Das Wettringer Modellbauforum

Ein ganz herzliches Willkommen zur neuesten geistigen Umnachtung,

dieser Thread wendet sich vor allem an Jene, denen Dschungelcamp und Jerry Springer Show noch nicht ekelig genug sind.
Jawoll! Hier wird's so richtig pervers...

Aber fangen wir mal ganz brav an:

Viele Schiffe verfügen über zwei oder drei Antriebe. Nun träumt jeder Modellbauer davon, diese sinnvoll einzeln zu steuern.
In der Realität jedoch beschränkt es sich am Ende fast immer auf einen identischen Betrieb der Motoren, bestenfalls auf eine manuelle Regelung entsprechend Panzersteuerung mit entsprechender Fingerakrobatik.
Wäre es nicht wunderbar in einfachster Weise empirisch die Hebelchen auf dem Fernsteuersender zu bewegen und das Modell macht genu das, was man sich wünscht?

Der Traum von einer solchen Motorsteuerung für zwei oder drei Antriebe besteht bei mir schon länger. Mit dem Bau der kleinen Hermann Marwede wurde er noch dringlicher:

Da aber noch weitere ähnlich geartete Modelle anstehen (Sunseeker, Miami Vice Powerboat etc.) und ich mit großem Interesse Stefan's Bericht zum Schnellboot verfolge, hab ich mal mit der Realisierung begonnen.
Dieses ist nicht etwa nur ein Erzähl-mich-Thread - vielmehr wünsche ich mir, dass Ihr mit eigenen Vorschlägen und Ideen kommt. Noch ist reichlich Freiheit da diese mit einfließen zu lassen.

Modellanwendungen:

Das Projekt konzentriert sich auf folgende 2 typischen Antriebsarchitekturen:

Links haben wir die Variante mit 2 Antrieben, die zumeist auf gegenläufige Propeller wirken. Rechts gibt es zusätzlich einen Mittelantrieb.
Der Motor Mixer wird gestatten beide Varianten zu betreiben.
Insbesondere bei Mikromodellen kann optional auf eine Anenkung der Ruderanlage verzichtet werden.

Zur Info:
Modelle mit Einzelantrieben werden am einfachsten und sinnvollsten klassisch mit 1 Servo für das Ruder und einem Fahrtregler für den Antriebsmotor betrieben.
Die äußerst seltenen Modelle mit 4 Antrieben ließen sich über den Motor Mixer so ansteuern, dass jeweils die zwei Backbord- und Steuerbordmotoren gemeinsam betrieben werden.

Fernbedienung:

Auch hier gibt es zwei typische Varianten. Zunächst die ganz einfache:

Bei einer nur noch selten vorkommenden Low-Cost 2-Kanal-Anlage steuert man über den Vor-/Zurück-Hebel die Fahrt des Modells und über den Rechts-/Links-Hebel die Richtung nach Steuerbord/Backbord. Alles Weitere übernimmt der Motor Mixer.

Die luxuriösere Variante schaut so aus, dass man die Bedienung auf 2 Kreuzknüppel aufteilt:

Auf dem ersten Kreuzknüppel (z. B. dem rechten) liegt die konventionelle Bedienung. Eine Bewegung rechts/links steuert konventionell über ein Servo die Ruderanlage. Eine Bewegung vor/zurück regelt den Schub des Mittelantriebs.
Der zweite (z. B. linke Kreuzknüppel) kann dann als Aktivlenkung und Booster verstanden werden. Er steuert den Schub der äußeren Motoren, gegebenenfalls über eine Differenzdrehzahl, die durch eine Rechts-/Links-Bewegung bedient wird.

Anschluss des Motor Mixers:

Der Anschluss des Motor Mixers im Modell gestaltet sich völlig simpel. Mit 2 Kabeln wird er an die passenden Kanal-Steckbuchsen des Empfängers gestöpselt. An der anderen Seite werden wahlweise zwei oder drei Fahrtregler angesteckt.
Die Spannungsversorgung geschieht über den Empfänger, benötigt also keinen extra Anschluss.
Eine Steckbrücke gestattet die Kalibrierung des Sender-Kreuzknüppels, damit das Modul an allen Sendertypen optimal justiert ist.

