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GPSL

Andreas Gawron, Robert Tyrakowski

Eine neuartige GPS-Anwendung mit Variometer für Segelflieger und andere.

Mit GPSL wurde ein Gerät entwickelt, das überwiegend für den Segelflieger nützliche Funktionen bietet. Auch wenn die funktionalen Anforderungen aus dem Bereich des Segelfliegens kommen, sind sicherlich einige Eigenschaften des GPSL-Systems auch für den Motorflug von Interesse.
 

Überblick

GPSL ist im Prinzip ein analoges Telemetriesystem, das die Daten eines mitfliegenden GPS-Empfängers und Luftdrucksensors mittels Mikrocontroller verarbeitet und die errechneten Resultate über einen 433MHz-LPD-Sender an den Pilot als akustische Information sendet. Dem Pilot werden über Sprache und Töne vielfältige Informationen über das Flugmodell vermittelt, die mit jedem handelsüblichen LPD-Empfänger aufgenommen werden können.

GPSL bietet dem Pilot folgende Funktionen:

  1. aus GPS-Daten generierte Informationen zur Durchführung eines präzisen Landeanflugs
  2. Variometer und Höhenmesser
  3. Entfernungsansage (Distanz zwischen Flugplatz und Modell)
  4. Spannungsüberwachung des Empfängerakkus im Flug
  5. Positionsangabe (geografische Länge und Breite)
  6. Homing-Funktion (Ansage von Steuerinformationen zum Anfliegen des Flugplatzes)
  7. Unterstützung beim Auffinden verloren gegangener Modelle, z.B. nach einer Außenlandung
  8. Sprachausgabe für obige Funktionen
     

GPSL-Komponenten

Bevor die einzelnen Funktionen genauer erläutert werden, sehen wir uns zunächst die GPSL-
Hardware an.


1 - Das GPSL-System

In der unteren Bildhälfte sieht man die GPS-Empfängerplatine. Die Keramikantenne des GPS-Empfängers zeigt nach unten. Auf der Oberseite der Platine erkennt man das u-Blox-Front End [1], das Herzstück des Empfängers. Oberhalb des GPS-Empfängers befindet sich die Mikrocontroller- und Senderplatine. Rechts auf der Platine befindet sich der LPD-Sender, hier noch ohne aufgeschraubte Antenne. In der Mitte ist die Platine für die Sprachausgabe zu sehen. Links oben (der schwarze Kreis im weißen Rechteck) befindet sich der Drucksensor für das Variometer und den Höhenmesser. Das „Mäuseklavier“ links vom LPD-Sender dient zur Einstellung einer der 69 möglichen LPD-Frequenzen. Die Sprachausgabeplatine ist steckbar ausgeführt, so dass das GPSL-System auch ohne Sprachausgabe verwendet werden kann. Unterhalb der Sprachausgabeplatine (hier nicht sichtbar) befindet sich der Mikrocontroller, unser auf einem ARM7-Core basierender „Rechenknecht“. Alle Anschlüsse zum RC- und GPS-Empfänger werden über einen zentralen Stecker geführt.

Für die Entwicklung der Platinen wurde ein professionelles CAD-System verwendet. Die doppelseitigen Platinen sind durchkontaktiert und mit Lötstoplack versehen. Zum Größenvergleich wurden die Platinen im Bild 1 bis 5 auf ein kariertes Papier mit 5 mm Raster gelegt.


2 - GPS-Empfänger Platine oben...

 

3 - ...und unten
 

4 - Sprachausgabe Platine oben...

5 - ...und unten

Weitere Details über den Aufbau und die verwendeten Komponenten, sowie eine umfangreiche Darstellung zur Landefunktion findet man in unserem Artikel (AUFWIND, Ausgabe 3/2008) „GPSL – Die GPS-unterstütze Landung“. Der Artikel kann mit freundlicher Genehmigung der AUFWIND-Redaktion als pdf-Datei auf der Homepage von Robert Tyrakowski [2] eingesehen werden.
 

