RC-Quadrocopter

RC-Quadrocopter, RC-Multicopter und RC-Drohnen machen den Traum vom Fliegen zur Realität. Die Möglichkeiten zum Fliegen, Schweben und Gleiten gehören seit Menschengedenken zu den größten Sehnsüchten. Unbemannte Flugsysteme wie Drohnen und RC-Quadcopter machen den Traum vom Fliegen für Jedermann zur Realität.

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Definition, Terminologie und Begrifflichkeit

RC-Multicopter und RC-Drohnen sind unbemannte Luftfahrzeuge und Luftsysteme, die zu kommerziellen oder nicht kommerziellen Zwecken im Rahmen ihres zivilen Gebrauchs eingesetzt werden. Je nach Anzahl der Rotoren spricht man auch von einem Quadrocopter (vier Rotoren), Hexacopter (sechs Rotoren) oder Octocopter (acht Rotoren). Darin eingeschlossen sind auch Sonderformen wie Monocopter (einrotorig), Bi- und Dualcopter (zweirotorig) oder Tricopter (dreirotorig). Die im zivilen Bereich wohl am häufigsten eingesetzte Bauform ist der RC-Quadrocopter (auch RC-Quadkopter, RC-Quadricopter oder RC-Quadrotor). RC-Multicopter und RC-Multirotorsysteme können per Funkfernsteuerung (Remote Control / Radio Control) oder mittels Autopilot bzw. intelligente Flugmodi gesteuert werden.

Top Ten RC-Quadrocopter

Oberbegriff Drohne für unbemannte Luftfahrzeuge

Der Begriff Drohne hat sich dabei als Oberbegriff für unbemannte Luftfahrzeuge etabliert und umfasst neben kommerziell und zivil gebrauchten Systemen auch solche Luftfahrzeuge, die zu militärischen Zwecken – etwa Aufklärungsmissionen oder zur gezielten Tötung –  genutzt werden. Aufgrund der negativen Konnotation wird der Begriff Drohne unter Modellfliegern weitestgehend vermieden, auch wenn er fachlich richtig und auch für mehrrotorige Systeme innerhalb des zivilen Gebrauchs durchaus zutreffend ist. Im internationalen Sprachgebrauch haben sich zudem die Bezeichnungen UAS und UAV herauskristallisiert. UAS steht für Unmanned Aircraft System und UAV für Unmanned Aircraft Vehicle. Beide Begriffe wurden insbesondere durch das Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten (United States Department of Defense, abgekürzt US DoD) sowie durch die US-amerikanische Luftfahrtbehörde FAA (United States Federal Aviation Administration) geprägt.

drone = powered, aerial vehicle that does not carry a human operator, uses aerodynamic forces to provide vehicle lift, can fly autonomously or be piloted remotely, can be expendable or recoverable, and can carry a lethal or nonlethal payload.

Die verschiedenen Terminologien können sowohl im internationalen als auch nationalen Sprachgebrauch variieren, zielen jedoch stets auf die Beschreibung eines unbemannten Luftfahrzeugs ab, das keinen menschlichen Piloten trägt und durch seine aerodynamischen Eigenschaften dazu befähigt ist, seinen Flugzustand selbstständig und/oder mit Hilfe einer Fernsteuerung oder eines Autopiloten beizubehalten. Zudem sind unbemannte Luftfahrzeuge nach der weiten Definition in der Lage, tödliche oder nicht tödliche Nutzlasten tragen zu können. Engere Definitionen sprechen nur dann von unbemannten Luftfahrzeugen oder Drohnen, wenn sie über einen Autopiloten verfügen. Demnach handelt es sich bei zivil und kommerziell genutzten Multikoptern nicht mehr um unbemannte Luftfahrzeuge (sprich Drohnen), sondern lediglich um ferngesteuerte Luftfahrzeuge. Da auch zivil und kommerziell genutzte Multikopter über einen Autopiloten beziehungsweise über autonom gesteuerte Flugmodi verfügen können, würde der Begriff Drohne selbst nach enger Definition folgerichtig zutreffen.

