Technik Multikopter


Antrieb von Quadrocoptern

Im Modellbaubereich und bei Drohnen in Quadrocopterbauweise werden die Propeller meist direkt oder durch bürstenlose Motoren angetrieben. Diese sind als Außen-oder Innenläufer ausgelegt und am äußeren Ende von Auslegern befestigt. Die elektrische Energie für diese Motoren wird gewöhnlich von Lithium-Polymer.-Akkus bereitgestellt. Durch diese Antriebsart ist trotz geringer Größe der Fluggeräte eine erstaunlich hohe Traglast möglich.

 

Steuerung des Quadrocopters

Auf em Bild ist die Steuereinhait eines Multikopter System zu sehen.Bereich befindet sich das GPS-Modul, darunter das Navi-Board, gefolgt von der FlightControl mit den eingebauten Gyroskopen zur Stabilisierung..

Quadrocopter werden meist in konventioneller

 

 

+ Konfiguration

sowie X-Konfiguration bzw. H-Konfiguration aufgebaut.

 

Die +-Konfiguration ist weitverbreitet und ermöglicht eine einfache Ansteuerung, bei der für Änderungen in der Längs- und Querachse jeweils nur ein Motorenpaar angesteuert wird. Bei derX– oder H-Konfiguration sind die Motoren um 45° zur Flugrichtung versetzt. Hier sind für eine Rotation um Länge- oder Querachse alle vier Motoren gleichzeitig anzusteuern. Zudem wird bei Foto- und Filmaufnahmen die Flugrichtung nicht durch einen Propeller verdeckt.

Die Propeller sind fest am Motor montiert oder über ein Getriebe mit diesem verbunden. Änderungen des Auftriebs erfolgen ausschließlich durch Erhöhung oder Verringerung der Motordrehzahl. Wird die Drehzahl aller Motoren gleichzeitig erhöht bzw. verringert, steigt bzw. sinkt der Quadrocopter. Idealerweise sollte der Quadrocopter im mittleren Drehzahlbereich des Motors und somit auch im mittleren Propellerschubbereich abheben. Nur so sind ausreichend Leistungsreserven für schwierige Flugsituationen verfügbar.

Bei Quadrocoptern drehen sich jeweils zwei Propeller im bzw. gegen den Uhrzeigersinn. Dadurch heben sich die von den Propellern auf das Traggestell übertragenen Drehmomente auf, solange die Summe der Kräfte der links- bzw. rechtsdrehenden Propeller gleich ist und die Kräfte sich somit neutralisieren.

Die Drehung des Quadrocopters um die Hochachse (Gierachse) erfolgt dadurch, dass die links- und rechtsdrehenden Propeller mit unterschiedlicher Drehzahl angesteuert werden. Die Neutralisierung des Drehmoments wird aufgehoben, sodass sich der Quadrocopter um die Gierachse dreht.

Drehungen um die Längs-(rollen) bzw Querachse(nicken) erfolgen durch die unterschiedliche Ansteuerung der auf der jeweils anderen Achse liegenden Motoren. Dabei ist die Drehzahl der links- bzw. rechtsdrehenden Motoren umgekehrt proportional zu verändern, damit die Summe der von ihnen erzeugten Drehmomente gleich bleibt. Andernfalls würde der Quadrocopter gieren.

Der Pilot des Quadrocopters muss sich nicht um die konfigurationsabhängigen Ansteuerungsvarianten kümmern. Die Bedienung des der Funkfernsteuerung ist sowohl bei Quadrocoptern in +-Konfiguration als auch bei solchen in X– bzw. H-Konfiguration identisch. Die vom Sender übertragenen Steuersignale werden durch den im Quadrocopter verbauten Empfänger an die speziell für die jeweilige Konfiguration programmierte Steuerelektronik übertragen, die ggf. unter Berücksichtigung der von der Stabilisierungselektronik übermittelten Daten die Drehzahl der einzelnen Motoren regelt.

Im Gesamtsystem des Quadrocopters entsteht kein Drift wie bei der Heckrotor-Konfiguratiom der Hubschrauber. Bei der Steuerung treten kaum aus Kreisel-Effekte auf.

Um die Ausrichtung des Quadrocopters im Flug für den Piloten leichter erkennbar zu machen (wo ist vorne bzw. hinten), wird meistens die Farbgebung eines Propellers (bei Quadrocoptern in X– bzw. H-Konfiguration derer zwei) deutlich anders gestaltet. Diese unterschiedliche Farbgebung soll dem Piloten das Erkennen der Flugrichtung des Quadrocopters erleichtern. Wenn dieser auf den Piloten zufliegt, muss der Pilot bei der Steuerung umdenken. So muss dann aus Pilotensicht nach links gesteuert werden, damit der Quadrocopter in Flugrichtung nach rechts fliegt.

Auf Basis des vorhandenen Mikrocontrollers ermöglichen weitere Sensoren wie Kompass, Höhenmesser oder GPS auch automatische Flugsteuerung oder eine exakte Positionierung über Grund.

Durch den Einsatz von GPS-Modulen ist es mittlerweile bei vielen semiprofessionellen Modellen möglich, via Google Maps bestimmte Wegepunkte (Waypoints) zu setzen. Die gesetzten Punkte werden mitsamt den Karten an das Naviboard des Quadrocopter übertragen. Dieser beginnt den autonomen Abflug der einzelnen Wegpunkte und kann mit einer Kamera bestückt vollautomatisch Fotos an den Wegpunkten erstellen. Für mehr Sicherheit sorgt ein GPS-gestütztes Coming-Home-Programm, das bei Empfangsverlust den Quadrocopter autonom zum Homepoint fliegen und landen lässt.

 

Funkionsweise Steuerung

 

 

Steigen: Drehzahl ABCD proportional erhöhen

Sinken: Drehzahl ABCD proportional verringern

Hochachse rechts gieren: Drehzahl BD erhöhen und AC proportional verringern

Hochachse links gieren: Drehzahl AC erhöhen und BD proportional verringern

Quaerachse vorne nicken: Drehzahl C erhöhen und A proportional verringern

Querachse hinten nicken: Drehzahl A erhöhen und C proportional verringern

Längsachse rechts rollen: Drehzahl D erhöhen und B proportional verringern

Längsachse rechts rollen: Drehzahl B erhöhen und D proportional verringern

Steigen: Drehzahl ABCD proportional erhöhen

Sinken: Drehzahl ABCD proportional verringern

Hochachse rechts gieren: Drehzahl BD erhöhen und AC proportional verringern

Hochachse links gieren: Drehzahl AC erhöhen und BD proportional verringern

Quaerachse vorne nicken: Drehzahl CD erhöhen und/oder AB verringern

Querachse hinten nicken: Drehzahl AB erhöhen und/oder CD verringern

Längsachse rechts rollen: Drehzahl AD erhöhen und/oder BC verringern

Längsachse rechts rollen: Drehzahl BC erhöhen und/oder AD verringern