie ein SPI-Interface. Außerdem kostet er nur etwa 10 Euro, was für einen solchen Sensor sehr günstig ist. Der Beschleunigungssensor kann wahlweise ±2g, ±4g, ±8g oder ±16g auflösen während das Gyroskop auf ±250°/s, ±500°/s sowie ±2000°/s konfiguriert werden kann. Es ist außerdem möglich, die Daten mit einem FIFO-Speicher koordiniert abzulegen und zu lesen. Das Gehäuse ist 4x5mm groß.

Stromversorgung

Der Quadrocopter soll mit einer einzigen, leichten LiPo-Zelle mit Strom versorgt werden. Eine Solche Zelle habe ich bereits liegen, sie wiegt 3,8g und hat 130 mAh. Da diese Batterien sehr empfindlich sind und bei fehlerhafter Ladung/Entladung zerstört werden können, wird die Batterie von einem LiPo-Ladechip geladen und die Spannung während des Fliegens überwacht, um eine Tiefentladung zu verhindern.

LiPo-Lader

Also Ladechip kommt der MCP73831 von Microchip zum Einsatz. Neben dem nur 2x3mm großen Gehäuse zeichnet er sich dadurch aus, dass der Ladestrom eingestellt werden kann. Außerdem kann er mittels einer LED anzeigen, ob die Batterie geladen wird oder das Laden beendet wurde.

Spannungswandler

Da der Prozessor und der Sensor beide eine Versorgungsspannung von 3,3V benötigen, eine LiPo-Zelle je nach Ladung aber zwischen 2,8 und 4,2V abgibt, muss ein Buck/Boost-Converter die Spannung regeln. Ausgewählt wurde der LTC3444 von Linear, welcher von 2,75 bis 5,5V Eingangsspannung funktioniert. Über einen Spannungsteiler ist eine Ausgangsspannung von 0,5 bis 5,5V einstellbar. Vorteil dieses Chips ist neben dem 3x3mm großen Gehäuse, dass zum Betrieb nur eine Spule von 2,2µH benötigt wird, welche es bereits im 0805-Gehäuse mit ausreichender Stromfestigkeit gibt. Nachdem mit LTspice das Verhalten dieses Schaltkreises simuliert und überprüft wurde, konnte auch die Spule ausgewählt werden – ausreichend ist dabei z.B. MCFT000159 von Multicomp.

MOSFETs

Die Motoren sollen direkt von der Batteriespannung gespeist werden, damit die maximale Spannung der Batterie voll genutzt werden kann und der Spannungswandler nicht so stark belastet werden muss. Außerdem sollte parallel zu den Motoren eine Freilaufdiode verbaut sein, damit beim Abschalten der Motoren keine Spannungsspitzen auftreten.
Diese GEdanken hat man sich offenbar auch bei Fairchild gemacht, so dass von diesem Hersteller der FDFMA2N028Z ausgewählt wurde. Er beinhaltet einen MOSFET zum schalten der Motoren, sowie die zugehörige Freilaufdiode, in einem einzigen, 2x2mm großen Gehäuse.

Motoren

Wie bereits beschrieben, kommen die X-TWIN Motoren zum Einsatz. Diese bekommt man z.B. bei Amazon oder bei verschiedenen Elektronikhändlern im Internet, so dass für ausreichend Nachschub gesorgt sein sollte. Die passenden Propeller gibt es meistens mit dazu. Zu beachten ist, dass diese Motoren einen Strom von etwa 500 mA benötigen um Ihre volle Leistung zu zeigen, bei 4 Motoren werden also 2 Ampere benötigt!

Empfänger

13070009Die Nanodrone soll im 40 MHz-Band funken. Einen 40-MHz-Empfänger selbst herzustellen ist relativ aufwendig, weshalb dieser als Zukaufteil geplant wurde. So kann außerdem jederzeit mit einem anderen Empfänger eine Frequenz von 27MHz, 35MHz, 40MHz oder 2,4GHz eingestellt werden. Für den ersten Probeaufbau habe ich einen GWS-Empfänger vom Typ R4PII/T gekauft. Dieser wiegt ab Werk rund 4,8G ohne Quarz. Ich habe die Antenne modifiziert, das Gehäuse entfernt und die JST-Buchsen abgelötet, da ich sie nicht benötige. Der Empfänger wiegt nun 3,8g – MIT Quarz.

Schnittstelle

Es sollte möglich sein, mit der Nanodrone über ein PC-Programm zu kommunizieren. Im Gegensatz zur Crazyflie dient die Schnittstelle jedoch nur dazu, ein neues Programm einzuspielen oder Parameter zu verändern. Einfach und klein ist deshalb eine USB-Schnittstelle zu realisieren, da die Verbindung während des Fluges nicht benötigt wird. Dazu wird nur eine Micro-USB-Schnittstelle sowie ein Schnittstellenumsetzer benötigt – Hierfür hat sich der FT230XQ von FTDI bewährt. Er meldet sich am PC als virtueller COM-Port an, und setzt die USB-Schnittstelle auf UART um, so dass man einfach mit dem Mikrocontroller kommunizieren kann. Außerdem sind die FTDI-Chips recht umfangreich konfigurierbar, wenn auch nicht ganz billig. Das 4x4mm große Gehäuse ist noch ausreichend klein.

Sonstiges

Ansonsten wird nur noch Hühnerfutter benötigt. Diverse Kondensatoren und Widerstände werden im 0603-Gehäuse verwendet, um Platz zu sparen. Außerdem wird noch eine USB-Buchse benötigt, hier kommt eine Buchse von Molex zum Einsatz. Leider habe ich aus versehen eine Buchse genommen, welche überkopf montiert wird – Das USB-Kabel wird also verkehrtherum eingesteckt, und die Reihenfolge der Datenleitungen ist verkehrt, was das Routing nicht unbedingt einfacher macht. Wirklich problematisch ist das jedoch nicht, so dass ich bei dieser Buchse bleiben werde.

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