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Drohnen-Technik: Das hält Euren Quadcopter in der Luft

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Vier Rotoren geben dem Quadrocopter maximale Bewegungsfreiheit
Vier Rotoren geben dem Quadrocopter maximale Bewegungsfreiheit(© 2014 CC: Flickr/monsterlayer)

Ein Tippen auf den On-Screen-Button, ein leichtes Bewegen des Schalthebels auf der Fernbedienung - und der Quadrocopter hebt mühelos ab, schwebt stabil in der Luft und führt mit nur ein bisschen Übung elegante Flugmanöver aus. Damit das funktioniert, müssen unter der Haube der Drohnen zahlreiche mechanische und elektronische Komponenten reibungslos zusammenarbeiten. Was genau die boomenden Fluggeräte in der Luft hält, erklären wir im Folgenden.

Im Grunde besteht ein Quadrocopter aus gar nicht mal so viel Technik: Es gibt grob dargestellt vier Rotoren, vier Gleichstrom-Motoren, einen Lithium-Polymer-Akku, einen oder mehrere ESC (Electronic Speed Controller), der die Energie des Akkus dosiert an die Motoren weiterleitet, einen Flugcontroller, diverse Sensoren und natürlich das Gerüst beziehungsweise Gehäuse. Aber wie diese Komponenten im Zusammenspiel agieren und modernen Drohnen damit erst sicher und auch von Anfängern steuerbar machen, ist das eigentlich Spannende.

Vier Rotoren sind besser als einer

Das Erste, was beim Anblick eines Quadrocopters auffällt, sind natürlich die namensgebenden vier Rotoren. Anders als beim klassischen Hubschrauber sorgt diese Anordnung für mehr Stabilität und macht das komplizierte Zusammenspiel aus Haupt- und Heckrotor überflüssig. Bei der vierrotorigen Drohne sorgen alle Propeller gleichermaßen für Auftrieb und Stabilität — aber sie drehen sich deswegen nicht etwa immer gleichschnell.

Das Geheimnis des Quadrocopters liegt nämlich exakt in der bei Bedarf unterschiedlichen Drehzahl  und -richtung der einzelnen Rotoren. Zum Vergleich: Bei einem einrotorigen Helikopter sorgt das große Drehmoment des Hauptrotors allein dafür, dass das komplette Fluggerät unkontrolliert um die Gier-Achse mitdrehen würde. Ausgeglichen wird das in diesem Fall durch den Heckrotor, der den Helikopter gegen diese natürliche Drift-Bewegung drückt. Beim Quadrocopter wird das Problem noch simpler gelöst: Zwei der vier Rotoren drehen einfach in eine andere Richtung als die beiden anderen und gleich so das entstehende Drehmoment effektiv aus — der Quadrocopter kann stabil und ohne Drehbewegung in der Luft schweben.

H, X oder +: Eine Frage der Anordnung

Quadrokopter-+-Konfiguration
Quadrocopter-+-Konfiguration(© 2014 CC: Wikimedia/UlrichHeither)

Die Rotoren von Quadrocoptern können nach zwei grundsätzlichen Schemata angeordnet sein (bei Drohnen mit weniger oder mehr Rotoren gibt es natürlich noch zahlreiche weitere Muster mit Vor- und Nachteilen), die nach der Form des Grundgerüstes der Drohne benannt sind: Der einfachere und verbreitetere Aufbau ist der nach einem +-Muster, bei dem die Rotoren exakt in alle vier Flugrichtungen positioniert sind — also hinten, vorne, links und rechts. Beim X- beziehungsweise H-Aufbau werden die Rotoren diagonal zu den Standard-Flugrichtungen angeordnet, sprich: Zwei hinten, zwei vorne und dadurch effektiv auch zwei links und zwei rechts. Erstere Konfiguration hat den Vorteil, dass für reguläre Richtungswechsel immer nur zwei Propeller angesteuert werden müssen, bei letzterer befindet sich dafür kein Rotor oder Propellerarm im Sichtfeldfeld einer eventuell in Flugrichtung montierten Kamera.

Denn so eine Drohne soll ja nicht nur schweben, sondern sich auch bewegen — das wird erreicht, indem die Drehzal der einzelnen Rotoren individuell angepasst wird: Soll der Quadrocopter um die eigene Achse drehen, rotieren jeweils zwei Propeller langsamer respektive schneller, um das angesprochene Drehmoment für eine kontrollierte Bewegung um die Hochachse zu nutzen. Für Vorwärts-, Rückwärts- oder Seitwärtsbewegungen rotiert bei der +-Anordnung der zur Flugrichtung jeweils abgewandte Propeller schneller und der gegenüberliegende proportional langsamer, um einseitig mehr Auftrieb zu erzeugen, die Drohne dadurch anzukippen und den gesamten Auftrieb teilweise in Vortrieb umzuwandeln. Bei der X- oder H-Anordnung sind es korrspondierend die jeweils beiden der gewünschten Richtung abgewandten Rotoren, die ihre Drehzahl erhöhen, während das andere Paar analog dazu herunterregelt.