Bedienung der GPSL-Funktionen über einen Servokanal

GPSL wird an einen Servoausgang des RC-Empfängers angeschlossen und bezieht von diesem seine Betriebsspannung. Die GPSL-Funktionen werden über drei Schaltzustände (3-Stufen Schalter am RC-Sender) gesteuert. Technisch gesehen wird natürlich die Impulslänge des benutzen Servokanals ausgewertet. Im „oberen“ Schaltzustand ist die GPSL-Landefunktion aktiviert. Weil wir beim Segelfliegen auch mal das GPSL-System ausschalten möchten, schließlich wollen wir ja auch mal in aller Ruhe das Segelfliegen genießen, wird der „obere“ Schaltzustand wechselweise zum Ausschalten aller GPSL-Funktionen oder zur Aktivierung der GPSL-Landefunktion eingesetzt.
Also jede zweite Schalterstellung „oben“ schaltet GPSL komplett aus (Stromsparmodus), jede Schalterstellung dazwischen schaltet die Landefunktion ein.

Im „mittleren“ Schaltzustand wird das Variometer aktiviert und der „untere“ Schaltzustand dient zum Einschalten des „Info-Kanals“.
 

GPSL – Funktionen

GPS Landefunktion

Die Funktion zur GPS unterstützen Landung eines Flugmodells ist völlig neuartig im Bereich der Modellelektronik. Auf welche Weise unterstützt uns nun diese Funktion beim Landen ?

Wir möchten möglichst mittig auf einer Landebahn landen. Das kann z. B. erforderlich sein, wenn man in einem „schwierigen“ Gelände, wie z. B. einem Hang oder auf einem nicht ganz so breiten Flugfeld, landen muss oder wenn man eine Stelle ohne Steine für die Landung nutzen möchte. Wir wollen also möglichst genau auf einer vorher festgelegten Linie landen. Dazu nehmen wir zunächst zwei Punkte der gewünschten Landelinie mit dem GPS-Empfänger unseres GPSL-Systems auf.


6 - Illustration der Landefunktion

Die Speicherung der beiden Punkte LP1 und LP2 erfolgt mit einem Druck auf einen Mikrotaster, der sich auf der Mikrocontrollerplatine befindet oder für den Fall, dass er im Modell nicht zugänglich sein sollte, extern angebracht werden kann. In Bild 1 ist dieser Taster links neben dem LPD-Sender oberhalb der Schalter zur Auswahl des LPS-Kanals zu erkennen.  

GPSL berechnet unter Verwendung dieser beiden Punkte eine Landelinie, auf der idealerweise unser Landeanflug erfolgen sollte. In einem Abstands von 30 m rechts oder links von der Landelinie wird dem Pilot der Abstand des Modells zu der Linie akustisch durch Töne gemeldet. Je näher das Modell an diese Linie kommt, um so tiefer wird der Ton. Befindet sich das Modell in seinem Einflugkorridor weniger als 2 m rechts oder links von der Landelinie ist Ruhe, d. h. es ist kein Ton zu hören. Dann ist die Flugrichtung beim Landeanflug korrekt. Ist das Modell in Flugrichtung gesehen links von der Landelinie, vernimmt der Pilot einen Dauerton. Wird der Dauerton von kurzen Pausen unterbrochen, befindet sich das Modell rechts von der Landelinie. Der GPS-Empfänger ermittelt 4 mal pro Sekunde die Position, so dass dem Piloten alle 250 Millisekunden die Abstandsinformation gemeldet wird. In Bild 6 werden zum besseren Verständnis des Prinzips der Abstandsignalisierung die geometrischen Verhältnisse nochmals dargestellt. 
 
Fliegt das Modell in einem Bereich außerhalb von 30 m zur Landelinie, wird dem Pilot per Sprachausgabe die aktuelle Entfernung des Modells zur Landebahn sowie die Flughöhe angesagt. Die Entfernung ist dabei die Entfernung über Grund, also nicht die Länge der Sichtlinie. Mit diesen Angaben ist es möglich, den Landeanflug präzise einzuleiten. Diese Angaben sind ebenfalls nützlich zur Vermeidung von Kollisionen, z. B. mit Hochspannungsleitungen.

