Quadrocopter

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„Flug-Jeep“ Curtiss-Wright VZ-7AP

Ein Quadrocopter oder Quadrokopter (lat. quadrum ‚Viereck‘ und gr. πτερόν pteron ‚Flügel‘), auch Quadricopter, Quadrotor oder Schwebeplattform, ist ein Luftfahrzeug, das vier in einer Ebene angeordnete, senkrecht nach unten wirkende Rotoren oder Propeller benutzt, um Auftrieb und durch Neigung der Rotorebene auch Vortrieb zu erzeugen. Es gehört zu den Hubschraubern und kann wie diese oder auch wie VTOL-Flugzeuge senkrecht starten und landen.

Technik[Bearbeiten]

Antrieb von Quadrocoptern[Bearbeiten]

Im Modellbaubereich und bei Drohnen in Quadrocopterbauweise werden die Propeller meist direkt oder über ein Getriebe durch bürstenlose Gleichstrommotoren oder andere Gleichstrommotoren 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-Akkumulatoren bereitgestellt. Durch diese Antriebsart ist trotz geringer Größe der Fluggeräte eine erstaunlich hohe Traglast möglich.

Steuerung des Quadrocopters[Bearbeiten]

Ein kleiner Quadrocopter (DJI Phantom Quadrocopter)
Auf dem Bild ist die Steuereinheit eines Multicopter-/Quadrocopter-Systems zu sehen. Im oberen Bereich befindet sich das GPS-Modul, darunter das Navi-Board, gefolgt von der FlightControl mit den eingebauten Gyroskopen zur Stabilisierung. Im äußeren Kranz erkennt man die Brushless-Motor-Regler.

Quadrocopter werden meist in konventioneller +-Konfiguration sowie \times-Konfiguration bzw. H-Konfiguration (siehe Abbildungen in der Tabelle) aufgebaut.[1]:47 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 der \times- 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.

Quadrocopter benötigen zur Steuerung im Gegensatz zu Hubschraubern keinerlei mechanische Komponenten wie z.B. Taumelscheiben, Verstellpropeller oder Ruder. 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[1]:48. 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[1]:50.

Bei Quadrocoptern drehen sich jeweils zwei Propeller im (rot) bzw. gegen (blau) 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[1]:48.

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[1]:48.

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[1]:48.

Der Bediener ("Pilot") des Quadrocopters muss sich nicht um die konfigurationsabhängigen Ansteuerungsvarianten kümmern. Die Bedienung des Senders der Funkfernsteuerung ist sowohl bei Quadrocoptern in +-Konfiguration als auch bei solchen in \times- 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-Konfiguration der Hubschrauber. Bei der Steuerung treten kaum asymmetrische Artefakte aus Kreisel-Effekten auf.

Konfiguration steigen sinken Hochachse
rechts gieren
Hochachse
links gieren
Querachse
vorne nicken
Querachse
hinten nicken
Längsachse
rechts rollen
Längsachse
links rollen
+-Konfiguration
Drehzahl ABCD proportional erhöhen Drehzahl ABCD proportional verringern Drehzahl BD erhöhen und AC proportional verringern Drehzahl AC erhöhen und BD proportional verringern Drehzahl C erhöhen und A proportional verringern Drehzahl A erhöhen und C proportional verringern Drehzahl D erhöhen und B proportional verringern Drehzahl B erhöhen und D proportional verringern
\times- bzw. H-Konfiguration (gestrichelt)
Drehzahl ABCD proportional erhöhen Drehzahl ABCD proportional verringern Drehzahl BD erhöhen und AC proportional verringern Drehzahl AC erhöhen und BD proportional verringern Drehzahl CD erhöhen und/oder AB verringern Drehzahl AB erhöhen und/oder CD verringern Drehzahl AD erhöhen und/oder BC verringern Drehzahl BC erhöhen und/oder AD verringern
Kunstflugfähiger Mini-Quadrocopter in \times-Konfiguration, schwarze Propeller = vorne

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 \times- 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.

Durch Mischung der Steuerbefehle kann jeder Schubvektor im Raum erreicht werden. Je nach Konstruktion können Quadrocopter auch Loopings, Rollen und enge Turns fliegen[1]:47. In den letzten Jahren konnten dabei im Freizeitbereich durch Miniaturisierung der Steuer- und Stabilisierungselektronik sehr kleine kunstflugfähige und auch bei Wind stabil fliegende Quadrocopter auf den Markt gebracht werden.

