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VORWORT

Der technische Wandel unserer Zeit schreitet schneller und zielstrebiger voran als je zuvor. Selbstfahrende Autos, Drohnen, die Pakete ausliefern, und Flugzeuge, die bald Personen über die verkehrschaotischen Straßen hinweg befördern werden, um so jeden Stau zu umgehen – alles zielt auf ein großes technologisches Ziel ab, nämlich die autonome Robotik. Der Mensch strebt danach, immer intelligentere Maschinen zu entwickeln, die ihm das Leben erleichtern. Genau dafür werden heute schon Fahrzeuge, humanoide Roboter sowie natürlich die Hauselektronik weiterentwickelt, damit sie mit der Zeit komplexere Aufgaben erledigen können, ohne dass der Mensch eingreifen muss. Autonome Fahrzeuge, Flugzeuge und Roboter sind der Zukunftstrend schlechthin.

Nach meinem ersten Buch »Drohnen selber bauen & tunen«, in dem ich die gesamte Technik der Multicopterdrohnen erkläre sowie drei Projekte zum Nachbauen beschreibe, war ich mir sicher, dass es noch viele andere Möglichkeiten gibt, die Steuerelektronik der fliegenden Multicopterdrohnen zu nutzen, um weitere Projekte, auch am Boden, umzusetzen.

Man bekommt als Kind das allererste Modellauto geschenkt und ist sofort fasziniert von der Technik, mit der sich das Modell über eine Fernsteuerung lenken lässt.

Wenn man älter wird, werden auch die Modellautos immer größer, und ein Benzinmotor im Modell kann so richtig was hermachen. Mit dem Nitro-Monstertruck durch Staub und Matsch – das macht mächtig Spaß. Seit über 15 Jahren begeistern mich als Modellflugpilot nicht nur Modellflugzeuge, sondern auch die RC-Car-Welt. Wenn man sich außerdem für Raumfahrt und speziell für die Rovertechnik interessiert, drängen sich Gedanken dazu auf, wie man mit der Technik, die heute jedem zugänglich ist, solch ein Gefährt mit autonomer Steuerung, Kameras an Bord und einer Solaranlage, die die Akkus wieder auflädt, selbst bauen kann. Solch ein interessantes Projekt wie den Bau einer Roverdrohne muss man einfach realisieren.

Gerade die autonome Steuerung eines Rovers ist eine Herausforderung. Gut, dass es schon aus der Drohnenwelt Möglichkeiten, sprich Hard- und Software, gibt, die genau für solch einen Zweck eingesetzt werden können. Das Open-Source-System ArduPilot (APM), das neben der Steuerung eines Multicopters weitere Einsatzfelder vorprogrammiert hat, kann dafür wunderbar verwendet werden. Diesem autonomen Rover, dem ArduRover, werden wir uns in diesem Buch widmen. Sie werden den Aufbau des Systems und der Hardware kennenlernen sowie eine eigene Roverdrohne damit bauen und diese zudem mit einer FPV- und einer Solaranlage tunen. Viel Spaß beim Lesen und Bauen.

AN WEN RICHTET SICH DIESES BUCH?

Sie interessieren sich für ferngesteuerte Automodelle, Raumfahrt- und Rovertechnik sowie für neue Technologien wie etwa selbstfahrende Autos, oder Sie haben schon früher mit einem Lego^©-Mindstorms-Roboter herumexperimentiert und möchten nun tiefer in die Welt der autonomen Fahrzeuge und ihrer Technik eintauchen, dann ist dieses Buch genau das richtige für Sie. Es richtet sich an alle technikbegeisterten Do-it-yourself-Elektronikbastler, die selbst einmal Schraubenzieher und Lötkolben in die Hand nehmen und ein eigenes, selbstfahrendes Roverfahrzeug mit vielen Features bauen möchten. Auch Trendthemen wie das Verbauen einer FPV-Anlage und der Antrieb mit einer Solaranlage kommen nicht zu kurz.

