Der Flugmodellsport ist ein faszinierendes und sehr interessantes Hobby. Schon seit 15 Jahren bin ich begeisterter Modellpilot und beschäftige mich mit dem Bau, der Technik und dem Fliegen von Flugzeugmodellen. Als vor ein paar Jahren die Drohnen- und Multicoptertechnik erst so richtig in Fahrt kam und ich meine wissenschaftlichen Arbeiten für mein Studium planen musste, war für mich klar: Diese Technik möchte ich mir genauer ansehen und verstehen lernen. Flugmodellbau mit integrierter Computertechnik, vom selbststabilisierenden Flugmodus bis hin zu vollkommen autonomen Missionen, die vor dem Start geplant werden können. Mit Hilfe von GPS ist alles möglich. Eine überaus faszinierende Kombination aus PC- und Softwaretechnik, gepaart mit meinem jahrelangen Hobby, dem Flugmodellbau, besser geht es nicht.
Also kombinierte ich mein Hobby mit meinem Studium und bekam dadurch die Möglichkeit, die Multicoptertechnik von Grund auf im wahrsten Sinne des Wortes zu studieren. Daraus resultierten zwei wissenschaftliche Arbeiten, wovon eine meine Abschlussarbeit war. Und so konnte ich meine ganze Energie in das neue Thema der Multicoptertechnik investieren. Ich hatte dadurch die Gelegenheit, in den letzten Jahren einige Multicopterprojekte zu entwickeln und umzusetzen. Allerdings ist die Technik zum Teil sehr komplex und umfangreich. Deshalb entstand nach meinem Studium die Idee, die gesamte Thematik doch einmal verständlich und übersichtlich in Wort und Bild zu fassen.
Wieso also nicht ein Buch darüber schreiben, welche Erfahrungen ich in den letzten Jahren mit der Multicoptertechnik gesammelt habe? Wie Multicopter aufgebaut sind, wie die gesamte Technik rund um den Multicopter funktioniert und zusammenarbeitet, auf was geachtet werden muss und wie man solch ein Fluggerät selbst bauen kann, beschreibe ich in diesem Buch.
Um hier einmal etwas Licht ins Dunkel zu bringen, habe ich mich dazu entschlossen, nicht nur ein oder zwei dieser verschiedenen Flightcontroller-Systeme zu erklären und in den Bauprojekten zu benutzen, vielmehr sind es fünf verschiedene Systeme, deren technische Grundlagen in diesem Buch behandelt werden. Sie werden auch alle fünf in den Bauprojekten verbaut, eingestellt und geflogen. Wie Sie sich vorstellen können, erfordert es einige Zeit, solch umfangreiche Recherchen und Bauprojekte umzusetzen und darüber auch noch ein Buch zu verfassen.
Einen Multicopter zu bauen ist das eine, die gesamten Projekte auch zu dokumentieren und verständlich zu beschreiben, was man da tut, ist nochmal ein ganz neuer Grad der Auseinandersetzung. Aus diesem Grund möchte ich an dieser Stelle einigen Leuten danken, ohne die dieses Buchprojekt nicht möglich gewesen wäre, in das ich viel Energie und Herzblut investiert habe. Ohne die Unterstützung der Familie geht es sicher nicht. Speziell meinen Eltern, die mir mit Rat und Tat während aller Schreib- und Bauphasen zur Seite standen, möchte ich für die Unterstützung danken. Meiner Freundin Lisa danke ich recht herzlich, für etliche Seiten Korrekturlesen und die Unterstützung während des gesamten Buchprojektes. Weiterhin danke ich Benjamin Allbach, der es überhaupt erst möglich gemacht hat, die Multicopterprojekte – auch zum Zwecke der Wissenschaft für das Projekt »Mobile Urban Sensing«, siehe www.corp.at/archive/CORP2014_87.pdf – während meines Studiums umzusetzen. Ebenso danke ich dem Franzis-Verlag, insbesondere Herrn Dr. Stäuble für die Möglichkeit der Umsetzung dieses Buches und für die gute Zusammenarbeit.
Patrick Leiner
Dieses Buch richtet sich vor allem an Technikinteressierte und Flug- und Modellbaubegeisterte, die die neue Sparte des Multicopterfluges fasziniert, und jeden, der selbst einmal eine Multicopterdrohne bauen möchte. Sicher gibt es heute viele fertige Drohnen in einem unschlagbaren Preissegment unter 100 Euro, allerdings macht es viel mehr Spaß, solch ein Fluggerät selbst zu bauen. Die eigene Drohne, das eigene Fluggerät selbst zu planen, die Teile zu bestellen, den Lötkolben in die Hand zu nehmen und Kabelverbindungen und Stecksysteme zu löten, um zum Schluss das selbst gebaute Multicoptermodell vor sich stehen zu haben und es dann auch noch zu fliegen, ist ein unvergessliches Gefühl.
Beim Selberbauen eines Copters lernen Sie viel mehr, als wenn Sie eine fertige Drohne kaufen, auspacken und losfliegen. So viele faszinierende Details, Aha-Effekte und technische Möglichkeiten warten bei einem Do-it-yourself-Drohnen-Bauprojekt auf Sie, dass es sich mehr als lohnt, solch ein Flugmodell selbst zu bauen. Nicht zu unterschätzen ist auch das Know-how, das Sie sich während eines Multicopter-Bauprojektes aneignen, sollte doch einmal etwas kaputt gehen oder nicht funktionieren. Haben Sie Ihren Multicopter von Grund auf selbst gebaut, finden Sie oft sehr viel schneller den Fehler oder können etwas reparieren, da Sie genau wissen, wo der Schuh drückt.
Dabei macht es dieses Buch aus, dass es Ihnen alle nötigen Informationen an die Hand gibt, die Sie benötigen, um ein solches Projekt umzusetzen. Von der Luftschraube bis zur Flugsteuerung wird Ihnen alles anschaulich erklärt und mit Bildern und Grafiken verdeutlicht.
Haben Sie noch keine Erfahrungen mit dieser Technik oder trauen sich so ein Projekt nicht zu? Kein Problem, denn im zweiten Teil des Buches finden Sie drei verschiedene Bauprojekte, die Schritt für Schritt erklären und mit Bildern zeigen, wie ein Copter, egal ob ein kleiner Rennflitzer für rund 135 Euro oder ein großer Power-Octocopter mit FPV, Actioncam und Telemetrie, selbst gebaut werden kann. Selbst fünf unterschiedliche Flightcontroller werden in den Bauprojekten verbaut, eingestellt und geflogen, was es ihnen leichter macht, sich für eines dieser Systeme zu entscheiden.
Die Bauprojekte werden tatsächlich von Grund auf erarbeitet, was nachvollziehbar macht, wieso welche Teile verwendet werden und was diese kosten. Wenn Sie also schon länger mit dem Gedanken spielen, einmal selbst eine Multicopterdrohne zu bauen, dann sind Sie hier genau an der richtigen Adresse.
