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Eigenbau-FCs für Mini-Nutzkopter


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176 Antworten in diesem Thema

#1 crteensy

crteensy
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Geschrieben 20. September 2019 - 19:46

Spin-off von diesem Thread: http://www.kopterfor...indoor-tauglich

 

Es geht um die Entwicklung eines einfachen Flight Controllers für die Anwendung in extrem leichten Nutzkoptern unter 250 g. So wie ich es sehe, sind die Mindest-Features bzw. Ausstattung auf dem FC-Board:

  • Arducopter unterstützt den FC mit vertretbarem Aufwand, inkl. GPS
  • Mindestens 4 UARTs
  • Barometer (BMP280 an I2C scheint OK zu sein, BME280 wäre geringer Mehraufwand)
  • Gyro und Beschleunigungssensoren
  • Analogeingang für die Batteriespannung
  • Analogeingang für einen Stromsensor
  • USB zum Programmieren/Konfigurieren und was sonst noch interessant wäre
  • möglichst leicht

Der Kopter soll mit 2S LiIon (Entladeschluss um die 5 V) zu betreiben sein. Das betrifft hauptsächlich die Bereitstellung von 5 V für die Elektronik. BECs für höhere Eingangsspannungen haben in der Regel entweder nur einen Linearregler oder Buck-Schaltregler und steigen unter ungefähr 6 V aus.

 

Die Ströme für die Motoren liegen unter 10 A pro Motor, eher so um 5 bis 6 A und im Schwebeflug noch niedriger. Das betrifft dann hauptsächlich die verfügbaren 4in1-ESCs.

 

Diskussion gibt es noch bei:

  • Spannungsregler: Entweder verlässt man sich auf das BEC eines 4in1-ESC, der dann für den Betrieb unter 5 V geeignet sein muss und einen Buck/Boost-Regler mitbringt, oder der FC muss über einen Buck/Boost-Regler verfügen.
  • Massenspeicher: da sind drei Optionen im Umlauf: gar nicht, SPI-Flash oder MicroSD.
  • F4 oder F7: Auf einer Platine mit 16x16 mm Lochbild ist nur ein LQFP-64 (STM32F405) schmerzfrei unterzubringen. Der F7 kommt mit mindestens 100 pins (LQFP-100 oder TFBGA-100). LQFP-100 braucht mindestens 20 mm Lochabstand und TFBGA-100 werde ich technisch nicht als Hobbyprojekt umsetzen können.

Explizit nicht Teil des FCs werden:

  • GNSS und Kompass: die werden weiter weg von Störquellen montiert.
  • OSD: für die Anwendung nicht interessant
  • Rx: schränkt den Einsatzbereich auf den verbauten Rx-Typ ein oder wäre dann eben Ballast
  • ESC: das wäre zu komplex und zu spezifisch
Aktuell habe ich zwei Entwürfe für einen 16x16 mm FC mit F405:
 
Kleine Variante: 5 x UART, 1xI2C, BMP280, ICM 20602, 4xMotor, 2xPWM (für mehr Motoren oder LED Strip oder was auch immer), microSD, USB, Platine misst 22 x 22 mm:
FC16-F405_top.png
FC16-F405_bot.png

 

Größer mit je einem zusätzlichen UART und I2C auf Lötpads, Platz wäre auch für einen Inverter (SBUS o.ä.). 22 x 27 mm:

FC16-F405_large_top.png
FC16-F405_large_bot.png
 
Ich habe hier einen ESC mit 16 x 16 mm Löchern und integriertem BEC liegen, der auch für 1S gehen soll. Test kommt noch.

  • el Kopto und RainerD gefällt das

#2 RainerD

RainerD
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  • verschiedene Eigenbauten mit Kakute F7 mini, Pixhawk und Pixfalcon

Geschrieben 20. September 2019 - 20:33

Hallo crteensy ,
erst einmal Hut ab vor Deinem Einsatz und Deinen Fähigkeiten.
Aber lohnt der ganze Aufwand?
Ich habe z.B. einen Holybro Kakute F7 mini mit Adrucopter Software im Einsatz. Der wiegt mit Kabel bei mir ca. 8 Gramm.
Viel Einsparpotenzial im Gewicht wird es also nicht mehr geben.
Das einzige was ich an dem FC vermisse ist ein Micro SD Slot.