Quadrokopter-X-H-Konfiguration
Quadrocopter-X/H-Konfiguration(© 2014 CC: Wikimedia/UlrichHeither)

Bei extremeren Manövern, wie Loopings und Rollen, drehen dann die entsprechenden Propeller kurzzeitig so stark auf, dass der erzeugte Auftrieb reicht, um das Fluggerät komplett umzukippen und durch die entsprechend angepasste Umdrehungsgeschwindigkeit der anderen Rotoren gleichzeitig stabil zu halten.

Flugcontroller, ESC und Gyroskope — Gehirn und Nervensystem der Drohne

Die Anordnung und Drehzahl der Rotoren stellt also das mechanische Grundgerüst des Quadrocopters, aber wer übernimmt die Steuerung? Der Pilot, also im Zweifelsfall Ihr, wäre mit den innerhalb von Bruchteilen von Sekunden notwendigen akkuraten Justierung der einzelnen Propeller-Drehzahlen vollkommen überfordert — hier müssen moderne Chips ran.

Herzstück jeder Drohne ist also der Flugcontroller, ein kleiner Computer, der zum einen den ESC und damit die Drehzahl der vier Motoren steuert, zum anderen sowohl die zum stabilen Flug notwendigen Daten der Sensoren, allen voran des Gyroskops, sowie Eure, verglichen mit den digitalen Informationen der Sensoren eher groben und langsamen Steuerungswünsche, empfängt (entweder über einen Funk-Empfänger, oder über ein Bluetooth-Modul) und diese wiederum in Befehle an den ESC umwandelt.

Eine besondere Rolle spielt dabei das Gyroskop, ohne das moderne Drohnen kaum flugfähig wären und ihre jüngere Verbreitung in der breiten Masse nicht stattgefunden hätte. Denn erst durch die Entwicklung von Lagesensoren in Chipform sind diese für den Miniatur-Drohnen-Bau einsatzfähig geworden. So misst das Gyroskop die Drehbewegung des Quadrocopters um die eigene Achse und sorgt durch entsprechende Rückmeldungen an das Steuergerät (= Flugcontroller) dafür, dass dieser die oben beschriebenen Gierbewegungen durch entsprechende Befehle ans ESC, Motoren und damit an die Propeller ausgleichen kann.

Ebenfalls essenziell ist der Beschleunigungssensor. Dieser wiederum misst die auf die sich vorwärts, rückwärts oder seitwärts bewegende Drohne einwirkenden Trägheitskräfte und kann so die Geschwindigkeit des Fluggerätes bestimmen. Dadurch wird dem Steuergerät die Möglichkeit gegeben, den Quadrocopter durch entsprechende Befehle an den ESC in der Waagerechten zu halten.

GPS, Magnetometer, Barometer — die Kür

Nun soll so eine Drohne heutzutage aber nicht nur vom Piloten auf dem Boden kunstvoll gesteuert werden, im Idealfall soll sie von ganz alleine vorbestimmte Strecken abfliegen und selbsttätig landen können — warum auch nicht, die notwendigen Sensoren gibt es inzwischen zum kleinen Preis. Und so sorgt ein verbauter GPS-Sensor, unter Umständen unterstützt durch ein Magnetometer, dafür, dass der Quadrocopter seine exakte Postition über das Global Positioning System bestimmen und dadurch ohne direktes Zutun von außen Wegpunkte abfliegen kann.

Das Barometer wiederum misst anhand des sich verändernden Luftdruck Höhenunterschiede — aktuelle Chips können das teilweise derart genau, dass sie Auf- und Abstieg im Zentimeterbereich an das Steuergerät melden. Gemeinsam mit neuartigen, miniaturisierten Sonar-Modulen für Drohnen erlaubt das beispielsweise sanfte, vollautomatische Landemanöver.

Ihr seht: So wahnsinnig komplex ist so eine vierrotorige Drohne gar nicht — auch wenn faktisch natürlich jede Menge High-Tech in ihr steckt. Und deswegen haben wir bei CURVED uns auch vorgenommen, selbst eine Drohne zu bauen. Davon lest Ihr dann, selbstredend inklusive genauer Baubeschreibung, Video mit Katastrophen-Szenen und Selbstverstümmelung sowie eventueller Erfolgsmeldung in einem der vielen Beiträge, die wir hier in den kommenden Tagen zum Thema Drohnenflug veröffentlichen werden. Seid gespannt!

 

Alles zum Thema Drohnen findet ihr auf unserer Themenseite.


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