In diesem Buch lernen Sie von Grund auf, wie ein Roverfahrzeug aufgebaut ist, wie man es zu einer autonomen Roverdrohne umbauen kann und wie Sie das Gefährt tunen können, indem Sie eine FPV-Anlage mit drei verschiedenen Kameras und eine komplette Solaranlage, mit der der Akku geladen werden kann, planen und einbauen. FPV (First Person View) ist zurzeit voll im Trend und sorgt dafür, dass der Pilot des Fahrzeugs die Innenperspektive, mit Blick aus dem Rover heraus, einnimmt. Weite Feldwege, unwegsame Waldgebiete, ob bei Tag oder in der Nacht, mit der selbst eingebauten FPV-Anlage entdecken Sie immer wieder neue Gebiete, die es mit der Roverdrohne aus der Cockpitansicht zu erkunden gilt.

Beim Bau des Rovers spielt das Flugkontrollsystem ArduPilot (APM), das normalerweise in Multicoptern eingebaut ist, eine große Rolle. Die Roverdrohne wird mit dieser Technik ausgestattet, sodass sie auch autonome Missionen, die vorher geplant wurden, ausführen kann. Es wird also ein kompletter ArduRover geplant und gebaut. Wer braucht schon eine Steckdose?

Wenn Sie sich auch für das Thema Solarenergie und Solaranlagen begeistern und schon immer einmal ein Solarprojekt selber in Angriff nehmen wollten, kommen Sie von diesem Buch nicht mehr los, denn am Schluss des Roverdrohnen-Bauprojekts wird eine komplette Solaranlage geplant und verbaut, die nicht nur den Akku laden kann, sondern ihn bei der Fahrt auch aktiv entlastet, indem sie den Motoren einen extra Powerschub liefert. Wenn Sie sich also für einzelne oder sogar alle diese Themen interessieren und begeistern, werden Sie dieses Buch nicht mehr aus der Hand legen wollen.

WIE IST DIESES BUCH AUFGEBAUT?

Dieses Buch führt Sie durch die Welt der Fahrzeugdrohnen (Roboterfahrzeuge), ihrer Bestandteile und des Selberbauens einer eigenen Roverdrohne. Vom kompletten Bau bis hin zum Tuning mit einem FPV-System und der Installation einer Solaranlage ist alles detailliert beschrieben und zum Nachbauen mit Bildern dokumentiert.

Der erste Teil des Buchs macht Sie mit der Technik und dem Aufbau eines Rovers sowie mit seinen Bestandteilen vertraut. Nachdem Sie wissen, wie ein Rover eigentlich zu einer Roverdrohne wird, befasst sich der zweite Teil des Buchs mit dem kompletten Bau einer eigenen Roverdrohne. Alles ist detailliert bebildert und dokumentiert, sodass das Nachbauen einfach zu realisieren ist und vor allem Spaß macht. In diesem Buch können Sie sich also auf folgende Kapitel und Themen freuen:

Kapitel 1 – Roverdrohne: der Fahrroboter Im ersten Kapitel des Buchs dreht sich alles um die fahrende Roverdrohne. Was macht solch ein Fahrzeug aus, wo wird es eingesetzt, und wie wird überhaupt ein Rover zur Roverdrohne?

Kapitel 2 – Bausteine der Roverdrohne Hier finden Sie alles, was Sie über eine Roverdrohne wissen müssen. Wie ist solch ein Gefährt aufgebaut, und aus welchen Bauteilen besteht es? Vom Grundgerüst über das eigentliche Roverfahrzeug und die RC-Car-Welt bis zu den Motoren und wie diese betrieben werden, finden Sie hier alles Wissenswerte. Auch das große und interessante Themengebiet der LiPo-Akkus wird behandelt, genauso wie der Aufbau und die Funktionsweise eines Flightcontrollers, der für den autonomen Betrieb benötigt wird.

Kapitel 3 – Bau einer Roverdrohne In diesem Kapitel stellen wir die ersten Überlegungen an zum Bau der eigenen Roverdrohne und was sie alles können soll, denn gut geplant ist schon halb gebaut. Welche Bauteile benötige ich? Und was passt überhaupt zusammen?