Dieses Buch bietet Ihnen alle Informationen rund um die Themen Multicoptertechnik, Multicopter selber bauen und fliegen sowie Grundlageninformationen und alle rechtlichen Aspekte, die es beim Fliegen eines Copters zu beachten gilt. Zudem wird gezeigt, wie Sie Ihre Multicopterdrohne mit weiteren Bauteilen wie etwa Telemetrie, Akkuerweiterung oder einer FPV-Anlage tunen können. Das Buch ist in zwei große Abschnitte aufgeteilt.
PREISANGABEN
Alle im Buch genannten Preise wurden im Februar 2016 ermittelt.
Im ersten Teil erfahren Sie alles über die Grundlagen der Technik, Rechtliches, Berechnungen und Planung eines Copter-Bauprojektes.
Im zweiten Teil greifen wir dann selbst zu Schraubenschlüssel und Lötkolben und bauen in drei verschiedenen »MAKE-Kapiteln« eine kleine Low-Cost-Drohne, einen Allround-Quadrocopter sowie einen Power-Octocopter.
In diesem Buch können Sie sich also auf folgende Kapitel und Themen freuen:
Los geht es mit der Beschreibung, was eine Drohne ist, was diese ausmacht und woher die Bezeichnung überhaupt stammt. Auch werden verschiedene Typen von Drohnen bis hin zur Kategorie des Multicopters beschrieben.
Eine erste Übersicht klärt darüber auf, was einen Multicopter ausmacht, wo dieser Drohnentyp überall zum Einsatz kommt und welche verschiedenen Bauarten es gibt. Zudem werden die verschiedenen Drehrichtungen der Luftschrauben und der Zweck dahinter erläutert.
Neben vielen Grundlageninformationen dreht sich in diesem Kapitel alles um die einzelnen Bauteile und die Anatomie eines Multicopters: vom Motor über den Brushless-Regler bis hin zu verschiedenen Flightcontrollern und ihren Einstellungen.
Dieses Kapitel befasst sich mit der komplexen Frage, wo und unter welchen Umständen man einen Multicopter fliegen darf, unter Einbeziehung möglicher Risiken. Eine zusammenfassende Strukturübersicht, wo Sie eine Multicopterdrohne fliegen lassen dürfen, sowie die Fragen zur Rechtslage im Bereich des FPV-Fliegens und der Luftbildfotografie runden dieses wichtige Kapitel ab.
Hier bekommen Sie das Rüstzeug an die Hand, das Sie brauchen, um eigene Berechnungen zur Auslegung der Bauteile in einem Drohnen-Selbstbauprojekt durchführen zu können. Sie berechnen das Gesamtgewicht eines Multicopters, die Motorleistung und Schubkraft und die Flugzeit des Fluggerätes. Mit den errechneten Werten geht es dann an die Auswahl der Bauteile.
Nachdem Sie die rechnerischen Grundlagen verinnerlicht haben, erhalten Sie in diesem Kapitel die konkrete Anleitung zum Einstellen der PID-Werte eines Multicopters. Dabei könen Sie auf verschiedene Art und Weise vorgehen, um am Ende einen gut eingestellten Multicopter zu besitzen.
Kurz vor der Bauphase geht es darum, welche Überlegungen angestellt und welche Fragen beantwortet werden müssen, bevor mit der Teileauswahl, den Berechnungen und dem eigentlichen Bau eines Multicopters begonnen werden kann. Lernen Sie auch die Grundmaterialien kennen, die beim Copter-Bau immer benögt werden. Sie haben noch nie gelötet? Ein kleiner Lötkurs zeigt, wie die verschiedenen Lötarbeiten durchzuführen sind. An dieser Stelle des Buches sind Sie fit für den Einstieg in die Bauphase.
Der Startschuss für Bauprojekt 1 ist gefallen! Wir planen und bauen eine kleine Spaßdrohne. Hauptmerkmal bei diesem Projekt sind die Kosten, die wir so niedrig wie möglich halten wollen, um am Ende eine Drohne für ca. 130,- Euro zu bauen. Nach dem erfolgreichen Erstflug wird gezeigt, wie das Fluggerät und der eingebaute CC3D-Flightcontroller verbessert und auch für fortgeschrittene Piloten eingestellt werden können. Zum Ausklang dieses Kapitels gibt es ein Sahnehäubchen, das Ihnen zeigt, wie Sie einen alternativen Flightcontroller, etwa ein KK-Board oder einen MultiWii Crius 2.6, einbauen, einstellen und fliegen können.
Zeit für Bauprojekt 2. Ziel ist es, einen Allround-Quadrocopter zu planen, zu bauen und zu fliegen. Der Quadrocopter soll so ausgelegt werden, dass er stabil und sicher, aber auch schnell und agil geflogen werden kann. Hierfür wird eine DJI-Naza-Steuerung eingesetzt. Am Ende von Bauphase 2 steht eine Tuningmaßnahme, die zeigt, wie Sie durch den Einbau eines zweiten Akkus die Flugzeit des Quadrocopters steigern können.
Die Kür! Bauprojekt 3 steht unter dem Motto »Meisterprüfung Power-Drohne«. Sie planen, bauen und fliegen einen großen Power-Octocopter mit einem APM-Flightboard. Der Copter wird so berechnet, dass die Flugzeit mindestens eine halbe Stunde beträgt. Das ist aber noch nicht alles, denn Sie werden das Fluggerät so tunen, dass man am Ende ein Telemetriesystem und ein selbststabilisierendes Gimbal mit einer eingebauter Actioncam am Copter montiert ist.
Allgemein interessante Fragen zum Thema sowie Fehlerquellen und Lösungen werden hier diskutiert und beantwortet.
Vorwort
Drohne, Flugzeug oder was?
Luft-, Land- und Wasserfahrzeuge
Multicopter, Quadrocopter, Hexacopter und Co.
Multicopter und was sie ausmacht
Im Einsatz von Militär bis kommerziell
Funktionsweise einer Multicopterdrohne
Typische Bauform und Varianten
Fluggeräte und Anzahl der Rotoren
Ausrichtung der Fluglage
Was rotiert hier verkehrt herum?
Drehrichtungen der Luftschrauben
Bauteile und ihre Eigen schaften
Rahmen eines Multicopters
Centerplate, Ausleger und Landegestell
Materialanforderungen an den Rahmen
Rahmenbausatz oder selber bauen?
Bauprojekt mit 3-D-Drucker realisieren
Systembausatz und Einzelteile
Rahmengröße und Einsatzzweck
Motoren im Multicopterbau
Wirkprinzip des Gleichstrom-Bürstenmotors
Aufbau des bürstenlosen Motors
Brushlessmotoren: Innen- und Außenläufer
Kennzahlen von Brushlessmotoren
Pole und Nuten bei einem 12N14P-Motor
Auswirkung auf die Motoreigenschaften
Stromaufnahme und Betriebsspannung
Regelmäßige Wartung von Brushlessmotoren
Motorsteuerung – der Brushlessregler (ESC)
Wie funktioniert ein Brushlessregler?