Variometer

Das Variometer wird mit der „mittleren“ Schalterstellung aktiviert. Die Empfindlichkeit und das Signalisieren von Steigen oder Sinken durch Töne ist mit anderen Variometern für Flugmodelle vergleichbar.

Infokanal

Im „unteren“ Schaltzustand wird der „Info-Kanal“ aktiv. Die Informationen, die in dieser Betriebsart gesendet werden, sind gestaffelt und hängen von verschiedenen Kriterien ab.

Nach der Anwahl des Infokanals wird zunächst die Flughöhe in Metern per Sprachausgabe angesagt, gefolgt von der aktuellen Spannung des Empfängerakkus. Je nachdem ob sich das Modell am Boden befindet oder fliegt, erfolgen dann automatisch weitere Angaben.

Befindet sich das Modell quasi in Bodennähe oder direkt am Boden (Kriterium: Flughöhe ist kleiner als 50 m) wird die Richtung zum Modell als Gradangabe relativ zur Nordrichtung sowie die Entfernung angesagt. Dann folgt die Modellposition mit Längen- und Breitengradangabe. Der Informationsblock findet seinen Abschluss mit der Angabe der Bordspannung. Diese Angaben, also der gesamte Informationsblock wird bzw. werden kontinuierlich wiederholt.

Man kann die Funktion zum Wiederfinden des Modells nutzen, wenn eine Außenlandung notwendig wurde, weil man z. B. am Hang „abgesoffen“ ist oder das Modell in einem Mais- oder Getreidefeld gelandet werden musste. Mit dieser Funktion ist es nicht schwierig, sein Modell zu finden.

Bewegt sich das Modell dagegen in der Luft (Kriterium: Flughöhe größer 50 m), wird automatisch die „Homing Funktion“ aktiviert. GPSL liefert dann Informationen die helfen, das Modell wieder zum Flugplatz zurück zu steuern. Diese Informationen sind hilfreich, wenn sich das Modell z. B. in sehr großer Höhe befindet, so dass man die Flugsituation nicht mehr gut erkennen kann oder es schlimmstenfalls aus unserem Sichtbereich entschwunden ist. Zum Zurückholen wird die Richtung (links oder rechts) und die Gradangabe angesagt, die man steuern muss, um den Flugplatz anzufliegen. Außerdem wird die Richtung in der sich das Modell befindet relativ zur Nordrichtung (also die Richtung in die man nach dem Modell schauen muss) angesagt, die Entfernung zum Flugplatz sowie die Flughöhe. Diese Daten werden per Sprachausgabe als Sequenz wiederholt.
 

Unterspannungswarnung

Wenn die Bordspannung auf einen kritischen Wert sinkt, wird in allen GPSL-Betriebsarten per Sprachausgabe eine Unterspannungswarnung ausgegeben. Wird GPSL ohne Sprachmodul verwendet, wird die Unterspannungssituation durch eine Tonfolge signalisiert.
 

Stromspar-Modus

Bei der Entwicklung von GPSL wurde besonders auf einen geringen Stromverbrauch geachtet. Sobald es möglich ist, begeben sich der Prozessor, der GPS-Receiver und alle sonstige Elektronik in eine Art „Tiefschlaf“, aus dem dann, je nach gewünschter Funktion, die benötigten Komponenten automatisch aufgeweckt werden. Damit ist sichergestellt, dass bei langen Thermikflügen GPSL so stromsparend wie möglich arbeitet, so dass bei der Landung noch ausreichend Strom für die GPSL-Landefunktion zur Verfügung steht.

Der Stromverbrauch des GPSL-Systems ist in Abhängigkeit von den Betriebszuständen in Bild 7 dargestellt. Man erkennt, dass bei aktivem Controller, LPD-Sender und GPS-Empfänger im Schnitt ca. 135 mA verbraucht werden. Ist nur der Controller und der GPS-Empfänger aktiv, sind es nur noch 80 mA. Befindet sind das gesamte GPSL im Stromsparmodus, sind es gar nur 3 mA! Alle 10 Sekunden wird der GPS-Empfänger zur Positionsbestimmung für ca. 3 Sekunden aktiviert. Während dieser Zeit werden ca. 40 mA verbraucht. Aus diesen Werten erkennt man, dass während eines durchschnittlichen Flugbetriebs die zusätzliche Belastung des Empfängerakkus durch GPSL sehr gering ist.