Kapitel 4 – Stufe 1: Grundkonstruktion In diesem Kapitel greifen Sie selbst zu Lötkolben und Schraubenzieher, denn hier beginnt der praktische Teil des Buchs, der Bau einer eigenen Roverdrohne. Die erste Stufe (Grundkonstruktion) befasst sich mit dem Umbau eines Rovers zu einer Roverdrohne. Hier wird der Flightcontroller APM 2.6 (ArduPilot – ArduRover) verwendet, um aus einem gewöhnlichen Rock-Crawler-Rover eine autonome Roverdrohne zu bauen.

Kapitel 5 – Stufe 2: FPV-Tuning Dieses Kapitel befasst sich mit dem Verbauen einer kompletten FPV-Anlage an der Roverdrohne. Die Sicht aus dem Cockpit ist ein faszinierendes Erlebnis. Neue Landschaften werden erkundet – bei Tag und bei Nacht. Mit einer Action-Cam, einer FPV-Kamera, einer Kamera für die Fahrt bei Nacht und einem Scheinwerfer wird alles möglich.

Kapitel 6 – Stufe 3: Solar-Tuning Wer braucht schon eine Steckdose, um den Akku aufzuladen? In diesem Kapitel wird gezeigt, wie eine komplette Solaranlage für das Aufladen des Akkus berechnet und installiert wird. Das Solarsystem wird während der Fahrt den Akku entlasten und ihn bei Stillstand des Rovers aufladen.

INHALT

ROVERDROHNE: DER FAHRROBOTER

Marsrover Sojourner der Pathfinder-Mission nach den ersten Zentimetern Fahrt auf dem Mars.

Rover – dieses Wort kennen die meisten sehr wahrscheinlich aus den Nachrichten, wenn es um spektakuläre Raumfahrtmissionen geht, in denen ein Marsrover die weite Reise von der Erde aus bis zu unserem Nachbarplaneten, dem Mars, überstanden hat, eine kinoreife Landung im roten Marssand hinlegt und von nun an die unentdeckten Weiten der Marslandschaft erkundet. Aber tatsächlich werden viele Fahrzeuge heute mit dem Begriff »Rover« bezeichnet, weil sie ähnliche Eigenschaften wie ihre Weltraumkollegen aufweisen. Das Wort selbst stammt tatsächlich aus dem Englischen und bedeutet so viel wie »umherwandern«. Das trifft natürlich speziell auf solche Fahrzeuge zu, die beispielsweise für wissenschaftliche Zwecke eingesetzt werden und eine Gegend erkunden, die sich möglicherweise noch niemand vorher genauer angeschaut hat. In der Raumfahrt trifft das natürlich voll und ganz zu, aber auf der Erde gibt es ebenfalls viele Roverfahrzeuge, die ähnliche Aufgaben erfüllen müssen.

WAS IST EIN ROVER?

Rover sind richtige Alleskönner, denn um ihren Zweck – das Erkunden von Gebieten oder das Erledigen spezieller Aufgaben in einem Gebiet – erfüllen zu können, dürfen sie natürlich nicht bei der kleinsten Unebenheit den Dienst quittieren und ihrem Operator den Status »Out of Order« geben. Auf der Erde mag dies nur ein kleines Problem darstellen, wenn allerdings ein Rover Millionen von Kilometer in einer Raumkapsel auf einen anderen Planeten geschickt wird, muss er natürlich auf so ziemlich alles vorbereitet sein, was die Landschaft bietet. Auch größere Hindernisse wie einen Baum, wenn wir wieder an den irdischen Betrieb denken, sollte so ein Rover umfahren können.

Genau das ist ein weiterer Punkt, der einen Rover so einzigartig macht. Denn viele Fahrzeuge dieser Gattung besitzen nicht nur ein geländetaugliches Fahrgestell und einen kraftvollen Antrieb, sie beinhalten oft auch echte Hochleistungscomputer, die mit verschiedensten optischen Sensoren gefüttert werden und das Gefährt teil- oder sogar vollautonom fahren lassen. Weiß also ein Rover, wo er gerade ist, und hat er die technische Ausrüstung an Board, um seinen Weg selbst zu finden, ist er optimal für seinen Einsatz in allerlei Gebieten gerüstet, sei es auf der Erde oder oben auf einem anderen Planeten.

WO WERDEN ROVER ÜBERALL EINGESETZT?