Spezieller Reglertyp für Multicopter
SimonK – Multicopter-ESC-Software
BLHeli – Softwarealternative zu SimonK
Durchlass der vollen Akkuleistung – PWM
Energiedurchlass per P-FET oder N-FET
Energieversorger – BEC oder Opto?
Was wird speziell für eine Multicopterdrohne benötigt?
ESC-Stromfluss in Ampere (A)
Spannung (V) und Zellenzahl (S)
Energieversorgung per UBEC sicherstellen
Luftschrauben im Copterbau
Kunststoff, Glasfaser oder Carbon?
Wichtige Kennzahlen einer Luftschraube
Unterschiedliche Montagemöglichkeiten
Auswahl geeigneter Luftschrauben
Methoden zum Ausbalancieren
Akku: Hier kommt Spannung auf
Vorteile von LiPo-Akkus
Nachteile von LiPo-Akkus
Der Trick mit dem Balanceranschluss
Synchronschwimmen im LiPo-Pack
Wie macht sich ein Akku-Defekt bemerkbar?
Kennzahlen von LiPo-Akkus
Parallel- und Reihenschaltung
Lagerung und Wartung
Ladegeräte und Ladetechnik
Auf die richtige Leistung achten
Ladegerät mit mehreren Betriebsmodi
Ein extra Ladekabel in Betracht ziehen
Ladegeräte gleich für mehrere Akkus
Laden mit 12 und mit 230 Volt
Aufgabe des Flightcontrollers
Funktionsweise und Steuereigenschaften
Sensoren für optimale Flugeigenschaften
Flugposition erfassen und stabilisieren
Erweiterung durch optionale Sensoren
PID-Regler für Ist-Soll-Vergleiche
Openpilot/Librepilot – Steuersoftware
Flugmodi der OpenPilot-Software
MultiWii – Steuersoftware
Flugmodi der MultiWii-Software
DJI-Flightcontrollersystem
Komponenten der DJI-Naza-Flugsteuerung
Einstellungen in der DJI-Assistant-Software
Flightmode-Auswahl der DJI-Systeme
IOC-Einstellung für Fluganfänger
Kompass-Kalibrierung durchführen
Ardupilot-Flightcontrollersystem
Vielfältige Flugmodi und Einstellmöglichkeiten
Mission Planner – perfekte Benutzeroberfläche
Flugmodi des Ardupilot-Mega-Systems
Einstellungsmöglichkeiten und Flugmodi der Software
Flightcontroller mit Mission Planner einstellen
Ardupilot Mega – Begriffserklärungen
Kalibrieren der APM-ESCs
Autotune – PIDs einstellen leicht gemacht
Log-Daten herunterladen und analysieren
KK-Flightcontrollerboard
Einfach in der Handhabung
Flugmodi mit dem KK-Board
Anpassungen und Einstellungen
Anlernen des Gasweges
Entscheidungshilfe in Sachen Flightcontroller
RC-Anlage – Funksteuerung des Multicopters
Funktionsweise der RC-Anlage
Lehrer/Schüler-Modus
RC-Anlage für Multicopter
2,4-Gigahertz-Fernsteueranlagen
Die Steuermodi 1 bis 4
Auswahl einer Fernsteuerung
Steuerachsen eines Multicopters
Telemetriesysteme
Telemetrieverbindung via Bluetooth
Telemetrieverbindung via Funkmodul
Telemetrieverbindung via RC-Anlage
Kameras, Gimbals und FPV
Und Action: Kameras in der Luft
Actioncams für Bild- und Videoaufnahmen
Kameras für professionelle Luftbilder
Kameras für Filme in Kinoqualität
Rolling-Shutter-Effekt
Bildübertragung per Live-out-Anschluss
Das Gimbal – die Kameraaufhängung
Immersionsfliegen wie im Cockpit (FPV)
Komponenten einer FPV-Anlage
Kompatible Frequenzen und Kanäle
FPV mit Stabantenne oder Clover-Leaf?
Latenzzeit eines FPV-Systems
OSD-Livedaten in ein Videobild einspielen
Checkliste: Anschaffung einer FPV-Anlage
Gesetze, Rechtslage und Versicherung
Sicherheit geht vor!
Risiken und Gefahren
Rechtslage und Versicherung
Flugmodell oder UAV
Eine Modellflugversicherung ist Pflicht
Rechtsvorschriften und Aufstiegsgenehmigungen
Erlaubnis des Grundstückseigentümers
Landen und Starten von öffentlichen Wegen
Allgemeine Aufstiegsgenehmigung einholen
Einholen einer Einzelaufstiegsgenehmigung
Einhaltung des aktuellen Luftfahrtrechts
Ausnahmen bestätigen die Regel
Checkliste: Gesetzes- und Verordnungsaufzählung
Überblick: Wo und wie darf man fliegen?
Rechtslage FPV und Telemetrie
Rechtslage – Fotos und Videos aus der Luft
Rechnerische Grundlagen
Es geht mit einfachen Berechnungen
Gewicht, Schubkraft, Motor, Akku und Flugzeit
Gewichtsberechnungen für die Bauteile
Grobe Berechnung des Rahmengewichtes
Benötigte Schubkraft
Verhältnis von Gesamtgewicht zu Schubkraft
Geeignete Motoren auswählen
Auswahl einer Rotorkombination
Daten und Parameter der Komponenten
ESC-Auswahl und C-Wert
Maximaler Stromfluss durch den Motor
Flugzeitberechnung und -optimierung
Optimierung der Flugzeit
PID-Werte einstellen
Methoden zum Ändern der PID-Werte
Methode 1 – Ändern via USB-Verbindung
Methode 2 – Ändern via Fernsteuerung
Methode 3: Ändern via Telemetrieverbindung
Einstellung der PIDs während des Fluges
PID-Einstellung durch Festhalten des Copters
PID-Einstellung durch Seilaufhängung
PID-Feintuning im Flug
Planung Selbstbaucopter
Was geklärt werden muss
Was will ich mit der Drohne machen?
Welche Bauteile brauche ich?
Welchen Rahmen verwende ich?
Wie hoch sollen die Kosten sein?
Welche Bauteile kommen an welche Stelle?
Checkliste aller wichtigen Planungsfaktoren
Rahmen selber bauen oder Rahmenbausatz?