Na - das war doch alles noch gar nicht so schlimm. Ab dem nächsten Teil wird es dann aber sukzessive fieser...

Bis dahin,
Johannes

Jetzt geht's so langsam los - bitte festhalten und Luken schließen:

Architektur:

Werfen wir mal einen Blick auf die Architektur. Ein großes Wort für all das, was schlussendlich per Software in einem winzigen Microcontroller steckt:

Das Allermeiste (grün) ist sicher im Griff, verfügbar und getestet aus diversen früheren Projekten. Hier steckt zwar auch schon ne Menge Hirnschmalz drin, ist aber nicht Gegenstand des Threads.
Stattdessen interessiert uns die rote Box in der Mitte. Wie ehemals bei Dalli Dalli die brennende Frage: Was steckt hinter dem Fragezeichen?

Übertragungsfunktion:

Stellt Euch mal ganz einfach vor:
Wir haben 3 Motoren, die jeweils zwischen +100% (volle Kanne vorwärts) und -100% (volles Rohr rückwärts) angesteuert werden.
Dazu haben wir 2 Knüppelbewegungen Rechts/Links und Vor/Zurück, beide ebenfalls im Bereich [-100%..+100%].
Tja - und wie verknüpfen wir diese beiden Seiten jetzt?

Mathematisch formuliert heißt so etwas "Transfer-Funktion". Man kann es in etwa so hinschreiben:

Tatsächlich sprechen wir von 3 einzelnen Funktionen, getrennt für jeden Motor. Die simple Fragestellung:
Was macht der jeweilige Motor wann in welcher Stellung des Kreuzknüppels?
Genau hierfür brauch ich Eure Ideen. Das ganze dann in Code umzusetzen ist kein Thema für mich. Doch was macht den meisten Sinn?

Schlüsselmomente:

Stellen wir uns einfach mal die typischen extremen Stellungen eines Steuerknüppels vor und überlegen uns, was dann passieren soll:

1. Knüppel in Mittelstellung - logo: alle Motoren aus
   
2. Knüppel ganz nach vorne - auch klar: alle Motoren volle Kraft voraus
   
3. Knüppel ganz nach hinten - schon schwieriger: sagen wir mal Mittelmotor voll zurück, Außenmotoren halbe Kraft zurück
   
4. Knüppel ganz nach links - jetzt wird's tricky: mein Wunsch - Drehen des Bootes nach Backbord auf der Stelle, Geschwindigkeit des Drehens entsprechend Knüppelausschlag
   bedeutet: Mittelmotor steht, Steuerbordmotor voraus, Backbordmotor zurück - zur Sicherheit mal auf 50% Motorleistung begrenzt
   
5. Knüppel ganz nach rechts - wie zuvor, nur spiegelverkehrt
   
   
   
   
   
   
6. Knüppel links vorne: Boot fährt schnellstmöglich vorwärts und dreht dabei nach Backbord - also: Mittelmotor voll, Steuerbordmotor voll voraus, Backbordmotor aus
   
7. Knüppel rechts vorne: wie gehabt, nur spiegelverkehrt
   
8. Knüppel links hinten: Boot fährt rückwärts und dreht dabei nach Backbord - Mittelmotor voll zurück,Steuerbordmotor zurück, Backbordmotor vor
   
9. Knüppel rechts hinten: Spiegelbildlich zu links hinten

Umsetzung:
Aus allen vorhergehenden Erkenntnissen ergibt sich nun die Aufgabe die grob beschriebene Funktionsweise irgendwie so zu beschreiben, dass sie sich in Software abbilden lässt. Hierbei müssen zudem alle Zwischenpositionen des Steuerknüppels mit definiert werden.
Wie kann man das erreichen?
Als einfachste Lösung böte sich eine lineare Gleichung an, bzw. derer 3 (für jeden Motor eine). Dabei ist der Motor-Steuerwert [-100%..+100%] eine lineare Funktion von zwei Variablen, nämlich den beiden Knüppelpositionen.
Da man damit nicht allzu weit kommt, gibt es als nächstes die Möglichkeit Polynom-Gleichungen einzusetzen. Schrecklich kompliziert in Software zu verpacken. Lassen wir also.
Dritte Option ist die Nutzung von Kennfeldern - und genau hierin hab ich mich verknallt.