Gruß
Rainer

#3 crteensy

crteensy
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Geschrieben 20. September 2019 - 21:07

Hallo crteensy ,
erst einmal Hut ab vor Deinem Einsatz und Deinen Fähigkeiten.
Aber lohnt der ganze Aufwand?
Ich habe z.B. einen Holybro Kakute F7 mini mit Adrucopter Software im Einsatz. Der wiegt mit Kabel bei mir ca. 8 Gramm.
Viel Einsparpotenzial im Gewicht wird es also nicht mehr geben.
Das einzige was ich an dem FC vermisse ist ein Micro SD Slot.

Gruß
Rainer

 

Ob der Aufwand lohnt, hängt natürlich vom Maßstab ab. Wenn ich hinterher Spaß hatte - ja. Nach allen anderen Maßstäben wahrscheinlich nicht.

 

Ich gehe nochmal zurück zum ESC. Ich hatte ja in dem anderen Thread geschrieben, dass noch einer auf meinem Eingangshaufen liegt:

https://de.banggood....ur_warehouse=CN

(4in1 1-2S 10A, 16x16mm, 1 A BEC)

 

Den habe ich jetzt mal von seiner Verpackung befreit, gewogen und die BEC-Spannung getestet:

Angehängte Datei  DSC_1372.JPG   201,71K   1 Mal heruntergeladen

Angehängte Datei  DSC_1373.JPG   298,14K   0 Mal heruntergeladen

Versorgt wurde er dabei von einer einzelnen LiPo-Zelle bei 3,7 V.

 

Mit FC käme der gesamte Stack vielleicht auf 5,5 g. Eher ein kleines bisschen weniger. 0,5 g davon gehen allein schon für microSD-Karte und -Slot drauf. Die Stiftleiste würde ich übrigens weglassen und durch kurze dünne Kabel ersetzen. Wenn der Stack - vor allem, wenn der FC noch weich montiert ist - einen Schlag von der Seite bekommt, sind diese kleinen Stiftleisten ganz schnell abgeschert.

 

Ein 20x20 mm Stack wiegt 10 bis 12 g, je nach Ausstattung. Der Unterschied ist, ein AUW von höchstens 250 g vorausgesetzt, ein signifikanter Unterschied.



#4 keilie

keilie
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    155:13 Minuten mit rein elektrischem Kopter unter 1Kg Abfluggewicht
    101:20 Minuten mit 250g Kopter

Geschrieben 20. September 2019 - 21:15

auf Seite 4 des Datenblattes vom VL53L1X steht "Up to 400 kHz (Fast mode) serial bus Programmable address. Default is 0x52." Für mich heißt das, dass man die Adresse programmieren kann und 0x52 der Standardwert ist 


Ein 20x20 mm Stack wiegt 10 bis 12 g, je nach Ausstattung. Der Unterschied ist, ein AUW von höchstens 250 g vorausgesetzt, ein signifikanter Unterschied.

 

wie du auf 10-12g kommst erschließt sich mir nicht



#5 crteensy

crteensy
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Geschrieben 20. September 2019 - 21:27

auf Seite 4 des Datenblattes vom VL53L1X steht "Up to 400 kHz (Fast mode) serial bus Programmable address. Default is 0x52." Für mich heißt das, dass man die Adresse programmieren kann und 0x52 der Standardwert ist 


 

wie du auf 10-12g kommst erschließt sich mir nicht

 

Das steht da zwar, aber das Datenblatt sagt überhaupt nichts über die API - dafür müsste ich mich bei ST einloggen damit ich deren Beispielcode herunterladen kann, und dann wäre auch noch offen, ob die Adressänderung da beschrieben wird. Zugegeben, dafür war ich jetzt zu faul...

