DMXControl Virtual Truss

DMXControl Virtual Truss
Entwickler	DMXControl Projects e.V.
Aktuelle Version	PreAlpha
Status	im Aufbau
Kontakt	info@dmxcontrol.de
Homepage	http://www.dmxcontrol-projects.org

Einleitung

DMXControl Virtual Truss ist neben einem DMXControl 3-Pult die zweite Hardware-Entwicklung für DMXControl 3, an der das Hardwareteam des Vereins arbeitet. Ziel des Projektes ist es, den Aufbau von Traversen bei Veranstaltungen überflüssig zu machen. Mittels neuester Technologie im Bereich der Quadrocopter und aktueller LED-Technik sollen autonom gesteuerte Scheinwerfer entstehen, welche zur kurzzeitigen Beleuchtung von Personen und Discotanzflächen eingesetzt werden können.

Beschreibung

Um Beleuchtungsaufgaben zukünftig einfacher und flexibler zu gestalten, entwickeln wir eine auf einem Quadrocopter basierende Lichtdrohne, welche beliebig im Raum positioniert werden kann und von dort aus Personen oder Objekte beleuchten kann. Die Drohne wird autonom durch DMXControl 3 gesteuert und erhält hierüber in einem Cue gespeicherte Positionsangaben. Die Drohne fliegt diese dann autonom an. Denkbar für die Zukunft wäre darüber hinaus eine autonome Hinderniserkennung inklusive Abschattungserkennung, um z. B. zu beleuchtende Personen auch dann noch zu anzustrahlen, wenn sich diese hinter ein Hindernis bewegen.

Hardware

Quadrocopter

Empfangseinheit inklusive LED-Steuerung

Am Anfang stand ein handelsüblicher Quadrocopter, der analysiert und schrittweise an die Anforderungen angepasst wurde. Entsprechende Anforderungen waren:

• Tragen eines LED-Scheinwerfers
• Flugzeit etwa 10 min für die erste Ausbaustufe
• Punktgenaue Ausleuchtung des zu beleuchtenden Bereiches
• Autonome Ortung im Raum
• Steuerung des Quadrocopters und des Scheinwerfers über DMXControl 3

Der Aufbau inklusive der Rotoren bleibt vorerst wie bei dem Ursprungsmodell. Allerdings wurde die Steuerungselektronik so angepasst, dass sie ihre Befehle von einem zusätzlichen Controller entgegen nimmt. Dieser ist für die Kommunikation mit DMXControl zuständig und übernimmt auch die Ortung im Raum.

Ortung

Die Ortung erfolgt mittels einer Kombination aus iBeacons, welche im Raum verteilt werden und Beschleunigungs-, Rotations- und Magnetfeldsensoren. Anhand der Änderung der Signallaufzeiten und mittels je einer Antenne an den vier Rotor-Ausläufern kann die Position im Raum aktuell auf etwa 30 cm genau bestimmt werden. Dies reicht schon für eine grobe Positionierung, für die geplanten Aufgaben ist dies aber noch zu wenig. Allerdings werden im aktuellen Setup auch noch nicht alle Sensordaten ausgewertet. So werden die Rotationssensoren aktuell nur als Backup verwendet und mit den Beschleunigungssensoren die Antennendaten verifiziert. Daher ist dies ein weiterer Punkt, an dem wir arbeiten.

LEDs

Bei dem Scheinwerfer haben wir uns für einen Selbstbau entschieden, denn alle handelsüblichen Scheinwerfer sind deutlich zu schwer. Die LEDs sind auf einem 17 cm x 12 cm großen Panel montiert, welches an einem Gestell an dem Quadrocopter befestigt ist. Dieses Gestell ist aktuell noch fest arretiert, soll aber eine Tilt-Steuerung erhalten, um die LED nach oben und unten zu neigen. Aktuell werden allerdings noch keine High-Power-LEDs verwendet, da hier noch Entwicklungsbedarf in Sachen Kühlung besteht. Um leistungsstarke LEDs zuverlässig zu kühlen, sind schwere Kühlkörper nötig. Dies würde aber die Flugzeit erheblich einschränken, denn für eine maximale Flugdauer muss das gesamte System so leicht wie möglich sein. Daher wird aktuell untersucht, in wiefern der Abwind der Rotoren für die Kühlung der LEDs verwendet werden kann. Hierzu muss aber höchst wahrscheinlich auch die Programmierung der Drohnen angepasst werden, denn es ergeben sich durch eine solche Kühlung unsymmetrische Propellerströmungen, die ausgeglichen werden müssen.

Technische Daten

Eigenschaften	Werte
Modell	Blade 350qx
Länge	465 mm
Höhe	138 mm
Elektro-Motor	4 x 1100 KV Brushless (geplant sind 4 x 900 KV um die Drehzahl und damit die Lautstärke zu reduzieren)
Gesamt Rotor Durchmesser	580 mm
LEDs	9 x 0,5 W CW-LEDs (geplant 5 x 4 W RGBW-LEDs)
Steuerung	Art-Net
Positionsbestimmung	iBeacon, Beschleunigungssensoren

Steuerung

Die Steuerung ist aufgeteilt auf DMXControl und jeden Quadrocopter. Das Fluggerät ist wie auch bei anderen Quadrocoptern für die Eigenstabilität zuständig, sorgt also selbstständig dafür, dass die aktuelle Position gehalten wird. DMXControl 3 steuert nur die Sollposition bei, also wohin der Quadrocopter genau fliegen soll. Die Befehle nimmt dabei der Quadrocopter via Art-Net an, denn die Updaterate von Art-Net ist für das Vorhaben ausreichend. Dazu besitzt die Drohne einen WLAN Sender / Empfänger und meldet sich als normales WLAN-Gerät in einem örtlichen WLAN. Die Rückmeldung der Drohne geschieht über ein proprietäres Protokoll, um regelmäßige Lebenszeichen, die aktuelle Position und den Batteriestand zu übermitteln. Zuerst war hier RDM angedacht gewesen. Diese Idee wurde aber auf Grund von mangelnder Kompatibilität verworfen.