Wo kommen Rover generell zum Einsatz? Interessant ist, dass sie in mehr Bereichen genutzt werden, als wir denken oder als uns bewusst ist. Einer der populärsten Anwendungsbereiche von Roverfahrzeugen ist sicherlich die sogenannte Space Exploration, also die Erkundung unserer Nachbarplaneten und Monde mit Fahrzeugen, die ferngesteuert oder autonom, Millionen Kilometer von der Erde entfernt spezielle Aufgaben erledigen können. Das ist schon sehr interessant und beeindruckend, wenn man einmal darüber nachdenkt, was so ein Meisterwerk der modernen Technik aushalten muss, bis es am Zielort ist, oder aus wie vielen Einzelteilen ein Rover besteht und wie viele Konstruktionsstunden dahinterstecken.

Speziell bei den Marsroverfahrzeugen der NASA ist eine faszinierende Entwicklung in der Rovertechnik zu erkennen. Wieso ist es vorteilhaft, einen Rover zu nutzen, um unentdeckte Gebiete, Gelände und Landschaften zu erforschen? Um in einem bisher unbekannten Gelände etwas erforschen zu können, wird eine Forschungseinrichtung benötigt, die nicht nur statisch an einem Ort gewisse Messungen und Forschungen durchführen kann, sondern mobil einsetzbar ist und die Forschungsstation zu immer neuen Gebieten bringt. Man könnte meinen, Fluggeräte seien dafür doch viel effektiver.

Das stimmt vielleicht, jedoch war die Technik bislang noch nicht so weit, Forschung auf einem anderen Planeten oder Mond mithilfe eines Fluggeräts so zuverlässig durchzuführen wie mit einem mobilen Rover. Die Entwicklung der Marsrover zeigt deutlich, dass die Rovertechnik immer weiterentwickelt und immer zuverlässiger wurde. Sehr interessant ist der Fortschritt in der Entwicklung der Roverfahrzeuge, die speziell für die Marserkundung gebaut wurden und tatsächlich auf dem Mars zum Einsatz kamen oder immer noch weit weg von der Erde oben auf dem Roten Planeten durch die Landschaft rollen und den Wissenschaftlern stetig neue und faszinierende Bilder und Daten unseres Nachbarplaneten liefern.

Die jüngste Geschichte der Marsroverentwicklung der NASA: vorne links der Rover Sojourner, hinten links einer der beiden baugleichen Rover Spirit und Opportunity und rechts der Rover Curiosity.

Im obigen Bild ist die jüngste Entwicklung des Marsroverprogramms der NASA sehr gut zu sehen. Der kleinere Rover vorne links ist der 1996 gestartete Marsrover Sojourner, dahinter ist einer der beiden Zwillingsrover des MER-Programms zu erkennen. MER steht für Mars Exploration Rover und beinhaltete die beiden baugleichen Marsrover Spirit und Opportunity, die im Jahr 2003 auf den Mars geschossen wurden. Hier ist die Entwicklung recht deutlich zu sehen, denn rechts neben den NASA-Mitarbeitern befindet sich der aktuellste Marsrover Curiosity.

Der Rover Sojourner (Sojourner bedeutet so viel wie »Gast« – zu Gast auf dem Mars) konnte schon einige wissenschaftliche Tests auf der Marsoberfläche durchführen, Gesteinsproben analysieren und die Festigkeit des Marsbodens feststellen. Er war drei Monate auf dem Roten Planeten unterwegs.

MARSROVER SOJOURNER

Der Marsrover Sojourner wurde 1997 mithilfe einer Landekapsel namens Mars Pathfinder auf dem Roten Planeten abgesetzt. Der kleine Rover wog nur 10,6 Kilogramm und erkundete den Mars drei Monate lang.

Auf dem Rover befanden sich circa 0,2 Quadratmeter Solarzellen, die auf dem Mars eine Leistung von 15 W (Watt) erbringen konnten (dort herrscht eine geringere Sonnenenergieeinstrahlung als auf der Erde, da er weiter entfernt von der Sonne ist). Interessant ist auch, dass die Solarzellen nicht zum Laden des Akkus gedacht waren, denn der Rover hatte eine nicht aufladbare Batterie an Bord. Tagsüber konnte er also mit Sonnenenergie betrieben werden, auch wenn die Batterie schon so gut wie leer war.