Einsatzgebiete eines RC-Quadrocopters

Die Einsatzgebiete eines RC-Quadrocopters bzw. eines ferngesteuerten Multikopters sind vielfältig und schier unerschöpflich. Durch das vergleichsweise hohe Payload (Zuladung) können von einer einfachen Action-Kamera bis hin zur professionellen Spiegelreflexkamera zahlreiche Systeme an einem Multikopter befestigt werden. Selbst Infrarot-, Thermal- oder Wärmebild-Kameras finden bei unbemannten Luftfahrzeugen im Rahmen von kommerziellen und zivilen Einsatzbereichen bereits Anwendung. Folgende Szenarien und Einsatzgebiete sind denkbar:

• Produktion von Luftaufnahmen: Durch ihre kostengünstige Anschaffung eignen sich Multikopter zur Produktion von Luftaufnahmen. Sowohl beeindruckende Fotos als auch Videos können mit Multikoptern für private oder gewerbliche Zwecke angefertigt werden. Eine Auswahl von tollen Drohnen-Videos gibt es hier: https://www.drohnen.de/category/drohnen-videos/

• Sport- und Freizeitaktivitäten: Mit so genannten Racing Drones bzw. FPV-Racern bieten unbemannte Luftfahrzeuge auch die Möglichkeit für spannende Wettbewerbe und Racing Events. Hier kommen Modellbauer und Profi-Piloten in spannenden Duellen voll auf Ihre Kosten. Mehr zum Thema: https://www.drohnen.de/5519/adrenalin-fpv-racing-mit-high-speed-quadrocoptern/

• Logistik- und Lieferdienste: Durch ihr vergleichsweise hohes Payload können Multikopter in naher Zukunft für Logistik- und Lieferdienste eingesetzt werden. Sie könnten nicht nur im kommerziellen Logistik-Bereich – zum Beispiel zur Lieferung von Paketen und Briefen – sondern auch im medizinischen Logistik-Bereich zum Einsatz kommen. Erste Feldversuche zur Lieferung von Medikamenten mittels Drohnen finden bereits statt: https://www.drohnen.de/3008/drohnen-im-zivilen-einsatz-dhl-schickt-paketkopter-2-0-zur-ueberlieferung-von-medikamenten/

• Inspektion und gutachterliche Aufgaben: Drohnen und Multikopter werden bereits erfolgreich zur Inspektion von technischen Anlagen – zum Beispiel Bohranlagen oder Hochspannungsleistungen – eingesetzt. Firmen erhoffen sich von der Technologie eine kostengünstigere Wartung und Instandhaltung. Mehr zum Thema: https://www.drohnen.de/1948/bp-rohoelkonzern-stattet-sich-mit-drohne-aus/

• Biologische Schädlingsbekämpfung: Drohnen und Multikopter werden auch zur biologischen Schädlingsbekämpfung – etwa zur Eindämmung von Mückenplagen oder zur Bekämpfung des Maiszünslers – eingesetzt. Insbesondere für Land- und Agrarwirte stellen Multikopter ein zukunftsträchtiges Hilfsmittel bei der biologischen Schädlingsbekämpfung dar. Mehr: https://www.drohnen.de/5611/mallorca-will-mueckenplagen-mit-drohnen-bekaempfen/

• Vermessungsaufgaben und Monitoring: Multikopter werden nicht nur zur Inspektion, sondern auch zur Vermessung oder zum Monitoring eingesetzt. Durch ihre schnelle Einsatzbereitschaft und die günstigen Kosten stellen sie im Rahmen der Photogrammetrie ein beachtenswertes Hilfsmittel dar: https://www.drohnen.de/379/drohnen-vermessen-gebirgszuege-in-den-alpen-matterhorn-und-sensefly-parrot/

• Weitere und spezielle Drohnen-Einsätze: https://www.drohnen.de/category/drohnen-news/drohnen-einsaetze/