Doch dazu im nächsten Teil...

Bis dahin,
Johannes

Nun ist Schluss mit lustig - ab jetzt wird es ernst!

Jeder nutz es mannigfach, tagein, tagaus. Jeder profitiert davon. Doch kaum einer kennt es.
Nein - ich spreche nicht von Loriot's Laus, die Rede ist vom Kennfeld.
Jeder moderne Automotor wird über zahlreiche Kennfelder geregelt, primär für Zündung und Einspritzung. Selbst Klimaanlagen kommen ohne Kennfelder kaum noch aus.
Und worfür ist das gut?

Prinzip eines Kennfeldes:

Stellt Euch vor Ihr wandert auf einer geraden Linie exakt von Norden nach Süden durch die Alpen. Nach jedem Kilometer schlagt Ihr einen Pflock in den Boden - das nennt man dann eine Stützstelle. An diesem Pflock befestigt Ihr einen Zettel, auf dem Ihr die Höhe notiert,
Nun wiederholt Ihr das Spiel exakt einen Kilometer weiter westlich. Das Ganze dann am besten noch eni paar mal...
Wieder zuhause angekommen schnappt Ihr Euch eine EXCEL-Tabelle und tragt die ganzen Werte ein.
Nun noch kurz ein paar Knöpfchen drücken und Ihr habt ein Kennfeld. Dieses entält den Parameter <Höhe> über Breiten- und Längengrad.

Wir machen nichs anderes. Bei uns sind halt die zwei Achsen die Rechts/Links- und die Vor/Zurück-Stellung des Steuerknüppels. Deswegen haben wir auch die einfachste Form, nämlich ein zweidimensionales Kennfeld.
Als Parameter kommt die Motorleistung heraus. Negative Werte bedeuten Rückwärtsbetrieb. Unser Kennfeld hat übrigens 21 x 21 Stützstellen, zusammen somit 441.
Von diesem Kennfeld brauchen wir nun noch zwei Geschwister für die beiden anderen Motoren.

Kennfeld für einen Fernsteuerknüppel:

Um das Prozedere noch klarer zu machen, sind im obigen Bild mal beide Achsen und ein paar markante Punkte eingetragen. Die Punkte kennzeichnen die Steuerknüppelstellungen aus dem Bild im vorangegangenen Posting.
Ich denke das ist selbsterklärend.

Erstellung eines einfachen Kennfeldes:

Dank Billy Boy verfügt nahezu jeder über so ein komisches Windows. Teil des Paketes ist die Tabellenkalkulation EXCEL, die ein paar nette Gimmicks liefert.
Wir tragen einfach in einen Bereich (Array) von 21 x 21 Feldern unsere gewünschten Werte für die Motorleistung ein.
Da das aber viel zu viel Arbeit wäre und Faulheit Trumpf ist, machen wir es uns einfacher. Stattdessen tragen wir lediglich ein paar charakteristische Punkte ein. Gegenwärtig sind das genau 9 Stück. Alle Zwischenpunkte berechnen wir automatisch per linearer Interpolation.
Durch dieses Vorgehen kann man sehr einfach das Kennfeld als Ganzes verändern. Die Variation nur eines Wertes zieht sofort die Anpassung aller übrigen Werte nach sich. Die abgeleitete Grafik wird selbstständig angeppasst.

Kennfeld Mittelmotor:

Beginnen wir mit dem einfachsten Kennfeld, dem für den mittleren Antrieb. Im Grunde genommen ist dies gegenwärtig nur eine Linearfunktion der Knüppelstellung Vor/Zurück. Die seitliche Knüppelbewegung hat keinen Einfluss.
Wie zu erwarten ergibt sich maximale positive Motorleistung (+100%) bei <voll vorwärts> und maximale negative Motorleistung (-100%) bei <voll rückwärts>.

Die passenden Daten dazu:

Kennfeld Backbord-Motor:

Hier wird es etwas komplizierter. Statt viel zu schreiben der Vorschlag einfach mal in die Grafik und die Tabelle zu schauen.

Auch hier noch die zugehörigen Daten:

Kennfeld Steuerbord-Motor:

Das Kennfeld für den Steuerbord-Motor ist gegenwärtig exakt spiegelbildlich zu dem Beckbord-Kennfeld.

