Baugruppen

Rahmen:

Bildet das Grundgerüst der Drohne. Die am stärksten beanspruchten Teile sind die Ausleger, an welchen die Motoren befestigt sind. Die Center-Platte, auf welcher die Steuerelektronik verbaut wird, befindet sich meistens in der Mitte. Während man früher kantige Aluminium-Profile benutzt hat, setzt man im Profi-Beriech nun zunehmend auf Carbon-Rundprofile. Im Consumer-Bereich wird heute viel aus Kunststoff gefertigt. Was recht günstig ist und sehr individuelle Form-Varianten ermöglicht.

 

Motor:

Alle modernen Copter verwenden Bürstenlose Motoren als Antriebseinheit, deren Leistung meist in KV (Kenndrehzahl pro Volt) angegeben wird. Dies ist jedoch ein sehr theoretischer Wert, da er nichts über effektive Leistungsübertragung (Schub)  aussagt. Wenn man Motoren online vergleichen möchte kann man sich daran orientieren, dass ein niedriger KV-Wert meist einen effizienteren Motor meint.

 

Propeller:

Ein oft unterschätztes Bauteil, da Größe und verwendetes Material einen enormen Einfluss auf das Flugverhalten des Copters haben können.

  • Holz: leicht zu bearbeiten (auswuchten), günstig in der Anschaffung, allerdings auch leicht zu beschädigen
  • Kunststoff: günstig, teilweise extrem elastisch und robust, leider etwas zu lasten des maximalen Schubs
  • Carbon: teuer, extrem fest, aber auch spröde - verleihen dem Copter enormen Schub, können aber bei extremen Manövern auch in der Luft Splittern (daher bei Quadrocoptern nicht zu empfehlen!)

 

ESC:

ESC = Electronic Speed Control, also Drehzahlsteller, oder auch Regler!

Wird zwischen FC und Motor verbaut.

 

Sender / Empfänger:

Der Pilot gibt die Steuerbefehle über die Fernbedienung (Sender), an den Copter weiter. Der dazugehörige Empfänger wird direkt an die FC angeschlossen. Einige Hersteller beginnen seit geraumer Zeit damit die Empfänger an RTF-Systemen in die FC zu integrieren. Dann besteht allerdings auch nicht mehr die Möglichkeit den Empfänger zu tauschen und somit die Fernsteuerung eines Fremdherstellers zu nutzen.

 

Akku:

Mit das wichtigste Bauteil! Fällt dieser aus, stürzt der Copter unweigerlich sofort zu Boden. Besonders hochwertige Copter werden daher meist mit zwei parallel verschalteten Akkus betrieben. Die somit gewonnene Redundanz geht allerdings deutlich zu lasten des Gewichts und somit auch der Flugzeit.

 

Flight-Control (FC):

Das „Gehirn“ der Drohne. Die Flight-Control verarbeitet sämtliche Signale und beinhaltet alle Sensoren die zum erkennen der Fluglage erforderlich sind -> wie zum Beispiel Gyroskop und Höhensensor. Über verschiedene Anschlüsse kann die FC mit externen Modulen wie z.B. GPS, Status-LED’s, oder der Steuerung eines Kameraträgers erweitert werden. Die Qualität ist abhängig von der Verarbeitungsgeschwindigkeit (Datendurchsatz) und den in die Software integrierten Algorithmen.

 

Gimbal: 

Beschreibt das komplette System des Kameraträgers -> mittels eigener Sensoren und mehrerer Motoren wird die Kamera komplett von der Bewegung der Drohne entkoppelt. Das Bild steht somit, selbst bei starkem Wind, immer in der Waage. Durch die Verwendung von Hochleistungs-Brushless-Motoren sind aktuelle Modelle sogar soweit ausgereift, dass das fertige Rohmaterial nicht mehr nachstabilisiert werden muss. Drei-Achsige Systeme werden in der Regel von einem separatem Cam-Operator gesteuert.


