Lagestabilisierung für Modellhelikopter

Ein Helikopter ist kein eigenstabiles Flugobjekt. Er hat stets die Tendenz, seine Fluglage zu verlassen und in die eine oder andere Richtung zu schieben, sich zu neigen oder zu drehen. Wegen der geringen Masse ist dieses unstabile Verhalten bei Modellhelikoptern stärker ausgeprägt. Der Pilot muss diese Bewegungen durch kontinuierliche, entgegen wirkende Steuereingaben abfangen. Einzig mit Hilfe der Paddel wird der Modellhelikopter mechanisch etwas stabilisiert.

Mit der hier vorgestellten Elektronik werden die Bewegungen des Helikopters gemessen und dementsprechend korrigierende Steuermassnahmen ausgeführt. Die Paddel sind darum nicht mehr notwendig. Der Rotorkopf kann paddellos aufgebaut werden. Daraus ergeben sich folgende Vorteile:

- einfachere Rotorkopfmechanik
- Steuerverhalten ist per Software einstellbar von stabil bis extrem wendig
- drehzahlunabhängiges Steuerverhalten
- geringerer Energieverbrauch ->längere Flugzeit
- geringere Crashkosten

Ziele

Die Regelung soll dafür sorgen, dass die vom Piloten vorgegebene Lage des Helikopters unverändert beibehalten wird. Störgrössen, wie z.B. Wind, haben somit keinen Einfluss mehr auf den Helikopter. Die Flugeigenschaften verbessern sich.
In einem zweiten, umschaltbaren Modus soll des Weiteren ein autonomer Schwebeflug ermöglicht werden, ohne dass der Pilot korrigierend eingreifen muss. Bei Neutralstellung aller Steuergrössen behält der Heli die aktuelle Position im Raum bei. Dieser Modus ist besonders für Anfänger gut geeignet. Ein "richtiger" Heli lässt sich so einfach wie ein Koax fliegen.

Simulation

Um riskante Experimente am echten Helikopter zu umgehen, wurde die Regelung zuerst am Computer mit einer Simulationsoftware simuliert. Der Helikopter wird im Simulationsmodell durch mehrere miteinander gekoppelte Differenzialgleichungen beschrieben. Die realistischen Simulationsergebnisse bestätigten die Machbarkeit des Projektes.

Realisierung

Voraussetzung für die Regelung ist die genaue Messung der momentanen Bewegung des Helikopters. Die Drehungen um die Längs-, Quer- und Hochachse werden mit Rotationssensoren gemessen. Zusätzlich werden auch die Beschleunigungen entlang der drei Hauptachsen gemessen. Aus den Drehraten und den Beschleunigungen werden dann durch die Regelung korrigierende Steuermassnahmen errechnet und ausgeführt. Die Regelung wurde digital mit PID-Regelstrukturen realisiert. Die Rechenarbeit übernimmt dabei ein leistungsstarker 32 Bit Mikrocontroller. Dank modernsten, hoch integrierten Sensoren, betragen die Abmessungen der gesamten Hardware nur 30x30x20mm. Über Taster und ein kleines OLED-Display können vom Benutzer verschiedenste Parameter angepasst werden. Das System kann dadurch an jeden beliebigen Modellhelikopter angepasst werden.

Projektstatus

Mein System ist zwar funktionsfähig (Prototypenstadium), eine serienreife Version wird es aber nicht geben. Das Stabi wurde grundsätzlich für den Eigenbedarf entwickelt. Einzige Ausnahme sind vielleicht kundenspezifische Anwendungen (z.B. Spezialfunktionen im Scale Bereich).

Die Elektronik dient für mich zusätzlich als Entwicklungsplatform für weitere private Projekte. Mit den je 3 Rotations- und Beschleunigungssensoren kann ich die relativen Bewegungen jedes beliebigen Flugobjektes messen. Wie auf meiner Homepage zu sehen ist, ist ein selbst gebauter Quadrocopter mein aktuelles Projekt. Eine weitere Idee, welche schon lange in meinem Kopf herumgeistert, ist ein selbst gebauter Senkrechtstarter (VTOL). Das sollte ebenfalls mit der gleichen Elektronik machbar sein. Wird natürlich nicht ganz einfach...