2003 folgte die sehr umfangreiche MER-Mission (Mars Exploration Rover), die aus gleich zwei Rovern bestand, Spirit und Opportunity. Die Rover sind baugleich und wurden in einem Abstand von nur einem Monat nacheinander auf den Mars geschossen.

Sie landeten in zwei unterschiedlichen Marsregionen und erkundeten, weit über ihre vorgesehene Lebensdauer hinaus, den Mars. Der Rover Opportunity ist tatsächlich schon seit 2004 auf dem Mars und immer noch voll mit wissenschaftlichen Aufgaben beschäftigt.

Eigentlich waren die Rover für lediglich 90 Tage ausgelegt, es war also ein echter Erfolg in der Raumfahrttechnik. Im Gegensatz zum Sojourner Rover wiegen die MER-Rover 185 Kilogramm und besitzen eine Solaranlage, die circa 300 W liefern kann, sowie einen aufladbaren Akku. Die Rover haben auch einiges mehr an wissenschaftlichem Gerät dabei, wie beispielsweise einen geologischer Bohrer.

Im Gegensatz zum 185 Kilogramm schweren MER-Rover wiegt Curiosity stolze 900 Kilogramm, so viel wie ein Kleinwagen. Der Rover landete im August 2012 sehr spektakulär auf der Marsoberfläche. Die Sonde, die den Marsrover auf der Oberfläche absetzte, klinkte wenige Hundert Meter über dem Grund ein sogenanntes Skycrane-System aus, an dem der Rover unten befestigt war. Das mit Raketenantrieb bestückte Landegefährt zündete kurz vor der Oberfläche den Antrieb, ließ den Rover an einer Seilkonstruktion die letzten Meter auf die Marsoberfläche absinken, klinkte den Rover aus (setzte ihn ab) und flog dann auf und davon, bis es in sicherer Entfernung zum Rover aufschlug.

Selfie des Marsrovers Curiosity 2012 auf der Marsoberfläche im Gale-Krater.

Künstlerische Darstellung des Marsrovers Curiosity beim Landemanöver mithilfe des Skycrane.

Interessanterweise trägt der Rover keine Solarzellen. Curiosity besitzt einen Lithium-Ionen-Akku, der tatsächlich nicht über Solarzellen aufgeladen wird, sondern über einen Atomantrieb, genauer gesagt mithilfe einer Radionuklidbatterie. Hier wird tatsächlich der radioaktive Zerfall eines Isotops in elektrische Energie umgewandelt, was dem Rover eine Energie von 2,5 Kilowattstunden pro Tag beschert. Die Energieversorgung sollte mit dieser Technologie für 14 Jahre gesichert sein. Curiosity besitzt weit mehr wissenschaftliche Instrumente und Kameras als seine Vorgänger. Über zehn verschiedene Messinstrumente und Gerätschaften sind an dem Rover verbaut.

Teil- und vollautonome Roverfahrzeuge werden aber nicht nur in der Raumfahrt eingesetzt. Die Technologie der autonom agierenden Fahrzeuge findet sich auch immer öfter in unserem Alltag. Wer hat nicht schon von den autonom fahrenden Autos von Google, Tesla & Co. gehört, die uns in Zukunft einmal das Steuern des Autos abnehmen werden?

Auch kleinere Gefährte, wie der Paketrobotor der Firma Starship Technologies, sind zurzeit in der Erprobungsphase und sollen uns in Zukunft einmal die Pakete bis vor die Haustür liefern.

Was uns die Arbeit im Alltag tatsächlich zunehmend erleichtert, sind autonom fahrende Roboter und Rover. In immer mehr Gärten und Häusern finden sich kleine Roboter, die uns das Leben erleichtern, indem sie uns vollautomatisch den Rasen mähen oder den Fußboden staubsaugen oder sogar wischen.

Viele Roboterfahrzeuge finden sich also schon in unserem Alltag, und es wird wohl immer mehr davon geben. Die Technologie steht gerade erst am Anfang, aber die Zukunft der Rovertechnik wirft schon jetzt ihren Schatten voraus, und wir können uns auf eine faszinierende und erstaunliche Technologie freuen.

ROVERDROHNE

SELBER BAUEN & TUNEN