Bau eines selbstständigen Hovercrafts - Landrat-Lucas Gymnasium

Bau eines selbstständigen
Hovercafts
Von
Benjamin,
Patrick
und Robin
1

Gliederung Seite
1. Einleitung 3
2. Bau des Hovercrafts 4
2.1 Theoretische Betrachtungen 4
2.2 Schlussfolgerungen aus den 6
theoretischen Betrachtungen
2.3 Beschaffung der Baumaterialien 7
2.4 Konstruktion 9
3. Programmierung und Optimierung der Steuerung 12
3.1 Grundentwurf der ersten LOGO!-Schaltung 13
3.2 Vereinfachungen mit Hilfe der booleschen Algebra 14
4. Zusammenfassung und Ausblick 14
2

1. Einleitung
Im Zuge unserer Projektarbeit im Technikunterricht der Stufe 13, haben wir uns
dazu entschieden ein „selbstständiges“ Hovercraft zu bauen. Es soll sich ohne
fremde Eingriffe auf eine Lichtquelle zubewegen und dann in einem
unbeschränkten Zeitraum in deren Nähe weiterfahren. Dazu ist eine
automatisierte Steuerung notwendig, die wir mit „Siemens LOGO!“ realisieren
werden.
Wir stehen bei unserer Projektarbeit also zwei großen Herausforderungen
gegenüber: Zunächst muss ein möglichst einfaches und robustes Hovercraft
gebaut werden, welches aufgrund unserer beschränkten finanziellen Mittel
möglichst nur aus einfach und kostengünstig zu beschaffenden Materialien
bestehen soll.
Die nächste große Herausforderung ist die Programmierung der Steuerung mit
„Siemens LOGO!“. Diese ist nicht einfach zu realisieren, da das Hovercraft
nahezu reibungsfrei über den Boden gleitet und deshalb auch beim Abstellen
des Antriebs – nicht jedoch des Luftkissengebläses – gemäß dem
Trägheitsprinzip in die vorherige Bewegungsrichtung weiterfährt. Die
Geschwindigkeit automatisch zu messen und damit die Steuerung zu
vereinfachen, ist für uns keine Option, da ein dafür notwendiger Sensor
unseren finanziellen Rahmen sprengen würde.
Unser vorrangiges Ziel ist es, ein funktionierendes Hovercraft zu bauen, dessen
Antrieb über „Siemens LOGO!“ angesteuert werden kann. Dadurch hätten wir
eine Basis für weitere Tests, mit denen die Steuerung stetig optimiert werden
könnte.
3

2.Bau des Hovercrafts
2.1 Theoretische Betrachtungen
Ein Hovercraft ist ein Fahrzeug, das
auf einem durch Überdruck
erzeugten Luftkissen schwebt.
Dieses Grundkonzept ist im
Vergleich zu beispielsweise einem
Fahrzeug mit Rädern relativ
komplex, weshalb einige
theoretische Überlegungen zur
Auslegung unseres Fahrzeugs
gemacht werden müssen.
Bedeutung der folgenden physikalischen Größen:
A: Grundfläche
U: Umfang der Grundfläche
m: Masse des Hovercrafts
g: Erdbeschleunigung (9,81 m/s²)
v: Einströmgeschwindigkeit der Luft
v‘: Ausströmgeschwindigkeit der Luft
s: Abstand von Hovercraft und Boden
p: Umgebungsdruck (1,013×10 5 N/m²)
ρ: Luftdichte der Umgebung (1,204 kg/m³, proportional zu p)
p‘: Druck im Luftkissen
ρ‘: Luftdichte im Luftkissen
4

Zunächst soll das Luftkissen schweben. Es muss also ein Kräftegleichgewicht
zwischen der Erdanziehung und dem „Auftrieb“ herrschen. So lässt sich der
nötige Druck im Luftkissen (p‘) berechnen:
∗ = − ∗ , daraus folgt:
= ∗
+
Als nächstes ist die notwendige Ausströmgeschwindigkeit der Luft zu
bestimmen. Dies geschieht mit Hilfe der Bernoulli-Gleichung. Eine
umfangreiche Betrachtung mit Hilfe der Strömungslehre ist aufgrund der
Trivialität unseres Falls nicht notwendig.
+
= + , wobei = 0 ≈
Es folgt: =
∗ −
Nachdem p‘ und v‘ nun bekannt sind, muss nur noch der notwendige
Luftmassenstrom berechnet werden.
= , wobei ≈ , = ∗ ′ = ∗ ∗ ′
Also folgt:
= ∗ ∗ ′
Nun lässt sich die notwendige effektive Leistung des Luftkissengebläses
berechnen:
= ∆ ∗ , dabei gilt ∆ = − =
Durch einsetzen alle vorher bestimmten Größen folgt nun:
= ∗ ∗
∗
³
5