 

Ein Mamba F405 mini Stack wiegt 3,5 (FC) + 8 (25 A 4in1) = 11,5 g. Ich habe auch schon leichtere ESCs auf 20 x 20 mm gesehen, aber keinen unter 6 g. 



#6 keilie

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Geschrieben 20. September 2019 - 21:58

ich habe den ESC https://www.hglrc.co...13-series-stack auf meinem 101 min Kopter im Einsatz, der wiegt 3,3g

 

wenn du ein F7 im TFBGA-100 Gehäuse verwenden möchtest, kannst du ihn ja auch um 45° gedreht auf die Platine setzen, dann passt auch ein 16 x 16 mm Lochbild

Was ist bei TFBGA-100 aber das Problem? Willst du die Platine selbst bestücken?


der Anschluss der kleinen Sensoren wäre wirklich cool und damit wäre der Kopter dann auch ohne Schutzkäfig indoor-tauglich



#7 crteensy

crteensy
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Geschrieben 20. September 2019 - 22:41

Oh der ESC ist leicht, das stimmt.

 

Ich demonstriere das Problem mit den verschiedenen Gehäusen mal mit ein paar Bildchen.

 

Mit 16 x 16 mm Löchern passt LQFP-64 ganz komfortabel (links) und die Lötpads für UARTs & Co passen ganz normal zwischen die Befestigungslöcher. LQFP-100 geht nur um 45° gedreht (rechts) und ich habe nur außerhalb noch Platz für Lötpads. Dadurch wird das Board zwingend größer und schwerer. Praktisch alle anderen Komponenten müssen auf die Rückseite:

 

Angehängte Datei  Screenshot from 2019-09-20 23-11-48.png   29,93K   1 Mal heruntergeladen

 

Eine "normale" U-Scheibe M2 passt streng genommen nicht mehr auf das Befestigungsloch und würde teilweise auf den Beinchen des F7 liegen. Das wäre unschön.

 

TFBGA-100 passt zwar an sich wieder gut, aber auf der Rückseite unter dem BGA kann ich auch wieder keine Komponenten unterbringen, weil dort zwingend ein ganzer Haufen Vias rauskommt. Der BGA zerschießt mir die Vorder- und die  Rückseite:

 

Angehängte Datei  Screenshot from 2019-09-20 23-15-04.png   11,53K   0 Mal heruntergeladen

 

Mit 20 x 20 mm Lochabstand passt dann wieder LQFP-100:

 

Angehängte Datei  Screenshot from 2019-09-20 23-16-20.png   18,94K   0 Mal heruntergeladen

 

Ich bestücke das alles selbst. BGA ist eigentlich kein Problem, die LGAs machen mir meistens mehr Ärger.

 

Die Sensoren würde ich wirklich separat behandeln. Sie kämen ja auch nicht aufs FC-Board. Wie wärs mit Flex zum einmal außen drumrum kleben?


Edit: Betriebsblind. Wenn ich einen LQFP-100 auf 16 x 16 mm machen möchte und die Lötpads auf die andere Seite lege, können sie natürlich wieder etwas reinrücken. Wird trotzdem sehr schwierig, da die ESC-Leitungen ja meist "von unten" kommen, wo dann der große F7 alles besetzt.


Bearbeitet von crteensy, 20. September 2019 - 22:41.


#8 keilie

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Geschrieben 20. September 2019 - 22:41

ok wir werden uns schon einigen können, du willst also nur eine 2 Lagen PCB bauen

 

Thema Kompass: ich bin der Meinung 1 Kompass kann schon mit drauf, wenn der Kompass weiter weg soll kann man immer noch ein zweiten Kompass verwenden

 

Thema GNSS: es gibt verschiedene kleine Module habe gerade mal bei u-box nachgesehen, der kleinste Chip ist der UBX-M8230-CT der ist nur 2,99x3,21mm dann gibt es noch den ZOE-M8Q mit 4,5x4,5mm und den EVA-M8Q Chip mit 7x7mm, da muss dann nur noch ein kleiner Antennenstecker dran an den man die Antenne ansteckt



#9 crteensy

crteensy
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Geschrieben 20. September 2019 - 22:46

4 Lagen werden es schon - woher nimmst du die 2? Aber eben nicht 6 und auch keine Blind-Vias.



#10 keilie

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Geschrieben 20. September 2019 - 23:00

habe gedacht du willst mit 2 Lagen auskommen weil du geschrieben hast, dass du beim TFBGA-100 auf der Rückseite nichts drauf machen kannst weil dort die Vias raus kommen

 

habe mir zum Test auch mal so ein 16x16mm ESC bestellt


Bearbeitet von keilie, 20. September 2019 - 23:18.