Grundmaterial und technische Ausstattung
Checkliste der Grundausrüstung
Kleiner Lötkurs für Drohnenbauer
Stecker und Buchse anlöten
Kabel aneinander löten
Pins in eine Platine löten
Einen neuen Akkusteckers löten
Einen JST-Stecker löten
Bau einer Low-Cost-Drohne
Das Baukonzept ausarbeiten
An erster Stelle steht der Kostenfaktor
Grundlegender Funktionsumfang der Drohne
Festlegen der für den Bau benötigten Teile
Checkliste der benötigten Bauteile
Einkauftstipps und Bauteileauswahl
Der Rahmen - Basis der Multicopterdrohne
Der Flightcontroller – für die Steuerung (CC3D)
Der Empfänger – passend zum Fernsteuersystem
Der Motor – die wichtigste Entscheidung
Der Akku – im Rahmen der Budgetbeschränkung
Die LEDs - für jeden Ausleger ein Streifen
Berechnungen prüfen und Fluganalyse erstellen
Durchführen einer Flugzeitberechenung
Finale Teileliste und Gesamtkosten
Bau der Multicopterdrohne von A bis Z
Bauphase 1: Exakte Anordnung der Bauteile
Bauphase 2: ESC- und Motorkabel zuschneiden und löten
Bauphase 3: Montage der Motoren, ESCs und LEDs
Bauphase 4: Verkabelung und Akkustecker löten
Bauphase 5: Flightcontroller montieren
Bauphase 6: ESCs und Flightcontroller verbinden
Bauphase 7: Empfänger einbauen und anschließen
Bauphase 8: Akku und Akkuchecker montieren
Software: Grundkonfiguration der Steuersoftware
Software: Kalibrieren der Fernsteuerung
Software: Parameter zur Flugstabilisation
Bauphase 9: Montage der Luftschrauben
Fire it up! Bereitmachen für den Erstflug
Pre-Flight-Checkliste abhaken
Fernsteuerung einschalten
Akku mit dem Copter verbinden
Flightboard hochfahren
Drohne scharf schalten
Richtigkeit der Steuereingaben checken
Checkliste: Multicopter flugfertig machen
Langsam Gas geben und abheben
Erkenntnisse nach dem Jungfernflug
Feintuning der Low-Cost-Drohne
PID-Tuning step by step
Checkliste: PID-Tuning
Agilerer Flugstil mit Rollen und Flips
Alternativer Flightcontroller KK-Board
Zum Einbau des KK-Boards benötigte Teile
Einbau und Verkabelung des KK-Boards
Flightcontroller einschalten und kalibrieren
Montieren der Luftschrauben
Pre-Flight-Check und flugfertig machen
Feine Anpassungen der PI-Settings
Alternativer Flightcontroller MultiWii Crius
Einbau und Verkabelung des MultiWii Crius
Softwarepakete downloaden und konfigurieren
Fernsteuerung einstellen und Flugmodi festlegen
ACC, Magnetometer und ESCs kalibieren
Pre-Flight-Check und flugfertig machen
Möglichkeiten, den Coper zu modifizieren
Allround-Quadrocopter
Das Baukonzept ausarbeiten
Grundlegender Funktionsumfang des Copters
Kriterien für die Auswahl eines Rahmens
Festlegen der für den Bau benötigten Teile
Anfallende Kosten für das Copter-Projekt
Berechnungen und Bauteilauswahl
Der Rahmen – einfach und mit ausreichend Platz
Der Flightcontroller – einfach zu handhaben (DJI-Naza)
Der Empfänger – passend zum Steuersystem
Der Motor – die wichtigste Entscheidung
Die ESCs – passend zum Motor
Die Luftschrauben – passend zu Rahmen und Motor
Der Akku – passend zur Gewichtsklasse
Der Schwebestrom – Basis für die Flugzeitberechnung
Bau des Allround-Quadrocopters
Bauphase 1: Rahmen zusammenbauen
Bauphase 2: Anordnung der Bauteile
Bauphase 3: Motoren und ESCs montieren
Bauphase 4: Stromverteiler montieren
Bauphase 5: ESC- und LED-Kabel löten und montieren
Bauphase 6: Montage des Flightcontrollers
Bauphase 7: ESCs und Empfänger anschließen
Bauphase 8: Akku umlöten und montieren
Software: Software installieren und einstellen
Software: Fernsteuerung einstellen
Software: Weitere Softwareeinstellungen
Software: ACCs kalibrieren
Bauphase 9: Motorrichtungen überprüfen
Bauphase 10: Gasweg der ESCs anlernen
Bauphase 11: Kompass kalibrieren
Bauphase 12: Luftschrauben montieren
Fire it up! Bereitmachen für den Erstflug
Pre-Flight-Check und flugfertig machen
Ausschlagrichtungen der Fernsteuerung testen
Abheben und Testen der Flugeigenschaften
FPV-Tuning und PID-Optimierung
FPV-Tuning - der Techniktrend schlechthin
FPV-Brille - Do-it-yourself-Bausatz
Spannungsregler in das Kamerakabel löten
Kamera und FPV-Sender am Copter anbringen
PID-Werte einstellen und optimieren
Flugzeittuning mit zweitem Akku
Flugzeitberechnung mit einem zweiten Akku
Copter für die Parallelschaltung vorbereiten
Power-Octocopter
Das Baukonzept ausarbeiten
Nebenziel und Funktionsumfang
Festlegen aller benötigten Bauteile
Rahmengröße des Octocopters
Einschätzung anfallender Kosten
Bauteilauswahl und Berechnungen
Der Rahmen: Lastenträger, optimiert fürSchubkraft
Der Flightcontroller: mit Erweiterungsmöglichkeiten (APM 2.6)
Die Fernsteuerung: Mit integrierter FailSafe-Funktion
Der Motor: Die wichtigste Entscheidung
Bau des Power-Octocopters
Dies und das – was sonst noch benötigt wird
Bauphase 1: Rahmen zusammenbauen
Bauphase 2: Anordnung der Bauteile
Bauphase 3: Motoren und ESCs löten
Bauphase 4: Motoren und Stromverteiler befestigen
Bauphase 5: ESC-Kabel verlängern und löten
Bauphase 6: LED Kabel zuschneiden und löten
Bauphase 7: Adapter zur Stromversorgung löten
Bauphase 8: Flightcontroller initialisieren und kalibrieren
Bauphase 9: Montage des Flightcontrollers
Bauphase 10: ESCs und Empfänger verbinden
Bauphase 11: Kompassmodul anbringen und anschließen
Bauphase 12: ESC-Kabel und Empfänger befestigen
Bauphase 13: Akkus befestigen
Software: Fernsteuerung einstellen und kalibrieren
Software: Flightmodes und Leerlaufdrehzahl einstellen
Software: ESCs kalibrieren und Motordrehrichtungen prüfen
Software: FailSafe-Funktion einstellen
Bauphase 14: Luftschrauben montieren
Fire it up! Bereitmachen für den Erstflug
Pre-Flight-Check und flugfertig machen
Motoren hochfahren und abheben
Einbau des Telemetriesystems
Gimbal-Actioncam-FPV-Tuning
Flugzeit nach der Tuning-Maßnahme
Kabel verbinden und FPV-Sender befestigen
Rundum-Optimierung durchführen
FAQs und Fehlerquellen
Fragen und Antworten
Fehlerquellen allgemein
Fehlerquellen OpenPilot
Fehlerquellen MultiWii
Fehlerquellen KK-Board
Fehlerquellen ArduPilot
Fehlerquellen DJI Naza
Glossar
Index
Bildnachweis
Impressum
Luft-, Land- und Wasserfahrzeuge
Drohne für Luftaufnahmen – DJI Inspire.