7 - Stromverbrauch von GPSL in verschiedenen Betriebszuständen
 

Einbau von GPSL in Segelflugzeuge

Während der Erprobungsphase wurde GPSL in verschiedene Modelle eingebaut. Wir sind zu dem Resultat gekommen, dass die Abmessungen von 100 mm x 45 mm für das Prozessor/Sendermodul und 32 mm x 34 mm für das GPS-Modul geeignet sind, um das System in nahezu alle Modelle einbauen zu können. Die gewählten Abmessungen stellen einen guten Kompromiss dar zwischen den Platzverhältnissen in Modellrümpfen und den Platzanforderungen für die von uns eingesetzten doppelseitig bestückten GPSL-Platinen.


8 - SHK von Aeronaut mit 4 Metern Spannweite


9 - GPSL Einbau in die Aeronaut SHK
 

Erfahrungen

Das Fliegen mit GPSL macht uns sehr viel Spaß. Die präzisen Landeanflüge sind jedes Mal eine wahre Freunde! Die Entfernungsangabe, die die Landefunktion vor dem Einfliegen in den Landekorridor bietet, wirkt beruhigend, da wir stets den Abstand zu Hindernissen wie z. B. Hochspannungsleitungen kennen.
Die Vorteile des Segelfliegens mit Variometer und Angabe der Flughöhe sind allseits bekannt.
Die Kenntnis der Bordspannung erhöht bei längeren Flügen in der Thermik oder am Hang die Betriebssicherheit der RC-Anlage erheblich.

Wir haben bei der Entwicklung von GPSL stets darauf geachtet, die von GPSL ermittelten Informationen auf ein vernünftiges Maß zu reduzieren, aber trotzdem dem Piloten alles Wesentliche mitzuteilen. Die Erfahrungen beim Flugeinsatz haben gezeigt, dass wir unser Ziel erreicht haben.

Nach einer 6 Monate andauernde Testphase kommt für uns jedenfalls nur noch Segelfliegen mit GPSL in Frage.
 

Aussichten und GPSL Homepage

Das GPSL-Hardwarekonzept bietet noch sehr viele Erweiterungsmöglichkeiten. Der freie Speicherplatz ermöglicht beispielsweise die Implementierung eines Datenloggers. Mit zusätzlichen Sensoren und den auf der GPSL-Platine vorhandenen Schnittstellen ist die Erfassung von Leistungsdaten des Modells wie Gleitzahl, Fluggeschwindigkeit und Sinkrate realisierbar. Auch ist es leicht möglich, GPSL um eine Navigationsfunktion zu erweitern, um beispielsweise Dreiecksflüge durchzuführen.

Bewusst haben wir jedoch auf die Implementierung dieser Funktionen zunächst verzichtet. Bei Bedarf werden wir die eine oder andere Erweiterung vorsehen. Ideen gibt es genügend.

Auf unserer Homepage [3] findet man, neben vielen anderen interessanten Bauprojekten, detaillierte Informationen zu GPS allgemein, zur Theorie der GPSL-Landefunktion, eine detaillierte Bedienungsanleitung, Tipps zum Betrieb von GPSL sowie Informationen über den aktuellen Entwicklungsstand unseres Projekts.

Die Autoren freuen sich über Kommentare und Anregungen zu GPSL und diskutieren auch gerne in einem Thread im RC-Network-Forum. Auch eMails sind willkommen: gpsl@arcor.de

 

[1] u-blox GPS-Empfänger  www.u-blox.com
[2] Aufwind Artikel   http://www.qsl.net/dk7nt/gpsl/download/gpsl_aufwind_artikel.pdf
[3] GPSL homepage  http://www.qsl.net/dk7nt/

 

Stand: 12.07.2008