Abgesehen von s sind alle nun noch vorkommenden Größen entweder
konstant, oder bei der Konstruktion veränderbar. Nach einigen Recherchen
haben wir außerdem herausgefunden, dass sich auf Grund von
Erfahrungswerten der Ansatz = 0,004 ∗ verwenden lässt. Letztendlich
lautet also die Formel für die von uns benötigte effektive Leistung des
Luftkissengebläses:
= 0,004 ∗ ² ∗
∗
³
2.2 Schlussfolgerungen aus den theoretischen Betrachtungen
Die zuvor geschilderte Betrachtung erscheint möglicherweise zunächst
übertrieben, sie war jedoch für uns sehr wichtig und ersparte uns viele
Fehlversuche. Um genauer zu sein, mussten wir nach den gerade
beschriebenen Überlegungen unsere komplette Planung umstellen.
Zunächst hatten wir vor, als Luftkissengebläse ein oder zwei Computerlüfter zu
verwenden. Diese haben jedoch nur eine Leistung von wenigen Watt, was – wie
beim Einsetzen von realistischen Werten in unsere Formel auffällt – nicht
ausreicht. Vor allem fiel uns jedoch auf, dass der benötigte Druck im Luftkissen
(p‘) sehr groß ist. Auch stärkere Lüfter stellten also für uns keine Option dar, da
diese immer auf einen möglichst großen Volumenstrom bei möglichst kleiner
Geräuschentwicklung, also möglichst geringem Druck, ausgerichtet sind. Dies
macht sie für unsere Zwecke unbrauchbar.
6

2.3 Beschaffung der Baumaterialien
Nachdem wir nun wussten, welche Anforderungen unser Luftkissengebläse
erfüllen muss, war der nächste Schritt die Beschaffung eines geeigneten
Gebläses. Dieses musste, wie schon erwähnt, eine relativ hohe Leistung haben
und vor allem einen hohen Druck aufbauen.
Eine erste Idee für ein solches Gebläse war ein Haartrockner, der auf die
Kaltstufe eingestellt wird. Ein Vorteil dieser Idee war, dass es auch Camping-
Haartrockner gibt, die mit 12V arbeiten. Dies ist für uns sehr wichtig, da ein
solcher dann mit Akkus betrieben werden könnte und das Hovercraft dadurch
nicht zwangsläufig kabelgebunden wäre. Probleme wären jedoch die Größe,
das relativ hohe Gewicht, die für uns unpassende Form eines solchen
Haartrockners und vor allem der relativ hohe Anschaffungspreis.
Unsere nächste Idee war die Benutzung eines Gebläses, mit dem
normalerweise Luftmatratzen und Ähnliches aufgeblasen werden. Diese
Gebläse verfügen über alle Eigenschaften, die wir benötigen. Sogar 12V-
Versionen sind verfügbar. Da wir recht schnell sowohl eine 12V, als auch eine
230V-Version eines solchen Gebläses in Robins Keller fanden, entschieden wir
uns dazu, diese Gebläse zu benutzen.
Für den Antrieb in horizontaler Richtung sollen die Computer-Lüfter verwendet
werden, die ursprünglich für das Luftkissengebläse gedacht waren und deshalb
nicht weiter gesucht werden mussten. Da diese Lüfter nach wie vor nur einen
geringen Druck erzeugen, ist ihre Antriebsleistung sehr gering.
Dieser scheinbare Nachteil ist von uns jedoch ausdrücklich gewünscht, da das
Hovercraft so keine hohe Geschwindigkeit erreicht und deshalb das Gleiten
nach Abschalten des Antriebs besser kontrollierbar bleibt. Bei hohen
Geschwindigkeiten wäre vor allem die Wahrscheinlichkeit einer schweren
Beschädigung unseres Hovercrafts im Fall einer Kollision sehr viel höher, als bei
einer niedrigen Geschwindigkeit. Da wir beim Testen unserer Steuerung nach
Möglichkeit nicht mehrere Hovercrafts „verschleißen“ möchten, ist also eine
niedrige Geschwindigkeit sehr wichtig.
Das letzte zentrale Bauteil, das uns nun noch fehlte, war die aufliegende Fläche.
Bei einem normalen Hovercraft ist dies die sogenannte Schürze, welche das
7