»Drohnen, das sind doch diese Aufklärungsflugzeuge vom Militär, in denen keiner mehr drin sitzt.« So oder so ähnlich lautete noch vor ein oder zwei Jahren die Antwort, wenn Otto Normalbürger danach gefragt wurden, was sie sich unter einer Drohne vorstellten. Im Grunde ist das auch gar nicht so verkehrt, denn das Wort stammt im technischen Zusammenhang tatsächlich von einer militärischen Entwicklung. Um Kampfpiloten auch mit dem Umgang scharfer Munition vertraut zu machen und Luftkämpfe so realistisch wie möglich zu gestalten, entwickelte das Militär schon sehr früh Flugzeuge ohne Bewaffnung, die unbemannt geflogen werden konnten und zur Übung dienten. Diese Flugzeuge wurden Drohnen genannt.
Das ist allerdings nur eine von vielen Herkunftserklärungen dieses Wortes. Heute hat sich das Wort schon sehr weit im allgemeinen Sprachgebrauch verbreitet und wird nicht mehr ausschließlich mit militärischen Flugzeugen in Verbindung gebracht. Von kleinen Spielzeugfliegern mit vier Rotoren über autonom fliegende Kameracopter für Foto- und Filmaufnahmen bis hin zu Fluggeräten, die in Zukunft einmal die Auslieferungen unserer digitalen Einkäufe übernehmen sollen, alles wird heute als »Drohne« bezeichnet.
Was aber bedeutet das Wort genau? Als Drohne werden alle Fahrzeuge bezeichnet, egal ob Flugzeuge, Autos oder Schiffe, die unbemannt sind und fern- oder autonom gesteuert werden. Daraus wird ersichtlich, dass es eine Unterteilung in Luft- Land- und Wasserfahrzeuge gibt. Es werden natürlich auch super klingende englische Wörter und Abkürzungen verwendet. Flugdrohnen werden deshalb auch als UAV (unmanned arial vehicle), Landfahrzeuge als UGV (unmanned ground vehicle) und Schiffe als USV (unmanned surface vehicle) bezeichnet.
Wenn wir uns diese Informationen genau betrachten, wird schnell klar, wieso alle kleinen Fluggeräte, egal ob mit zwei oder acht Rotoren, Drohnen genannt werden. Viele von ihnen können durch eine spezielle Software und mit GPS-Daten autonom fliegen und so gut wie jede kann ferngesteuert werden. Es stellt sich natürlich die Frage, warum diese Fluggeräte, gerade im Zusammenhang mit Fernsteuerungen und Modelltechnik, nicht Flugmodelle genannt werden.
Quelle: Bundeswehr/Pietruszewski/Sebastian Pietruszewski/Heer
Dohne für den gewerblichen Einsatz – Microdrones MD4-1000.
Grundsätzlich besteht Modellbau in der Nachbildung von tatsächlich existierenden oder zumindest früher einmal existenten Fahrzeugen im kleineren Maßstab. Natürlich gibt es die Ausnahme, dass auch ferngesteuerte Flugzeuge »Flugmodelle« genannt werden, die es als großes Original nie gab.
Der Grundgedanke des Modellbaus und des RC-Modellbaus in der Nachbildung von Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen bleibt jedoch der gleiche. Da es Fluggeräte wie etwa den vierrotorigen Quadrocopter so noch nicht »direkt« im manntragenden Flugverkehr gab und sich diese neue Technik doch sehr von der herkömmlichen Flugmodelltechnik unterscheidet, hat sich nunmehr das Wort Drohne etabliert. Wieso noch nicht direkt im Flugverkehr?
Quadrocopter gibt es tatsächlich schon seit einigen Jahrzenten, doch die Technik war nie so weit ausgereift, dass daraus ein serientaugliches Fluggerät wurde. Erst der heutige Entwicklungsstand der Elektrotechnik und Mikroelektronik sowie der massive Preisverfall dieser Bauteile durch die Serienproduktion führten zur Massentauglichkeit dieser Technik. Da die Bauteile nicht mehr utopisch teuer sind, können heute Drohnen angeboten werden, die sich im Preissegment von 100 bis 1000 Euro befinden. Die Bauteile, die für einen Eigenbau einer Drohne nötig sind, werden heute auch im World Wide Web in allen Größen und Spezifikationen angeboten. Genau an diesem Punkt setzt dieses Buch an. Denn allein sich durch den endlosen Dschungel der angebotenen Drohnenteile zu klicken, kann sehr nerven- und zeitraubend sein.
Wichtig ist, dass Flugdrohnen mit zwei bis acht Rotoren auch Multicopter genannt werden. Also ist ein Multicopter einfach eine Unterkategorie der Flugdrohnen. Aus diesem Grund ist in diesem Buch auch immer die Flugdrohne oder eben der Multicopter gemeint, egal ob von einer Drohne, einem Multicopter, einem Copter oder einer Multicopterdrohne die Rede ist.
Tatsächlich ist das Wort Drohne unter Modellfliegern etwas verpönt, da die gesellschaftliche Assoziation mit diesem Wort immer noch sehr oft Richtung Militär, Krieg, Kampfdrohnen oder Fluggeräte zu Spionagezwecken tendiert. Mit einem Messer können Sie aber auch eine Straftat begehen, oder Sie teilen ein Brot in ein paar Stücke und verteilen es unter Obdachlosen. Es kommt immer darauf an, wie eine Sache verwendet wird. Nicht jeder, der eine Drohne mit eingebauter Kamera fliegt, hat vor, seinem Nachbarn damit durch die Fenster zu schauen. Aber genau dieser Irrglaube der Gesellschaft, dass mit einer Drohne nur Unfug getrieben wird, führt zu der Abneigung, seinen Freizeitsport als Drohnenfliegen zu bezeichnen. Aus diesem Grund werden in der Modellflugszene überwiegend die treffenderen Bezeichnungen Multicopter sowie seiner verschiedenen Bauformen Quadrocopter, Hexacopter und Co. verwendet.
Jetzt, da wir wissen, woher die Bezeichnung Drohne kommt und dass der Multicopter lediglich eine Unterkategorie dieser ist, können wir uns damit beschäftigen, wie ein Multicopter funktioniert, wie die Anatomie dieses Fluggerätes aussieht, wie er also aufgebaut ist, und wie die Einzelteile zusammenarbeiten und kommunizieren.
Im Einsatz von Militär bis kommerziell
Funktionsweise einer Multicopterdrohne
Typische Bauform und Varianten
Ausrichtung der Fluglage
Was rotiert hier verkehrt herum?
Quelle: Bundeswehr/Pietruszewski/Sebastian Pietruszewski/Heer
Aufklärungsdrohne der Bundeswehr – AirRobot AR 100-B. Mit diesen Drohnen können taktische Manöver durchgeführt werden, die vorher nicht möglich waren. Beispielsweise können Gebäude von innen observiert und erkundet werden.