DMX-Kanalbelegung

Im folgenden ist die Kanalbelegung des Quadrocopters aufgeführt:

Kanalnummer	Typ	Beschreibung
1	Function	Dient u.a. für den Befehl, vom Boden abzuheben bzw. für die Landung
2	Positionierung X	Beschreibt die Positionierung in X-Richtung (entlang der virtuellen Traverse)
3	Positionierung Y	Beschreibt die vertikale Positionierung (entspricht der Höhe der virtuellen Traverse)
4	Positionierung Z	Beschreibt die Entfernung von der Bühne (noch nicht implementiert, da zunächst eine Positionierung entlang der virtuellen Traverse verfolgt wird)
5	Dimmer	Dimmerkanal der LED
6	R	Rot-Kanal (aktuell ohne Funktion, da keine RGB-LEDs verbaut)
7	G	Grün-Kanal (aktuell ohne Funktion, da keine RGB-LEDs verbaut)
8	B	Blau-Kanal (aktuell ohne Funktion, da keine RGB-LEDs verbaut)
9	W	Weiß-Kanal
10	Strobe	Stroboskop-Kanal

Aktueller Entwicklungsstand

Erstflug der modifizierten Drohne

Die ersten Flugversuche verliefen erfolgreich (siehe nebenstehendes Bild). Auch die Kommunikation zwischen der Licht-Drohne und DMXControl 3 ist in Grundzügen aufgebaut. Dies bedeutet, dass die Drohne schon über DMXControl 3 gesteuert werden kann (Start, X- und Y-Achse und die weißen LEDs). Allerdings sind hier bereits ein paar Schwierigkeiten bei der Regelung aufgetreten. Die Drohne reagiert zu stark auf Werteänderungen, weshalb sie über die Zielposition hinausschießt. Hier suchen wir bereits nach dem Fehler in den Regelgesetzen.

Weiteres Vorgehen

Verbesserungsbedarf

• Autonome Steuerung durch DMXControl 3: Nachdem die Fernsteuerung mittels DMXControl 3 nun in den Grundzügen funktioniert, müssen als nächstes die Funktionen für das autonome Fliegen integriert werden. Hierfür müssen einige Änderungen an dem HAL und am StageView durchgeführt werden, um die Dronen sicher und zuverlässig im Raum positionieren zu können.
• Leuchtstärke der LEDs muss weiter erhöht werden: Aktuell werden die Tests mit einem kleineren LED-Setup durchgeführt um die prinzipielle Machbarkeit des Projektes zu testen. Um aber Objekte und Bühnen entsprechend beleuchten zu können, werden stärkere LEDs benötigt. Hierzu muss aber erst das Hitzeproblem der LEDs geklärt werden.
• Höhere Positionierungsgenauigkeit: Die Ortung im Raum ist entscheidend für eine richtige Platzierung der Drohne und der korrekten Beleuchtung der Szenerie. Dafür muss die Positionierungsgenauigkeit noch weiter gesteigert werden. Unser Ziel ist die Genauigkeit unter 5 cm Abweichung im Raum und 0,1° in der Rotation um die Hochachse zu erhalten. Da der Quadrocopter unter gewissen Umständen Ausgleichsbewegungen zur Flugstabilisierung durchführen muss, wäre hier auch eine aktive Pan/Tilt-Steuerung der LED eine Möglichkeit, die wir untersuchen wollen.
• Reduktion der Lautstärke:
  • Anpassung der Rotoren: Quadrocopter sind aktuell noch sehr laut und daher nur in Umgebungen einsetzbar, in denen diese nicht stören. Hier hoffen wir auf die weitere Entwicklung der Rotoren. Vielversprechend sind hier Ansätze, die die Rotorgeometrie und Oberflächenbeschaffenheit von Eulenflügeln immitieren. Ventilatoren z.B. für Klimaanlagen mit solchen Eigenschaften werden aktuell von mehreren Forschungseinrichtungen entwickelt. Diese Entwicklung könnte auch bei unserem Projekt die Lautstärke erheblich senken.
  • Aktives Noise-Canceling: Außerdem prüfen wir aktuell ein aktives Noise-Canceling der Rotoren, indem wir den Rotorsound mit Mikros sowohl am Quadrocopter selbst als auch mit aufgestellten Raummikros auffangen und dann über die Saalanlage einen entsprechenden Gegensound.

Projekttreffen mit Ascending Technologies

Besuch bei Ascending Technologies

Nachdem wir mit dem Prototypen die Funktionsfähigkeit des Systems nachgewiesen haben, wollen wir den nächsten Schritt machen und das Gerät professionell aufziehen. Um ein tragfähiges Konzept für eine stabile Plattform zu entwickeln, sondieren wir nun nach und nach erste mögliche Projektpartner. Da uns Ascending Technologies als technischer Partner der voestalpinen Klangwolke mit seinen Spaxels (space pixels) eine hervorragende Referenz geliefert hat, machten Jens-Peter und Stefan G. sich am 24. März auf, ihnen einen Besuch zur ersten Sondierung eines möglichen Kooperationspotentials abzustatten. Die genauen Details der Zusammenarbeit müssen bei weiteren Treffen noch abgestimmt werden und sind noch nicht spruchreif. Natürlich ist es Ziel, das Projekt für Hobby-Bastler auch in einer OpenSource / OpenHardware Version zum Nachbau zu veröffentlichen.