Bei den Flugleistungen reichen die bekannten Quadrocopter nicht an mit vergleichbarer Gesamtmotorleistung ausgestattete Hubschrauber heran. Sie sind aber meist auch nicht auf hohe Geschwindigkeit ausgelegt (Ausnahmen sind Wandelflugzeuge in dieser Bauweise) sondern mehr auf stabile Fluglage und einfache Bedienung der Steuerung. Bei der Konzentration der Massen (Akkumulatoren, Steuerelektronik, Kamerasysteme) im Zentrum des Quadrocopters und durch den schnell veränderlichen Schubvektor sind aber grundsätzlich hohe Beschleunigungen möglich.

Stabilisierung durch unterschiedliche Strahlausrichtung[Bearbeiten]

Die Stabilisierung um die Hochachse kann durch verdrehte Montage der vier Propeller gegenüber dem Schwerpunkt erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass alle Propeller in der gleichen Richtung drehen können. Das Steuern der Dreh- und Kippbewegung funktioniert im Prinzip ähnlich wie bei Rotoren unterschiedlicher Drehrichtung.

Elektrische Stabilisierung durch Gyroskope[Bearbeiten]

Ferngesteuerter Modell-Quadrocopter, mittig das mechanische Gyroskop zur Stabilisierung
Modell-Quadrocopter mit rein elektronischer Stabilisierung

Grundlage für die Weiterentwicklung der Modell- und UAV-Quadrocopter sind Fortschritte in der Elektronik und Sensorik, die auf dem Markt ab etwa 2000 verfügbar waren und ab 2004 in Serienmodellen erschienen: Leistungsfähige Mikrocontroller werten die Daten von Gyroskopen aus und können so Kippmomente – die höher und plötzlicher auftreten als bei Hubschraubern, da der Auftriebsschwerpunkt meist in der Rotorebene liegt – automatisch ausregeln.

Dabei kommen Gyroskopsensoren auf Piezo-Basis oder MEMS (microelectromechanical systems) zur Messung der Winkelgeschwindigkeit zum Einsatz, die von dem Prozessor benutzt werden, um durch Drehzahlregelung der Elektromotoren die Drehraten zu dämpfen, womit das Fluggerät steuerbar bleibt. Nach heutigem Stand der Technik sollte beim Neubau oder Kauf eines Copters unbedingt auf MEMS-Gyros gesetzt werden, da Piezo-Sensoren auf unterschiedliche Witterungen und Temperaturunterschiede im Flug (Sonne und Schatten) reagieren können, was zu einem unruhigen Flug führen kann.

Andere Bauweisen benutzen einen mechanischen Kreisel, dessen Abweichungen zur Ausgangslage etwa über Hall-Sensoren aufgenommen werden (Inertiales Navigationssystem).

Die Verfügbarkeit kleiner bürstenloser Motoren (brushless motor) und Lithium-Polymer-Akkus mit deutlich verbessertem Leistungsgewicht ermöglicht Flugzeiten bis zu 30 min.

Da außer den Motoren keine mechanischen Teile wie Servomotoren, Gestänge und Rotorköpfe notwendig sind, ist diese Bauweise mechanisch einfacher zu realisieren als ein Hubschrauber.

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 Wegpunkte (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.

Anzahl und Anordnung der Rotoren[Bearbeiten]

Ein Octocopter transportiert 1,5kg Außenlast

Neben der oben beschriebenen konventionellen Konfiguration mit vier existieren auch Konstruktionen mit sechs, acht oder zwölf Motoren - teilweise in asymmetrischen Anordnungen-, wobei teils der Ausfall eines Antriebs automatisch erkannt und ausgeregelt wird (Redundanz). Modelle mit sechs Rotoren werden Hexacopter, mit acht Octocopter genannt.

Bei Tricoptern, die durch Beschränkung auf drei Motoren Gewicht und Bauteile sparen, wird die Gierachse, die mit drei Motoren alleine nicht steuerbar wäre, meist durch ein von einem Servo geschwenkten Motorträger angesteuert.