Quadrocopter Test

Wie funktioniert ein RC-Quadrocopter

Ein RC-Multicopter verfügt über mehrere, in einer Ebene angeordnete Rotoren. Ein Rotor ist ein drehendes (rotierendes) Bauteil, das sowohl Propeller (seltener Rotorblätter bzw. Luftschrauben), Rotornabe bzw. Rotorkopf und Drehachse umfasst. Im Gegensatz zu Hubschraubern verfügen die Rotoren von Multikoptern nicht über Taumelscheiben, Schwenkgelenke, Verstellpropeller oder Ruder, so dass der Anstell- und Einstellwinkel von Multicopter-Rotoren mittels Steuereingaben nicht geändert werden kann. Rotoren an Multikoptern sind fest mit einem Motor bzw. Getriebe fixiert und verfügen über keine mechanisch einstellbaren Bauteile, was beachtenswerte Auswirkungen auf die Steuerung eines solchen Systems hat.

Auftrieb und Erhöhung der Drehzahl

Die Rotoren von Multikoptern wirken aerodynamisch. Als zentrale Baugruppe sorgen sie gemeinsam mit den Propellern für einen dynamischen Auftrieb, der nach unten gerichtet ist und so für den Flug- und Schwebezustand sorgt. Durch Erhöhung oder Verringerung der Motordrehzahl kann der Auftrieb erhöht oder gesenkt werden. Ist der Auftrieb größer als die Gewichtskraft, steigt ein Multikopter nach oben. Die Schubkraft zur Erzeugung des aerodynamischen Auftriebs wird durch Drehung der Propeller aufgebracht und ist damit abhängig von den verwendeten Motoren.

Steuerung: Gieren, Nicken, Rollen

Im Gegensatz zu Hubschraubern oder Tragflächenflugzeugen werden Multikopter nicht durch Änderungen am Anstellwinkel der Rotoren oder Ruder, sondern einzig und allein durch Erhöhung oder Verringerung der Motordrehzahl gesteuert. Ein Multikopter kann sich nicht nur durch die Anzahl, sondern auch durch die schematische Anordnung seiner Rotoren unterscheiden. So gibt es Quadrokopter in der Plus-Form (+) als auch in der X- bzw. H-Form.

Mehr und vertiefend zum Thema: Wie fliege ich einen Quadrokopter?

	RC-Quadrocopter in Plus-Bauform (+) eignen sich insbesondere im Rahmen von der Luftaufnahmen-Produktion weniger, da der vordere Ausleger samt Propeller bei Vorwärtsbewegungen im Bild zu sehen ist.
	RC-Quadrocopter in X- bzw. H-Bauform sind sowohl im kommerziellen Bereich (hochwertige Multikopter zur Produktion von Luftaufnahmen) als auch im Bereich der Spielzeug-Waren sehr beliebt.

Schwebeflug und exakte Positionierung

Plötzliche Kippmomente treten bei Multi- und Quadrokoptern besonders häufig auf, weil der Auftriebsschwerpunkt innerhalb der Rotorebene liegt. Zudem sind Multikopter ohne besondere Sensorik vor allen Dingen bei Wind- und Auftriebsschwankungen in ihrer Flugstabilität und ihren allgemeinen Flugeigenschaften sehr anfällig. Das hat zur Folge, dass der Pilot manuell gegensteuern und die Motordrehzahl erhöhen oder verringern muss, damit der Multikopter auf der Stelle schweben kann. Moderne Quadrokopter können zum Ausgleich von plötzlichen Kippmomenten und Driftbewegungen über diverse Sensoren verfügen, mittels denen sich der Quadrokopter selbstständig stabilisieren und letztlich ohne manuelle Fernsteuerungssignale schweben kann.

• 3-Achsen-Gyroskop: Das am häufigsten zur Stabilisierung verwendete System ist ein Gyroskop. Ein Gyroskop ist ein Kreiselinstrument und insbesondere für die räumliche Stabilisierung des Multikopters zuständig. Ein 3-Achsen-Gyroskop misst die Winkelgeschwindigkeit um die drei Drehachsen eines Multikopters – also die Roll-Achse, die Pitch-Achse als auch die Yaw-Achse.