Um einen Multicopter selbst zu bauen, müssen wir wissen, wie solch ein Fluggerät aufgebaut ist, welche Bauteile welchen Zweck erfüllen und worauf bei der Auswahl geachtet werden muss. Es stellt sich also die Frage, was einen Multicopter ausmacht oder ihn von anderen Fluggeräten unterscheidet. Multicopter ist ein zusammengewürfeltes Wort aus Multi für mehrfach oder viele und Copter, dem englischen Wort für Hubschrauber. Genau das macht einen Multicopter aus. Er ist laut Definition ein Hubschrauber mit mehr als einem Rotor. Er kann ebenso wie ein Helikopter gesteuert werden und hat ein ähnliches Flugverhalten.
Multicopter bieten viele Einsatzmöglichkeiten. Im Großen und Ganzen kann in die größten drei Einsatzgebiete unterteilt werden: den militärischen, den kommerziellen und zivilen Einsatz sowie die Anwendung in der Forschung. Da Drohnen allgemein aus dem militärischen Bereich stammen, ist es nicht verwunderlich, dass auch Multicopterdrohnen im großen Umfang zu militärischen Zwecken eingesetzt werden.
In der Forschung werden Multicopter schon lange eingesetzt. Sie dienen der Erforschung von neuen Techniken und der Entwicklung innovativer Software zur Steuerung von autonom agierenden Fluggeräten. Es wird auch das Zusammenwirken der Multicoptertechnik mit innovativen Forschungsprojekten, wie etwa die Positionsbestimmung in Räumen ohne GPS-Unterstützung, erforscht.
Einer der größten Bereiche, nach dem militärischen Einsatzzweck, sind die zivilen, kommerziell und privat genutzten Multicopter. Hierunter fallen alle Spielzeugdrohnen sowie unternehmerisch eingesetzte Multicopter.
Das Einsatzgebiet in diesem Bereich ist sehr umfangreich und entwickelt sich ständig weiter. So werden Multicopter benutzt, um Windräder oder Solaranlagen zu inspizieren, Felder im Auftrag von Bauern auf Rehkitze abzuscannen und Foto- und Filmmaterial aus luftiger Höhe zu erstellen. Auch kommen Multicopter immer mehr bei Sicherheitseinsätzen der Polizei oder bei Manövern der Feuerwehr zum Einsatz.
Spielzeugdrohne CX-10.
Kameradrohne Coptercam8 mit einer selbststabilisierenden Kamerahalterung (Gimbal).
Drohne zum SAR-Einsatz (Search and Rescue) – Microdrones MD4-1000.
In der Industrie werden Multicopter unter anderem zur Inspektion von hohen Windrädern eingesetzt. Die langen und hoch angebrachten Rotorblätter können so aus der Luft auf Risse oder Beschädigungen überprüft werden. Auch großflächige Solarfelder können mit einem Multicopter aus der Luft schnell auf Beschädigungen überprüft werden, sodass die Leistung der Anlage auf einem hohen Level gehalten werden kann.
Eines der zurzeit am stärksten wachsenden Anwendungsbiete der Multicoptertechnik ist die Luftfotografie, vom Hobbybereich bis hin zur gewerblichen Erstellung von Filmmaterial in Kinoqualität. In vielen Blockbustern oder Werbefilmen kommen heute Kameracopter zum Einsatz.
Wie funktioniert eine Multicopterdrohne im Gesamten? Den Flightcontroller können wir sozusagen als Gehirn des Copters bezeichnen. Bei ihm beginnt die Informationskette. Er errechnet mit Hilfe der Sensoren, etwa Beschleunigungssensoren, Gyroskopen oder Höhenmessern, die Lage des Fluggerätes. Dazu benötigt ein Multicopter allerdings eine stabile Fluglage, die in diesem Fall rein über die Drehzahl der Motoren stabilisiert wird. Um also eine Lagekorrektur einzuleiten, errechnet der Flightcontroller die nötige Drehzahländerung aller Motoren.
Vor dem Motor sitzt ein sehr wichtiges Bauteil: der Brushlessregler, auch ESC (Electronic Speed Control) genannt. Dieser steuert den Motor an und regelt somit die Drehzahl. Der Flightcontroller gibt den angeschlossenen Brushlessreglern eine neue Drehzahl vor. Diese passen daraufhin die Drehzahl der Motoren an, sodass eine stabile Fluglage gewährleistet werden kann. Dieser Vorgang ist also essentiell in der Multicoptertechnik, um das Fluggerät ruhig in der Luft zu halten.
Octocopter mit allen Bauteilen – Der Flightcontroller in der Mitte errechnet die aktuelle Fluglage, vergleicht sie mit der Soll-Fluglage und rechnet das Steuersignal des Piloten mit ein. Er gibt den angeschlossenen Brushlessreglern die Information über die geforderte Drehzahl des Motors. Jeder Regler (ESC) setzt selbst die geforderte Drehzahl am Motor um.
Am Flightcontroller ist auch ein Empfänger angeschlossen, der mit der Fernsteuerung verbunden ist. Gibt der Pilot eine Flugrichtung vor, zum Beispiel die Vorwärtsrichtung, sendet der Empfänger in der Drohne diese Information an den Flightcontroller weiter. Dieser errechnet die neuen Drehzahlen, um in den Vorwärtsflug zu wechseln. Ein Flightcontroller benötigt also verschiedene Sensoren zur Auswertung der aktuellen Fluglage. Sogenannte Drehratensensoren (Gyroskope) und Beschleunigungssensoren (Accelerometer) werden mindestens benötigt, und das für jede der drei Flugachsen. Um einen noch stabileren und teilweise auch autonomeren Flug zu realisieren, können weitere Sensoren wie Barometer, GPS oder ein Kompass angeschlossen werden.
Schema Quadrocopter.
Schema Hexacopter.
Schema Octocopter.
Schema Duocopter.
Schema Tricopter.
Im Alltag begegnen wir eigentlich immer nur einer Bauform eines Multicopters. Egal ob zu Hause, als Spielzeug oder in den Nachrichten: Wenn die Rede von einer Drohne, einem Multicopter oder einem Quadrocopter ist, ist fast immer die gleiche Bauform gemeint, nämlich die des Quadrocopters. Vier Rotoren, vier Arme, ein Rumpf, so sieht die Standarddrohne aus. Doch neben der typischen Bauform gibt es einige Varianten, wie solch ein Multicopter aussehen oder aufgebaut sein kann. Statt vier Arme und Motoren können auch sechs oder acht verbaut sein. Statt nur eines Motors können sich jeweils zwei übereinander befinden, was als koaxiale Anordnung bezeichnet wird.
Grundsätzlich werden Multicopter erst einmal nach der Anzahl ihrer Rotoren unterteilt. Besitzt eine Multicopterdrohne vier Rotoren, handelt es sich um einen klassischen Quadrocopter . Sind an dem Fluggerät sechs Motoren verbaut, handelt es sich um einen Hexacopter . Ein Multicopter mit acht Motoren wird Octocopter genannt.