Allgemein spricht man von Multikoptern.

Entwicklung[Bearbeiten]

Oehmichen No. 2 (1922)

Zu Beginn der Entwicklung von Hubschraubern wurde häufig eine Vielzahl von Rotoren eingesetzt, da man sich etwa eine Steuerung mittels Taumelscheibe noch nicht praktisch vorstellen konnte. Der französische Luftfahrtpionier Étienne Oehmichen hatte schon seit 1920 mit Drehflügeln experimentiert, bevor sich am 11. November 1922 erstmals sein Oehmichen No. 2 in die Luft hob. Bei diesem frühen Quadrocopter waren die vier Rotoren elastisch, und ihr Anstellwinkel konnte durch Verschränkung über Seilzüge verändert werden. Daneben wurden weitere acht waagerecht wirkende Propeller für Stabilisierung und Vortrieb eingesetzt, da die Rotoren noch nicht präzise genug steuerbar waren. Das Oehmichen No. 2 war wohl der erste zuverlässige Senkrechtstarter, absolvierte mehr als 1000 Flüge und erreichte am 4. Mai 1924 Rekorde mit einer Flugzeit von 14 Minuten und einem Kilometer Kreisflug.

Mit der Entwicklung von Taumelscheibe und Heckrotor-, Tandem- oder Koaxial-Bauweise verschwand die Quadrocopter-Bauweise aus dem Blickfeld der Entwickler. Erst mit dem allgemeinen Interesse für VTOL-Fahrzeuge in den 1950er Jahren flogen wieder neue Quadrocopter:

  • Convertawings A von 1956, für die US-Armee, mit Gitterrohrrahmen, zwei Motoren und Riemenantrieb.
  • Der technisch bewusst einfach aufgebaute "Flug-Jeep" Curtiss-Wright VZ-7AP von 1958.
  • Der für schnellen Personentransport vorgesehene Curtiss-Wright X-19 mit Schwenkrotoren (1963).
  • Das in Deutschland ab 1963 entwickelte Transportflugzeug VC 400, das jedoch nicht über das Planungsstadium hinauskam.
  • Das experimentelle Schwenkrotor-Flugzeug Bell X-22 (1966).
  • Die einsitzige Aerotechnik WGM 21, die 1969 in Deutschland als Prototyp flog.

Im Oktober 2011 stellte die Startup-Firma e-volo einen personentragenden, elektrisch angetriebenen Multicopter mit 16 Rotoren vor.[2]

Einsatz[Bearbeiten]

Drohne AirRobot, am Stand der Bundeswehr auf der CeBIT 2006, eine Kamera tragend.

Aktuell werden (bis auf die experimentellen Muskelkraft-Hubschrauber) keine personentragenden Quadrocopter mehr eingesetzt. Die Bauweise tritt aber häufiger bei unbemannten Luftfahrzeugen sowie bei Modellhubschraubern auf. Verbreitete Anwendung findet der Quadrocopter in der Luftbildfotografie und -videografie.

Neben den kommerziell angebotenen Geräten mit Fernbetrieb entstehen auch vermehrt Privatprojekte und Eigenentwicklungen. Eine weitere Anwendung neben der Luftbildfotografie ist das Spaß- und Kunstfliegen. Fluggeräte hierfür basieren auf den gleichen Grundkomponenten, sind aber in Masse und Leistung anders konfiguriert. Zum Teil lassen sich die Quadrocopter im Hobbybereich (wie die Parrot AR.Drone) mittels des Bewegungssensors im Smartphone oder Tablet steuern, sodass die Bedienung schnell und intuitiv erlernbar ist.[3] Auch beschäftigen sich verschiedene Hochschulen mit dem Konzept, um robuste und kostengünstige Versuchsobjekte zur Verfügung zu haben, etwa für die Forschung im Bereich des Schwarmverhaltens.

Quadrocopter-Drohnen finden zudem ihren Einsatz im Militär. Neben den großen Drohnen, wie zum Beispiel der General Atomics MQ-9, werden auch Quadrocopter militärisch eingesetzt. Diese dienen dann meist der Aufklärung in schwer zugänglichen Krisengebieten. Quadrocopter können aber auch außermilitärisch von Vorteil sein. Katastrophenopfer können dank der Tragkraft der Quadrocopter, die mehrere Kilo betragen kann, mit lebensnotwendigen Hilfspaketen versorgt werden, noch bevor die Rettungsteams vor Ort sein können. An anderer Stelle dienen Quadrocopter auch dazu, Häuserfassaden auf Risse zu untersuchen, um so mögliche Gefahren früher zu erkennen.