• 3-Achsen-Beschleunigungssensor bzw. 3-Achsen-Accelerometer: Neben dem vielfach eingesetzten Gyroskop werden in modernen Multikoptern auch Beschleunigungssensoren bzw. so genannte Accelerometer eingesetzt. Der Beschleunigungssensor misst – wie der Name schon sagt – die Beschleunigung des Quadrokopters innerhalb der x-, y- und z-Richtung bzw. in Richtung der drei Bewegungsachsen.

• 3-Achsen-Magnetometer bzw- Kompass: Zusätzlich zum Gyroskop, Accelerometer und Barometer können Drohnen und Multikopter auch über ein Magnetometer verfügen. Ein Magnetometer ist zur Messung einer magnetischen Feldstärke zuständig und ähnelt insofern einem Kompass. Messwerte eines Magnetometers können durch magnetische und elektrische Störfelder – zum Beispiel bürstenlose Brushless-Motoren, Stahlteile, Bahnstrom, Elektrosmog oder Stromleitungen – stark verfälscht werden. Die hohe Empfindlichkeit sowie Störanfälligkeit eines Magnetometers bzw. eines Kompasses soll im Rahmen von Multikoptern durch eine Kalibrierung (im Idealfall vor jedem Start) auf ein Minimum reduziert werden. Nur so können Sensorfehler und infolgedessen auch Messfehler vermieden und ein ruhiger, stabiler und letztlich sicherer Flugzustand gewährleistet werden.

• Barometer bzw. Höhenmesser: Für die korrekte Höhe des Multikopters wird häufig auch ein Barometer zu Rate gezogen. Ein Barometer misst weder Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehraten, magnetische Feldstärken oder Beschleunigung, dafür jedoch den Luftdruck. Durch die je nach Höhe unterschiedlichen Messwerte in puncto Luftdruck kann ein Barometer die etwaige Höhenposition ermitteln und weitergeben. Da Luftdrücke nicht allein durch Höhe, sondern auch durch Parameter wie Turbulenzen und insbesondere Temperaturunterschiede abhängig sind, besteht bei der Positions- und Höhenmessung mittels Barometer ebenfalls eine recht hohe Fehleranfälligkeit.

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  Verbundsysteme bzw. Sonar- und Ultraschall-Sensoren: Neben dem Barometer können bei der Positions- und Höhenmessung eines Multikopters auch Baugruppen und Komponenten zum Einsatz kommen, die Messwerte auf Basis von optischen Systemen (z.B. herkömmliche Kameras) erfassen. Weitere für das menschliche Auge unsichtbare Messmethoden – z.B. Infrarot-, Ultraschall- und Lasersensoren – werden zur Positions- und Höhenmessung ebenfalls eingesetzt. Im Consumer-Bereich haben sich Verbund-Systeme aus optischen Kameras und Ultraschall- bzw. Schallwellen-Sensoren (z.B. DJI Inspire 1 / Phantom 3 Advanced und Phantom 3 Professional sowie Parrot Bebop Drone) etabliert. Diese Systeme gleichen optische Kamerabilder und Ultraschall-Bilder innerhalb einer Sekunde vielfach ab und können auf diese Weise den genauen Abstand zum Boden messen. Nachteilig bei einem solchen „Vision Positioning System“ ist der externe Einbauort, der hohe Energieverbrauch, die höhenseitig stark begrenzte Funktionalität sowie die sehr hohe Fehleranfälligkeit. Spiegelungen auf Oberflächen (z.B. Wasser) und weitere optische Beeinträchtigungen (z.B. Rauch- und Schmutzpartikel in der Luft oder Verunreinigungen auf Kameralinsen) können Messwerte verfälschen und somit die Positions- und Höhenerkennung beinträchtigen. Nicht zuletzt deshalb eignen sich Kamera- und Ultraschall-Systeme zur Positionsermittlung eines Quadrokopters hauptsächlich für den Indoor-Einsatz (Einsatz innerhalb von Räumen, wenn das GPS-Signal schwach ist) und in der Regel nur bei kontraststarken Untergründen sowie niedrigen Höhen. Ultraschall-Systeme erleichtern automatische Start- und Landevorgänge.