Luftkissen möglichst gut zurückhalten, gleichzeitig aber den Boden nicht
berühren soll.
Nach einigen Versuchen, eine solche Schürze herzustellen, mussten wir
feststellen, dass dies mit einem für uns vertretbaren Aufwand – schließlich
sollte das Hovercraft primär als Basis für weitere Tests dienen und könnte bei
diesen beschädigt werden – nicht realisierbar ist. Deshalb entschieden wir uns
dazu, kein Hovercraft im eigentlichen Sinne, sondern ein sogenanntes
Bodeneffektfahrtzeug (wir nennen es trotzdem weiterhin Hovercraft), zu
bauen.
Es ist also nun keine Schürze mehr nötig, die sich dem Untergrund anpasst,
sondern nur eine möglichst steife und absolut ebene Platte. Der Nachteil eines
solchen Bodeneffektfahrzeugs ist, dass dieses keine größeren
Bodenunebenheiten überwinden kann. Da unser Hovercraft jedoch ohnehin
zunächst nicht für unebenes Gelände gedacht war, ist dieser Nachteil für uns
nicht entscheidend.
Nach dieser Entscheidung testeten wir verschiedene Materialien, wie unter
Anderem Pappkarton oder Holz. Diese waren jedoch entweder nicht steif
genug, zu uneben in ihrer Oberfläche oder hatten ein sehr hohes Eigengewicht.
Zwar wäre das hohe Eigengewicht für uns zu verschmerzen gewesen, da unser
Gebläse auch dafür stark genug gewesen wäre, jedoch wollten wir eine
möglichst hohe Zuladung – sei es auch in Form von größeren Akkus für eine
längere Laufdauer – ermöglichen. Deshalb suchten wir weiter nach einem
geeigneteren Material.
Letztendlich haben wir ein nahezu ideal geformtes Stück Hartplastik gefunden.
Es ist sehr leicht, extrem steif und die aufliegende Fläche ist absolut eben.
8

Zusammenfassend sieht unsere Materialliste wie folgt aus:
- „Plattform“ aus Hartplastik
- Papp-Platten zur Abdeckung der Oberseite
- Siemens LOGO!-Baustein zur Steuerung
- 2 große und ein kleiner Computerlüfter zum Antrieb
- Gebläse um das Luftkissen zu erzeugen
- Mehrere Akkus (zunächst 12V, mehrere kleine sind besser, als ein großer,
da so das Gewicht gleichmäßiger verteilt werden kann)
- Schrauben, Tesa-Film, Klebeband und weitere Kleinteile
Auf die Bestandteile dieser Liste wird im Folgenden weiter eingegangen.
2.4 Konstruktion
Nachdem wir alle benötigten Baumaterialien beschafft hatten, musste als
nächstes ein vollständiges Hovercraft aus diesen gebaut werden.
Zunächst haben wir dazu oben in unsere Hartplastik-„Plattform“ ein Loch
geschnitten und das Gebläse darin befestigt. Dabei war zum einen darauf zu
Achten, dass der Schwerpunkt des Gebläses möglichst mittig über der
Plattform liegt, damit es nicht zu einem Ungleichgewicht kommt. Zum anderen
musste das Loch möglichst dicht mit dem Gebläse abschließen, damit dort
keine eingeblasene Luft verloren geht.
Der nächste Schritt war, die Plattform mit Pappkarton abzudecken. Dies diente
zum einen optischen Gründen, bot jedoch vor allem eine geeignete Basis für
die Montage der Antriebslüfter und des LOGO!-Bausteins. Unter dem
Pappkarton, im Inneren der Plattform und dadurch von außen nicht sichtbar,
werden die Akkus montiert. Diese müssen möglichst gleichmäßig verteilt
werden, damit der Schwerpunkt des Hovercrafts in seiner Mitte bleibt. Wäre
dies nicht mehr der Fall, könnte es dazu kommen, dass eine Seite der Plattform
den Boden berührt, wodurch das Hovercraft bewegungsunfähig würde.
9

Bei gleichmäßiger Verteilung sind schwere Gewichte im Inneren der Plattform
jedoch auf Grund der hohen Steifigkeit des Materials kein Problem. In unseren
Tests schwebte das Hovercraft sogar mit einer Zuladung von 4kg ohne
Schwierigkeiten über den Boden.
Nun waren nur noch die Lüfter für den
Antrieb zu installieren, was einige
Überlegungen erforderlich machte:
Wir hatten nur zwei große und einen
kleinen Lüfter, mit denen eine möglichst
einfache und robuste Steuerung
gewährleistet werden sollte, bei der sich
das Hovercraft immer noch in jede Richtung
drehen können muss.
Letztendlich haben wir uns für die
nebenstehende Anordnung der Lüfter
entschieden. Die großen Lüfter dienen,
wenn beide gleichzeitig angeschaltet sind,
als ausreichend starker Antrieb nach vorne
und einzeln (zusammen mit dem kleinen Lüfter in der Front) zum Drehen des
Hovercrafts. Der kleine Lüfter wäre nicht zwangsläufig nötig, wird von uns
jedoch trotzdem verwendet, da er den Wendekreis des Hovercrafts verringert.
Dies liegt daran, dass sein Schub (bei einer Kurvenfahrt) der nach vorne
drückenden Komponente des Schubes des hinteren Lüfters, entgegenwirkt.
10