Im Dezember 2010 griff die deutsche Bundesverbraucherministerin Ilse Aigner das Thema Datenschutz bei Bildübertragung durch Drohnen auf. Sie vertrat die Auffassung, dass private Betreiber „rechtlich schnell an Grenzen stoßen“ würden. Ein Sprecher des Bundesdatenschutzbeauftragten erklärte, dass der Einsatz eine rechtliche Grauzone darstelle.[4]

Im Rahmen des umstrittenen EU-Projekts INDECT wird auch der Einsatz von kamerabewehrten Drohnen zur „Erhöhung der Sicherheit“ der Bürger vor Kriminalität erforscht. Die Drohnen sollen Personen, die sich in der Öffentlichkeit „verdächtig verhalten“ haben, selbsttätig identifizieren und verfolgen und sind dafür miteinander per Funk vernetzt.

Im Jahr 2013 kündigten mehrere Versandunternehmen an, Paketauslieferungen mit Drohnen zu testen. Die Deutsche Post AG führte mit ihrem Paketservice DHL im Dezember 2013 einen Demonstrationsflug durch. Dabei wurden Medikamente mit einem Quadrocopter an Mitarbeiter der Deutschen Post geliefert.[5] [6] Inzwischen wird mit dem DHL Paket Quadrocopter die Insel Juist jeden Freitag mit Medikamenten und anderen dringenden Gütern mit dem DHL Paketcopter beliefert. Es ist das erste kommerzielle Pilotprojekt dieser Art in Europa. [7]

Genehmigungspflicht[Bearbeiten]

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In der Regel ist die private Nutzung von Quadrocoptern und ähnlichen Konstruktionen wie Oktokoptern, Hexacoptern usw. genehmigungsfrei möglich. Wird ein solches Fluggerät jedoch gewerblich betrieben, bedarf es einer Aufstiegserlaubnis. Dies gilt vor allem für gewerbliche Luftbildfotografie und andere Aktivitäten, die aus gewerblichem Grunde entstehen. Gewerblich bedeutet in diesem Zusammenhang nicht zwingend, dass ein Geldbetrag geflossen ist. Auch das kostenlose Erstellen von Luftbildern für Hausbesitzer, Buchautoren oder Gemeinden ist eine gewerbliche Handlung, die genehmigungspflichtig ist.[8][9]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Roland Büchi: Faszination Quadrokopter. 1. Auflage. Verlag für Technik und Handwerk, vth, 2010, ISBN 978-3-88180-791-3.
  •  Roland Büchi: Fascination Quadrocopter, English Version. 1. Auflage. 2011, ISBN 978-3-8423-6731-9.
  • Thomas Riegler: Quadrokopter richtig einstellen und fliegen. Franzis, Poing 2011, ISBN 978-3-645-65073-1.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Quadrotors – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c d e f g n. n.: Kreuzweise. Multikopter – was ist das denn? In: RC-HeliAction, Nr. 9, 2012, Wellhausen & Marquardt Mediengesellschaft, S. 46–50.
  2. Website von e-volo.
  3. Quadrocopter-Test der Stiftung Warentest mit Video test.de, 12. Juli 2012.
  4. Heise-Meldung vom 26. Dezember 2010.
  5. Benedikt Fuest: DHL testet erstmals Paketlieferung per Drohne. 9. Dezember 2013. Abgerufen am 10. Januar 2014.
  6. Danielle Elliot: DHL testing delivery drones. 9. Dezember 2013. Abgerufen am 10. Januar 2014.
  7. DHL beliefert Nordseeinsel Juist via DHL Paketcopter. 26. September 2014. Abgerufen am 26. September 2014.
  8. Informationen des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung über unbemannte Luftfahrtsysteme.
  9. § 16 (1) 7 Luftverkehrs-Ordnung, § 1 (2) Nr. 11 Luftverkehrsgesetz.