Kein Kennfeld ohne Daten:

Resultierender Vorschub:

Geht man nun hin und addiert für jede Stützstelle die Motorleistung aller 3 Motoren, so erhält man die gesamte Leistung. Ist diese positiv, so sollte sich das Boot insgesamt vorwärts bewegen. Ist sie negativ, dann bewegt sich logischerweise das Modell rückwärts.
Ist der Vorschub jedoch Null, so heißt das noch lange nicht, dass nichts passiert. Es kann nun nämlich sein, dass sich das Boot auf der Stelle dreht.

Die aktuelle Gesamtpower-Grafik für den Fall von 3 Motoren schaut gegenwärtig so aus:

Im Einsatz mit nur 2 Motoren ergibt sich dieser Fall:

Resultierende Bootsdrehung:

Wenn ich mit dem Getippsel hier fertig bin, dann ergänze ich mal eine weitere Berechnung für den resultierenden Drehvektor. Damit sieht man dann direkt, was mit dem Modell passiert.

Zusatzinfo:

In professionellen Applikationen geht man hin und berechnet alle fehlenden Werte zwischen den definierten Stützstellen im einfachsten Fall über lineare Interpolation. Heißt nichts anderes, als das man eine Richtlatte über die einzelnen Pfosten legt.
Es steht einem aber auch frei über Polygon-Berechnungen beliebig genauer zu rechnen. Dieses Verfahren wird übrigens bei komplexen Design-Tools zur Berechnung von Freiform-Oberflächen angewandt.
Bei der vorliegenden Echtzeitanwendung und der Nutzung eines 1-Euro-Microcontrollers ist das alles aber Schmarrn. Hier genügt die einfache Übernahme des Wertes jeder Stützstelle für den umliegenden Nachbarbereich.

Hausaufgabe:

Nun meine Bitte an Euch:
Wenn Euch noch nicht vollends übel ist, so würde ich mich sehr über Mitdenken freuen. Insbesondere Vorschläge, wie man das Fahrverhalten des Modells am besten gestalten könnte.

Weiteres Vorgehen:

Ich werde jetzt in Bälde mal eine kleine Schaltung zusammenlöten. Das müsste in einer Stunde zu machen sein.
Dann geht es an die Software-Implementierung. Realistisch kann auch das in 2 Wochen fertig sein.
Der eigentliche Knackpunkt ist die Befüllung der 3 Kennfelder mit Steuerwerten.

Ich hoffe das dies hier nicht völlig auf Unverständnis stößt und sich zumindest der eine oder andere durchquält.
Demnächst gibts dann sicherlich weitere News zum Thema Motor Mixer.

Macht's gut,
Johannes

Hallo zusammen und herzlichen Danke für Eure Rückmeldungen!

@Frank:
Logo - der Rückwärtsschub sollte gegenüber dem maximalen Vorwärtsschub begrenzt sein. Immerhin hat man schon reichlich RC-Schiffe mit U-Boot-Allüren bei Rückwärtsfahrt gesehen.
In dem ersten Muster-Kennfeldsatz liege ich bei maximal 2/3 Rückwärtsschub. Das ist aber mit einem Tastenklick zu reduzieren.
Ich hab mal grob überschlagen:
Die 3 benötigten Kennfelder erfordern knapp 1 KB Speicherplatz. Der Chip, der mir vorschwebt, bietet 8 KB Memory. Mit 3 wählbaren Kennfeldern verbleiben da noch 4,5 KB fürs Programm - das müsste locker reichen.

@Garsvik:
Was Du da beschreibst (übrigens ein kleiner mechanischer Geniestreich), ist ziemlich genau das, was ich von der Grundphilosophie in den Kennfeldern versucht habe abzubilden.
Die wesentliche Ergänzung ist die Möglichkeit bei Knüppel nur links/rechts (Gasstellung in Null) mit unterschiedlichem Speed das Boot auf der Stelle drehen zu lassen.
Aber im Grunde genommen ist dies auch bei der mechanischen Version gegeben.
Ich muss noch mal genauer hirnen. Evtl. lässt sich das Ganze ja Dank Deiner Idee einfacher umsetzen.