Sensorik

GPS:

Bestimmt den Standort mittels GPS-Satelliten auf ca. 1m genau. Aufgrund der hohen elektromagnetischen Empfindlichkeit wird das GPS-Modul, i.d.R. soweit wie möglich von der restlichen Elektronik entfernt verbaut. 

 

VPS:

Visual Positioning System: Mittels Ultraschallsensoren und teilweise zusätzlich noch mit einer zusätzlichen Kamera wird der Boden unter dem Copter abgetastet. In einer Höhe bis 2,50m kann der Copter somit auch ohne GPS Empfang die Position relativ exakt halten.

 

Gyroskop:

Keine mechanischen Kreisel, sondern kleine Piezo- oder SMM- (Silicon Micro Machine) Sensoren, welche die Fluglage des Copters erkennen und somit im Gleichgewicht halten können.

 

Barometer:

Wird benötigt um die Höhe mittels Luftdruck-Sensoren zu halten. Ein gegensteuern über den „Schub“ ist somit nicht mehr notwendig. Der Pilot nimmt, sofern ein Barometer aktiv ist, nicht mehr direkt Einfluss auf die Schubkraft, sondern bestimmt nur noch ob der Copter steigen oder fallen soll und wie schnell er dies tuen soll.

 

IMU:

Inertial Measurement Unit = Beschleunigungssensor 



Funktionsweise

Im Gegensatz zu einem Hubschrauber, welcher Auf- und Abtrieb, bzw. Vorschub, durch den Anstellwinkel seiner Rotorblätter erzeugt, sind diese bei einem Copter starr. Eine Bewegung kann also nur durch eine Veränderung der Drehzahl erzeugt werden. Dafür werden mindestens zwei, besser jedoch vier Motoren benötigt. Die Motoren drehen dabei in abwechselnder Reihenfolge, im Uhrzeigersinn, beziehungsweise Gegenuhrzeigersinn. Es bilden sich also Motoren-Paare, welche durch die, meist im Zentrum verbaute, Steuerelektronik angesteuert werden. 

 

Am Beispiel eines X4 Quadrocopters kann man verstehen wie dieser sich bewegt. Erhöht man die Drehzahl von M3 und M4, wird dieser aus dem Gleichgewicht gebracht und bewegt sich durch den nun veränderten Luftstrom nach vorne. Um eine Drehbewegung nach rechts zu erzeugen, erhöht man die Umdrehungen von M1 und M3 und somit das Drehmoment um diese Achse. Erhöht man die Drehzahl aller Motoren, steigt der Kopter, usw.

Wenn man eine gerade Anzahl an Motoren verwendet, kann die Drohne theoretisch beliebig erweitert werden. Dadurch wird sie allerdings größer und büßt etwas an Agilität und Flugzeit ein. Der Vorteil liegt dann in der größeren Redundanz. Bei 6 oder 8 Motoren, kann der Ausfall eines Bauteils durch eine intelligente und hochwertige Steuerelektronik kompensiert werden. Die Elektronik rechnet die Steuersignale in diesem Fall einfach um, sodass der Pilot die Drohne ohne gegenzusteuern landen kann, als wären noch alle Bauteile intakt. Ein Quadrocopter jedoch, wird beim Ausfall eines Motors unweigerlich abstürzen.

 

Mögliche Bauformen:

 

Quadrocopter:

Hexacopter:

Octocopter:

 

Gesteuert wird die Drohne über den Sender (Fernsteuerung). Dieser gibt die Steuersignale des Piloten über Funk an die Steuerelektronik weiter, welche Drehzahl der einzelnen Motoren koordiniert. Unterstützend sind heutzutage noch diverse Sensoren (Gyroskope, Barometer, GPS, …) mit verbaut, welche den Steuerungsprozess optimieren und ingesamt sicherer machen. Damit man sich im Dreidimensionalen Raum auch stets orientieren kann, werden die Begriffe Roll-, Nick- und Gier-Achse verwendet. 

  • Nick (Pitch) - beschreibt die Bewegung nach vorne oder hinten
  • Roll (Roll) - beschreibt seitliche Bewegung nach links oder rechts
  • Gier (Yaw) - beschreibt eine Drehung um die eigene Hochachse