Steuerung eines Heißluftballons

Published:

04 June 2023

Zwischen Coburg und Kirchhorsten schwebt ein Heißluftballon. Die Idee war, dass der Ballon oben vor der Bergkulisse unter der abgehängten Decke „parkt“. Die Auslösung des Bewegungsvorganges kann wie bei allen Sonderlösungen über Taster, Tablet oder Smartphone ausgelöst werden, d. h. der Ballon fährt eine kurze Strecke in horizontaler Richtung um danach zur Landung anzusetzen. Nach einer Verweildauer am Boden erfolgt dann wieder ein Aufstieg um danach seine „Parkposition“ anzunehmen, bis eine erneute Auslösung erfolgt.

Die Lösung: Der Ballon wird an 2 sehr dünnen Drähten aufgehängt. Jeder dieser Drähte wird über mehrere Umlenkrollen geführt. Die Rollen sind ca. 1,70 m voneinander entfernt und befinden sich auf einem Brett dezent verdeckt oberhalb der abgehängte Kastendecke. Von diesen Rollen führt der Draht zu einer Welle, auf der 2 Spulen angeordnet sind. Dabei ist die Wickelrichtung so angeordnet, dass die Drähte gegenseitig gewickelt werden; d.h. wenn die Welle sich dreht, wird der eine Draht abgewickelt und der andere aufgespult. Der Ballon bleibt annähernd in der gleichen Höhe, wird sich aber etwas anheben, wenn er sich einer der Umlenkrollen nähert. Außerdem kann der Ballon landen. Für eine Landung muss ein Spanndraht verlängert werden. Die nähere Beschreibung erfolgt unten weiter.

(Hätten wir die finanziellen und technischen Voraussetzungen gehabt, wäre eine Variante mit 2 Motoren und entsprechender Software sicher die einfachere und elegantere Lösung gewesen; so haben wir uns für eine mechanische Umsetzung unseres Vorhabens entschieden.)

Wie bereits oben erwähnt, wird sich der Ballon auch absenken und wieder auffahren. Um dieses zu realisieren, wurden folgende Festlegungen getroffen:

1. Die Funktionsauslösung soll wie bereits erwähnt, durch einen Taster oder drahtlos durch ein Smartphone erfolgen.
2. Eine Abfolge der Ballonfahrt sieht so aus: In der Grundstellung befindet sich der Ballon oben auf der rechten Seite.
3. Zunächst bewegt er sich waagerecht von rechts nach links. Dazu wird der Motor 1 aktiviert. Auf seiner Welle sind 2 Spulen mit den Drähten montiert. Die Drähte sind so aufgebracht, dass auf der einen Spule der Draht abgewickelt, und auf der anderen ein Spanndraht aufgewickelt wird. 
4. Ähnlich einem Flaschenzug wird einer der Drähte über mehrere Rollen so geführt, dass eine der Umlenkrollen auf einer Spindel beweglich angeordnet wird. Hierdurch wird der Draht einseitig herabgelassen.
5. Nach einer einstellbaren Zeit soll der gelandete Ballon wieder aufsteigen.

Für den technisch Interessierten:

Die mechanische Seite der Auf- / Abwärtsbewegung wird mittels doppelgängiger Trapezspindel von 1.000 mm Länge und beidseitigem Kugellager erreicht. Auf der Spindel befindet sich 2 Trapezmutter mit 4 Bohrungen zur Aufnahme eines Winkelblechs, das wiederrum die Umlenkrolle trägt und auch die drei Hallsensoren 2, 3 und 4.

Dieses Winkelblech hat auch einen Anschlag um die 2 Endschalter für die Festlegung der oberen und unteren Position des Ballons zu betätigen. Die Endschalter sind so angeordnet, dass sie verschoben werden können, um die Länge des Tragdrahtes besser anzupassen. Angetrieben wird die Trapezspindel durch einen 2. Getriebemotor mit einer Untersetzung von 1:130, der über eine Kupplung angeflanscht ist.

Rechts nicht mehr im Bild zu sehen: 4 weitere Umlenkrollen für das Flaschenzugprinzip.

Doch zunächst wollen wir die horizontale Bewegung des Ballons betrachten: Auf einer Welle, die durch einen Getriebemotor mit 13 Upm und mit einer Untersetzung von 1:226 angetrieben wird, befinden sich neben den Wickelspulen auch eine modifizierte Mutter als Schnecke, die mit einem Stift gegen Verdrehung gesichert ist. Diese Mutter erfüllt 2 Aufgaben: Zum einen befindet sich auf der Mutter ein Neodym Magnet, der bei Annäherung den Hallsensor (H 1A) aktiviert, der wiederrum ein Brennergeräusch und die optische Simulation eines Brenners auslösen soll. Als 2. Bestimmung ist es, die beiden Endschalter zu betätigen, die eine Richtungsumkehr veranlassen. Die Weglänge zwischen den Endschaltern beträgt ca. 30 mm. Aus dem Durchmesser der Wickelspulen (32 mm), dem Wellendurchmesser und der Umdrehungsgeschwindigkeit ergibt sich eine Zeit von ca. 1 Minute für das Verfahren des Ballons zwischen den beiden Endpunkten.

Irgendwo zwischen diesen beiden Endpunkten befindet sich ein verstellbarer Hallsensor, der durchschaltet, wenn die auf einer Messingfeder oberhalb der Mutter montierten Magneten vorbeigeführt werden. Ein weiterer Sensor (H 1B), befindet sich vor der linken Wickelspule, auf der ein Magnetband aufgeklebt wurde. Beide Hallsensoren sind in Reihe geschaltet. Zweck ist, eine realistischere Dauer sowohl des Brennergeräusches als auch des Brennereffektes zu erzielen; denn nur, wenn beide Hallsensoren vor dem Magnetstreifen an der Spule und der Sensor auf der Mutter gleichzeitig angeregt werden, wird der nachfolgend noch näher beschrieben Vorgang ausgelöst und sowohl das Soundmodul angeregt als auch die 3 LEDs im Ballon als Brennerlicht eingeschaltet. Durch diese Art der Einschaltung wird eine unterschiedliche Aktivierung und damit eine realistischere Darstellung sowohl des Lichtes als auch der Geräusche erzielt. Damit bei einer Steigung die Geräusche länger und öfter ertönen als bei einer Landung, werden unterschiedliche Hallsensoren angesprochen.

Um den Ballon landen zu lassen muss, wie schon erwähnt, ein Spanndraht verlängert werden. Wir haben als Vorbild das Prinzip eines Flaschenzuges gewählt. Eine Spule ist beweglich so auf einer Trapezspindel angeordnet, dass der Spanndraht in der Länge verändert werden kann. Hierdurch erfolgt eine Landung bzw. ein Start. Für mehrere Sekunden ertönt das aufgespielte Brennergeräusch, das auf einer SIM-Karte aufgespielt ist. Eine 3 mm große weiße LED befindet sich am Korbboden, 2 weitere, etwas größere 5 mm starke weiße und gelbe LEDs, befinden sich im Innern des Ballons.