#11 crteensy

crteensy
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Geschrieben 20. September 2019 - 23:21

Ah verstehe. Die "normalen" vias gehen immer durch das gesamte Board, selbst wenn ich von oben in die erste Innenlage will. Sie sind dann auch auf allen anderen Lagen im Weg; so auch auf der Rückseite. Mit etwas Glück kann ich noch 1 - 2 Kondensatoren direkt unter dem BGA platzieren, aber nicht das ganze Dutzend, das er insgesamt braucht.

#12 keilie

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Geschrieben 20. September 2019 - 23:28

ok dann muss das Gehäuse halt noch kleiner werden, da gibt es doch noch WLCSP180 ist nur 5,5x6mm :D



#13 thorone

thorone
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Geschrieben 21. September 2019 - 17:07

Hast du denn schon nen Schaltplan? Insbesondere für die ESCs? Wie ich schon im anderen thread schrieb:


ich hab schon öfter über einen FC selbstbau nachgedacht. In dem Fall hier könnte man den Crazybee F4 (https://m.banggood.c...ur_warehouse=CN) eigentlich fast direkt nachbauen und statt dem F4 das F7 BGA draufsetzen plus die Uarts & Co. zugänglich machen . Der hat schon nen Buckboost, die ESCs und sogar nen Empfänger.



Ich hatte den Crazybee F4 schon eingesetzt für nen sub 100g Langflieger



Allerdings ist auch hier die Gewichtsersparnis marginal (höchstens 2g) im Vergleich zu nem 16er Stack und vielleicht 3g zu nem 20er Stack wie dem Stable F7... und obs ichs dafür lohnt ;)

Ich würd ja für son projekt mit 8 Lagen und via in Pad anfangen... aber ich bin durch die Arbeit da schon verdorben :-D

#14 crteensy

crteensy
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Geschrieben 21. September 2019 - 19:08

Das einzige Referenzdesign für einen BLHeli_S ESC habe ich hier gefunden: https://fishpepper.d...-your-own-v0-4/

 

Bevor ich mich für den Bau eines FC entschieden hatte, dachte ich auch erst, dass ein Whoop-artiges board ja eigentlich wünschenswert wäre. Vor dem Alleingang bin ich aber zurückgeschreckt und hatte Simon (er hat den tinypepper gemacht) nach Unterstützung beim ESC-Teil gefragt. Er hat aber keine Zeit.

 

Wenn wir nun genug Schaffenskraft für ein AAIO (almost-all-in-one, also ohne Rx - da gibt es einfach zu wenig Einigkeit) zusammenkratzen können und sich jemand zutraut, auch beim ESC mitzuwirken - dann würde ich das evtl wieder ins Auge fassen. Auch dies können wir gerne in den FC-Thread verschieben! (nee. da sind wir ja schon.)


Bearbeitet von crteensy, 21. September 2019 - 19:13.


#15 thorone

thorone
  • 58 Beiträge

Geschrieben 21. September 2019 - 19:40

Ich hab von Powersystemen und Schltwandlern schon ein bisschen Ahnung, könnte mich also prinzipiell dem ESC Teil widmen. Das Pepper Board hat noch einiges Verbesserungspotential. Vor allem läuft es nur mit 1S durch die fehlenden Level-Shifter der P-Mosfets. Außerdem würd ich Fets im SON-Gehäuse faforisieren, da die kleiner sind und weniger thermische Impedanz haben.

 

Bei Microcontroller würd ich auf jeden Fall dauf ein Chipscale Package setzen. Wenn wir schon Gewicht sparen dann richtig...






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