Sonderformen gibt es natürlich auch. Sehr selten, aber doch möglich zu bauen, ist ein zweimotoriger Duocopter oder Twincopter . Er hat zur präzisen Steuerung neben den Rotoren noch zwei Servomotoren, damit die beiden Rotorgondeln einzeln verstellt werden können. Eine Drohne mit drei Motoren wird Tricopter genannt. Bei ihr ist am hinteren Rotor ein einzelnes Servo zur Steuerung montiert.
Diese beiden Varianten werden jedoch aufgrund der höheren Anforderungen an bewegliche Rahmenbauteile und der zusätzlich benötigten Servomotoren nur selten gebaut. Dies sind also die verschiedenen Multicoptertypen. Zudem gibt es Unterschiede in der Art und Weise, wie der jeweilige Coptertyp zusammengebaut ist. Ein Octocopter muss nicht unbedingt acht Arme besitzen, an denen jeweils ein Motor befestigt ist. Es gibt auch die Möglichkeit, einen Octocopter mit vier Armen zu bauen. Diese Form wird als X8 oder Koaxial-Octocopter bezeichnet.
Nicht nur Octocopter können unterschiedlich aufgebaut sein. Eine weitere Form ist zum Beispiel ein nicht in X-Form, sondern in H-Form gebauter Quadrocopter.
Die Tabelle zeigt die vielen Bauarten:
| BAUARTEN UND MOTORANORDNUNGEN EINES MULTICOPTERS | |
| Kurzform | Info |
| Duo (Twin) | Copter mit zwei Motoren. |
| Y3 | Tricopter, drei Motoren, die Front befindet sich zwischen zwei Auslegern. |
| IY3 | Tricopter, drei Motoren, die Front befindet sich an einem Ausleger. |
| Quad X | Quadrocopter, vier Motoren, die Front befindet sich zwischen zwei Auslegern. |
| Quad + | Quadrocopter, vier Motoren, die Front befindet sich in Richtung eines Auslegers. |
| Quad H | Quadrocopter, vier Motoren, die Front befindet sich zwischen zwei Auslegern, Anordnung fast wie ein X, Konstruktion und Abstände der Motoren wie ein H. |
| Hexa X | Hexacopter, sechs Motoren, die Front befindet sich zwischen zwei Auslegern. |
| Hexa + | Hexacopter, sechs Motoren, die Front befindet sich in Richtung eines Auslegers. |
| Octo X | Octocopter, acht Motoren, die Front befindet sich zwischen zwei Auslegern, wird auch als Flat-Octocopter bezeichnet. |
| Octo + | Octocopter, acht Motoren, die Front befindet sich in Richtung eines Auslegers, wird auch als Flat-Octocopter bezeichnet. |
| Y6 | Koaxialer Tricopter Hexacopter, sechs Motoren, die Front befindet sich zwischen zwei Auslegern. |
| IY6 | Koaxialer Tricopter Hexacopter, sechs Motoren, die Front befindet sich in Richtung eines Auslegers. |
| Quad X8 (X8 X) | Koaxialer Quadrocopter Octcocopter, acht Motoren, die Front befindet sich zwischen zwei Auslegern. |
| Quad +8 (X8 +) | Koaxialer Quadrocopter Octcocopter, acht Motoren, die Front befindet sich in Richtung eines Auslegers. |
| H6 | Hexacopter, sechs Motoren, die Front befindet sich zwischen zwei Auslegern, Konstruktion und Abstände der Motoren wie ein H. |
| H8 | Octocopter, acht Motoren, die Front befindet sich zwischen zwei Auslegern, Konstruktion und Abstände der Motoren wie ein H. |
| V6 | Hexacopter, sechs Motoren, die Front befindet sich zwischen zwei Auslegern, Konstruktion und Abstände der Motoren wie ein V. |
| V8 | Octocopter, acht Motoren, die Front befindet sich zwischen zwei Auslegern, Konstruktion und Abstände der Motoren wie ein V. |
MULTICOPTER-LAYOUT
Die Anordnung der Motoren sowie die Ausrichtung des Rahmens wird auch Layout genannt. Bei der Auswahl eines Flightcontrollers (sozusagen des Gehirns eines Copters) muss beachtet werden, dass nicht jeder Flightcontroller alle Layouts unterstützt. Vor der Auswahl der Bauteile sowie dem Rahmenbau muss also geklärt sein, ob der Flightcontroller das gewünschte Layout zur Verfügung stellen kann.
Beim Bau eines Multicopters stehen einem somit viele verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, wie das Fluggerät aufgebaut werden kann.
Die Ausrichtung der Fluglage spielt bei einem Multicopter eine große Rolle. Sie muss in der jeweiligen Software eingestellt werden, sodass der Flightcontroller weiß, wie der Copterrahmen aufgebaut und wo vorne und hinten ist. Die beiden bedeutsamsten Ausrichtungen stellen die sogenannte x- sowie die +-Konfiguration dar.
Quadrocopter in X-Ausrichtung.
Quadrocopter in +-Ausrichtung.
In der x-Ausrichtung befindet sich die Front des Fluggerätes immer zwischen zwei Auslegern. In der +-Ausrichtung befindet sich die Front in Richtung eines Auslegers. Viele Multicoptervarianten, unter anderem Quadrocopter, Hexacopter und Octocopter, können in diesen beiden Ausrichtungen gebaut und geflogen werden. Eine spezielle Form der Ausrichtung stellt bei einem Quadrocopter die H-Konfiguration dar. Sie ist ähnlich ausgerichtet wie die X-Konfiguration, mit dem Unterschied, dass die Abstände der Ausleger und die Anordnung der Motoren kein X ergeben, sondern die Motoren an zwei Hauptarmen befestigt werden, was eher einem H ähnelt.
Prinzip des Drehmoments an einem Helikopter.
Jeder, der sich für Luftfahrt und Fluggeräte ein wenig interessiert, hat sich sicher schon einmal die Frage gestellt, wieso eigentlich ein Hubschrauber einen Heckrotor hat. Um das zu erklären, benötigen wir einen kleinen Ausflug in die physikalischen und mechanischen Vorgänge, die hier ablaufen. Ein Hubschrauber besitzt in den meisten Fällen einen Hauptrotor. Wenn der Rotor sich dreht, entsteht ein Drehmoment, das den Rumpf des Hubschraubers in entgegengesetzter Rotationsrichtung in Drehung versetzen möchte.
Quadrocopter in H-Ausrichtung.
TRICOPTER UND DREH MOMENT
Bei einem Tricopter wird das Dreh moment ausgeglichen, indem der hintere Rotor mit einem zusätzlichen Servomotor gegen den Dreh moment schräg angestellt wird.
Jeder Heimwerker kennt dieses Phänomen beim Arbeiten mit einem Akkuschrauber. Wird eine Schraube rechtsherum in ein Stück Holz verschraubt und festgezogen, nehmen wir wahr, dass sich der Akkuschrauber linksherum weiter drehen möchte. Das ist der gleiche Effekt wie bei dem Rotor. Versuchen Sie es doch zu Hause einmal, und achten Sie auf diesen Vorgang.