Nachdem nun alle Lüfter wie gewünscht montiert sind, müssen sämtliche
Verbraucher richtig verkabelt werden. Wie dies geschehen soll, zeigt die
folgende detailgetreue Schaltskizze.
Der Bau unseres Hovercrafts ist damit zunächst beendet. Als nächstes muss
nun die Steuerung mittels Siemens LOGO! Programmiert werden.
11

3. Programmierung und Optimierung der Steuerung
Folgende Grafik zeigt die Benennung der relevanten Bauteile.
12

3.1 Grundentwurf der ersten LOGO!-Schaltung
Um unsere automatische Steuerung zu programmieren, mussten wir uns
zunächst überlegen, wie das Hovercraft auf verschiedene äußere Einflüsse
reagieren soll.
Wir haben uns dafür entschieden, dass das Hovercraft erst dann einlenken soll,
wenn sich die Lichtquelle neben ihm befindet. Dadurch reagiert es zwar recht
spät auf ein Vorbeifahren an dieser, da es jedoch ohnehin nur in der Nähe der
Lichtquelle fahren und diese nicht erreichen soll, ist dieses Verhalten nicht
unerwünscht.
Der Vorteil dieses späten Reagierens liegt vor allem darin, dass die Lüfter so
nicht häufig kurz, sondern eher seltener über jeweils längere Zeiträume
angesteuert werden. Ein kurzes Ansteuern der Lüfter wäre vermutlich ohnehin
nahezu wirkungslos, da die Lüfter zunächst andrehen müssen. Es käme bei
einer frühen Ansteuerung also vermutlich kaum zu nennenswerten Vorteilen,
während die Lüfter wesentlich stärker abgenutzt würden.
Wenn das Hovercraft keinen Lichtpunkt „wahrnehmen“ kann, soll der Antrieb
abgeschaltet werden. Bei unklaren Situationen, die theoretisch nicht
vorkommen können (z.B. alle LDRs gleichzeitig beleuchtet), soll es sich links
herum drehen, bis wieder ein realistische Signal vorliegt.
Aus diesen Bedingungen folgt folgende Wahrheitstabelle:
LDR 1 LDR 2 LDR 3 LDR 4 Lüfter 1 Lüfter 2 Lüfter 3
1 1 1 1 1 0 1
1 1 1 0 1 0 1
1 1 0 1 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1
1 0 1 1 1 1 0
1 0 1 0 1 0 1
1 0 0 1 0 1 1
1 0 0 0 0 1 1
0 1 1 1 1 0 1
0 1 1 0 1 0 1
0 1 0 1 1 0 1
0 1 0 0 1 0 1
0 0 1 1 1 1 0
0 0 1 0 1 0 1
0 0 0 1 1 1 0
0 0 0 0 0 0 0
13

3.2 Vereinfachung mithilfe der booleschen Algebra
Eine Wahrheitstabelle, wie sie in 3.1 aufgestellt wurde, ist nicht ohne großen
Aufwand zu einer Schaltung zu verarbeiten. Sie muss deshalb zunächst
vereinfacht werden, wozu die boolesche Algebra dient. Zu diesem Teil sind wir
aber auf Grund von Zeitmangel noch nicht gekommen. Er folgt möglichst bald.
Die vereinfachte Tabelle lässt sich dann relativ einfach mit „LOGO!Soft
Comfort“ am Computer erstellen und auf den LOGO!-Baustein überspielen.
4. Zusammenfassung und Ausblick
Zum vorläufigen, aber nicht endgültigen, Abschluss unserer Projektarbeit lässt
sich festhalten, dass schon in der Planung und Durchführung eines kleinen
Projektes wie diesem, erstaunlich viel Arbeit steckt. Vom Finden der Grundidee
über theoretische Überlegungen und Materialtests ist sehr viel Zeit vergangen,
bis überhaupt ein funktionstüchtiges Testgerät für die eigentliche Steuerung
zur Verfügung stand. Trotzdem hat insbesondere der praktische Teil der Arbeit,
also das testen und verbessern von verschiedenen Ideen sehr viel Spaß
gemacht.
Als nächstes ist das Hovercraft fertig zu „verkabeln“, was jedoch nur wenige
Minuten in Anspruch nehmen wird. Wenn dann außerdem die Schaltung auf
den LOGO!-Baustein übertragen wurde und passende Akkus zur Verfügung
stehen, ist das Hovercraft einsatzbereit und die bisher nicht getestete
Schaltung kann optimiert werden.
14