@Stef:
Bei allen "echten" mir bekannten Schiffen gibt es ähnlich Flugzeugen für jeden Antrieb einen fetten Hebel, den man vor oder zurück schiebt. Bei solch großen, trägen Pötten auch gut zu bedienen.
Modelle sind halt doch viel dynamischer - und wer hat schon 3 Joysticks auf dem Sender verfügbar?
Wieviele Kanäle man möglicherweise spart hängt davon ab, wie man es sonst lösen würde.
Eine einfache Panzersteuerung hat auch nur 2 Kanäle (Backbord vor/zurück und Steuerbors vor/zurück). Da spart man also nichts.
Und bei dem Wunsch nach separat steuerbarem Hauptantrieb mit konventionellem Ruder bleibt es sich auch gleich - in beiden Fällen 4 Kanäle.

Gruß,
Johannes

P.S.: Heut hab ich mir die benötigten Chips bestellt. Damit geht es bald an die erste Umsetzung...

Hi Frank,

das Einbeziehen der Ruder, optional auch einzeln angesteuert beispielsweise zur Erzielung von Lürssen-Effekt, ist überhaupt kein Thema, wenn die Lösung erst einmal steht.
Es sind schlichtweg ein / zwei zusätzliche Kennfelder, sozusagen Copy/paste.

Im ersten Schritt bleibt es erstmal nur bei der Motorenansteuerung, um die Lösung prinzipiell fertig zu bekommen.
Der Hauptgrund ist aber ein ganz banaler: Für die Ansteuerung von 3 Motoren mit 2 Empfängersignalen brauche ich 5 Pins, dazu noch einer um die Kalibrierung zu aktivieren und 2 für die Spannungssversorgung. Macht zusammen 8. Damit kann ich den kleinsten Microcontroller nutzen. Mit zusätzlichen Pins für die Ruder bin ich gezwungen auf den nächst größeren umzusteigen, der hat dann 14 Pins.

In Sachen Schlepper-Antrieb halte ich den Ansatz der Motor-Kennfeldregelung für unbefriedigend. Ein wirklich gutes Schleppermodell braucht voll drehbare Schottelpropeller oder besser noch zwei Voith-Schneider.
Für beides hat Herbert Eichhorn aus Nürnberg absolut traumhafte Lösungen erarbeitet. Drehbankkunst vom Allerfeinsten. Damit kann er 2 Voith-Schneider bis hinab zu Rumpflängen von 30 cm realisieren.

Gruß,
Johannes

Hallo Axel,

ein herzliches Willkommen hier im Forum und viel Freude beim zukünftigen Mitfachsimpeln!

Du verstehst es schon richtig: das konventionelle mechanische Ruder wird um die aktive Ruderwirkung, basierend auf der Differenzdrehzahl der äußeren Antriebe, ergänzt.

Prinzipiell kann man verschiedene Einsatzsituationen bei Modellschiffen unterscheiden:
a) Mittlere bis schnelle Fahrt voraus => das mechanische Ruder funktioniert prima
b) Langsame Fahrt voraus => das mechanische Ruder funktioniert mäßig (geringe Anströmung der Ruderfläche)
c) Langsame Fahrt zurück => das mechanische Ruder funktioniert mäßig (keine direkte Antriebs-Anströmung der Ruderfläche)
d) Stillstand => das mechanische Ruder funktioniert gar nicht

Soll heißen: in den meisten Betriebszuständen bei Modellschiffen hat man keine wirklich beglückende Ruderwirkung.
Deswegen der Ansatz mit einer ergänzenden Aktivlenkung. Das Ganze hab ich bei der kleinen Hermann Marwede mit 3 Schrauben-Antrieb implementiert. Allerdings noch nicht mit Kennfeldern, sondern mit einer linearen Verknüpfung aus Ruder- und Fahrtbefehl. Siehe: Ein flinkes Hermänn'sche: Hermann Marwede in 1/200 mit RC

Im Grunde genommen ist das Resultat völlig simpel und ergonomisch. Man steuert mit einem RC-Knüppel intuitiv. Die beiden Steuerknüppelausschläge entsprechen den Kommandos "Fahrt vor/zurück" und "Drehung nach Steuerbord/Backbord". Die Elektronik übersetzt das dann je nach Betriebszustand in Motorkommandos sowie Ruderservo-Impuls.

Gruß,
Johannes