Um dieses Drehmoment zu kompensieren, stattet man einen Helikopter mit einem Heckrotor aus, der diesem Drehmoment entgegenwirkt. Wird also die Schubkraft des Heckrotors verringert, dreht der Hubschrauber sich gegen die Rotationsrichtung des Hauptrotors, wird sie erhöht, dreht er sich mit ihr.
Was hat das alles mit unserem Multicopter zu tun? Am Beispiel eines Quadrocopters lässt sich das sehr gut erklären. Ein Quadrocopter hat vier Rotoren. Würden alle vier in der gleichen Drehrichtung rotieren, hätten wir wieder dasselbe Problem wie bei einem Hubschrauber ohne Heckrotor. Dieses Problem wird im Multicopterbau mit einem Trick beseitigt. Zwei der vier Rotoren laufen rechts- und zwei linksherum. Das bewirkt, dass sich alle Drehmomente gegenseitig aufheben.
Quadrocopter mit Rotordrehrichtungen.
Bei Varianten wie Hexacoptern oder Octocoptern ist ebenfalls jeweils die Hälfteder Rotoren rechts-, die andere linksherum laufend.
Rotordrehrichtungen eines Hexacopters in X-Ausrichtung.
Rotordrehrichtungen eines Octocopters in X-Ausrichtung.
Das sind erst einmal die allgemeinen Drehrichtungen der Luftschrauben eines Multicopters. Beim Bau eines Copters sollten diese Drehrichtungen sicherheitshalber immer anhand des Flightcontroller-Datenblattes oder in der Software überprüft werden. Nicht alle Flightcontrollersystem haben die gleichen Drehrichtungen für ein und denselben Multicoptertyp. Hier gilt es also, sich nicht blind auf die allgemeinen Drehrichtungen zu verlassen, sondern die Informationen besser einmal zu viel als zu wenig anzusehen.
TEILEÜBERSICHT
Der Rahmen einer Drohne setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen. Die sogenannte Centerplate fungiert als Hauptkonstruktion in der Mitte einer Drohne. Die Ausleger dienen zur Überbrückung der Distanz zwischen Motoren und der Konstruktionsbasis. Das Landegestell sorgt für einen sicheren Stand am Boden. Er besteht bei höherwertigen Produkten aus Carbon (CFK). Andere Materialien sind Aluminium und Kunststoff. Der Rahmen muss sehr stabil und trotzdem leicht sein. Die Größe des Rahmens entscheidet über die späteren Flugeigenschaften.
Octocopter-Rahmen X930 aus Glasfaser und Aluminium.
Der Flightcontroller ist das Herzstück einer Drohne. Er besteht aus einem Mikrocontroller, angeschlossenen Sensoren und vielen Anschlüssen für ein- und ausgehende Informationsflüsse. Er errechnet mit Hilfe seiner Sensoren ständig die aktuelle Position des Fluggerätes und gibt den angeschlossenen ESCs Steuerbefehle zur Drehgeschwindigkeit der Motoren.
Beispiele von Flightcontrollern verschiedener Systeme:
Openpilot CC3D
DJI Naza
KK Board
MultiWii Crius 2.6
Ardupilot Mega 2.6
Brushlessmotoren sind sehr effizient und leistungsstark. Sie werden über drei Kabel angesteuert, im Gegensatz zu ihren Vorgängern, den Gleichstrom-Bürstenmotoren, die nur zwei Anschlüsse haben. Der Hauptvorteil eines Brushlessmotors steckt schon in seinem Namen. Er hat keine Kohlebürsten zum Wechseln der Stromrichtung, die die Effizienz senken und schnell verschleißen. Die Ansteuerung der Motoren muss durch eine spezielle Elektronik übernommen werden. Dies geschieht mit Hilfe der ESCs (Electronic Speed Control).
Brushlessmotoren für den Einsatz in einer Multicopterdrohne.
Für den Betrieb eines Brushlessmotors wird ein Brushlessregler benötigt. Er bestimmt die genaue Rotorposition des Motors und koordiniert die Ansteuerung der drei Motoranschlüsse. Der ESC bekommt vom Flightcontroller eine Drehzahlvorgabe übermittelt. Er vergleicht so Soll- und Istgeschwindigkeit und passt sie an.
ESCs (Brushlessregler) zum Ansteuern der Brushlessmotoren.
Luftschrauben, auch Propeller genannt, bringen die Leistung eines Motors »in die Luft«. Durch ihre geschwungene Form befördern sie die Luft nach unten und erzeugen so den Auftrieb, der nötig ist, um eine Drohne abheben zu lassen. Zwei wichtige Kennzahlen hat eine Luftschraube: den Durchmesser und die Steigung (geschwungene Form). Beides wird in Zoll angegeben. Eine Luftschraube muss zum verwendeten Motor passen.
Luftschrauben einer Drohne (Carbon und Kunststoff).
Ohne Energie läuft nichts. Der Akku ist der Energielieferant aller Multicopterdrohnen. Seine Größe ist entscheidend für die Flugeigenschaften und die maximal mögliche Flugzeit. Heute werden in Drohnen fast ausschließlich Lithium-Polymer-Akkus (LiPo) eingesetzt.
Lithium-Polymer-Akkus mit Spannungsüberwachung.
Die Fernsteueranlage wird benötigt, um eine Drohne manuell zu steuern. Schalter an der Fernsteuerung können dazu benutzt werden, verschiedene Flugmodi ein- und auszuschalten.
Quelle: Graupner/SJ GmbH
Fernsteuerungen der Marke Graupner (Pultsender) und FlySky (Handsender).
In der Drohne sitzt der Empfänger, der die Steuersignale des Piloten an den Flightcontroller weiterleitet.
Empfänger einer Fernsteueranlage.
Eine besondere Erweiterungsmöglichkeit einer Drohne ist ein FPV-System (First Person View). Hiermit kann der Pilot sich in die Flugansicht seiner Drohne versetzen und via Bildschirm oder FPV-Brille das Kamerabild live mitverfolgen.
FPV-Kamera Fatshark 700TVL und FPV-Brille Fatshark Teleporter V5.
Rahmen eines Multicopters
Motoren im Multicopterbau
Motorsteuerung – der Brushlessregler (ESC)
Luftschrauben im Copterbau
Akku: Hier kommt Spannung auf
Ladegeräte und Ladetechnik
Aufgabe des Flightcontrollers
OpenPilot – Steuersoftware
MultiWii – Steuersoftware
DJI-Flightcontrollersystem
Ardupilot-Flightcontrollersystem
KK-Flightcontrollerboard
Entscheidungshilfe in Sachen Flightcontroller
RC-Anlage – Funksteuerung des Multicopters
Telemetriesysteme
Kameras, Gimbals und FPV
Immersionsfliegen wie im Cockpit (FPV)