• GPS und Glonass: Neben all diesen Systemen zur Orientierungs- und Positionserkennung verfügen RC-Multicopter und RC-Quadrocopter zusätzlich über ein GPS-Modul. Ein solches GPS-Modul wird aufgrund der hohen Kosten in der Regel nicht bei günstigen Fun- und Spielzeug-Quadrokoptern, sondern nur bei semiprofessionellen Hobby- und Profi-Quadrokoptern eingebaut. Mittels GPS-Daten wird die zweidimensionale Position eines Quadrokopters auf Basis von Satellitendaten ermittelt. Durch aktive Steuerungseingriffe können Quadrokopter anhand von Geokoordinaten nicht nur ihre Position auf wenige Meter genau halten, sondern auf Knopfdruck auch zum Abflugpunkt (so genannte Coming Home-Funktion) zurückkehren. Davon ab werden mittels GPS-Daten auch intelligente Flugmodi wie Follow Me, Wegpunkt-Navigation (Waypoints), POI (Point of Interest) oder IOC (Intelligent Orientation Control) realisiert. Das so genannte Geofencing, also die Integration von Flugverbotszonen (No Fly Zone) mittels virtuell definierten Bereichen wird ebenfalls auf Basis von GPS-Koordinaten umgesetzt. Neben dem GPS-Modul verbauen die Hersteller zunehmend auch Glonass-Module. Mehr zu diesem Thema kann man hier nachlesen: GPS & Glonass: Geschichtlicher und technischer Hintergrund.

Datenfusion im dreidimensionalen Raum: Die Messwerte der verschiedenen Drehraten-, Beschleunigungs-, Magneto- und Höhensensoren werden an einen Mikrocontroller im Inneren des Multikopters weitergeleitet und schließlich ausgewertet. Anhand von Datenfusion und komplizierten Algorithmen kann schließlich die genaue Lage des Multikopters innerhalb eines dreidimensionalen Raumes errechnet werden. Durch diese Orientierungs- und Positionsbestimmung sind Mikrocontroller wiederum in der Lage, Abweichungen im dreidimensionalen Raum in Echtzeit zu erkennen und mittels Drehzahl-Korrekturen für einen stabilen Flugzustand zu sorgen. Die hohe Empfindlichkeit der verschiedenen Sensoren zur Orientierungs- und Positionsbestimmung geht mit einer hohen Störanfälligkeit einher. Die hohe Störanfälligkeit von Multikopter-Sensoren kann durch Kombination mehrerer Systeme extrem gering gehalten werden. Beim Kauf oder dem Bau eines Multikopters sollte man also unbedingt darauf achten, welche Sensoren bereits integriert sind oder welche Sensoren man noch einbauen möchte. Als Faustregel gilt: Je mehr Sensoren, desto stabiler und störunanfälliger ist auch der Flugzustand.

Kamera-Ausgleichssysteme an RC-Quadcoptern und RC-Drohnen

Kamera-Drohnen und RC-Quadrocopter können – insofern sie zur Produktion von Luftaufnahmen ausgelegt sind – über ein Kamera-Ausgleichssystem verfügen. Ein Kamera-Ausgleichssystem bezeichnet man auch als Gimbal. Mittels einer solchen kardanischen Kamera-Aufhängung sollen sanfte, verwackelungsfreie Luftaufnahmen ermöglicht werden. Mehr zum Thema Gimbal und Kamera-Aufhängung gibt es hier nachzulesen: https://www.drohnen.de/4602/was-ist-ein-gimbal-bildstabilisierung/.