Wie fliegen Drohnen eigentlich?

Wir beginnen mit etwas ganz anderem: Hubschraubern. Es mag wie ein seltsamer Umweg erscheinen, aber ein wenig darüber zu wissen, wie Helikopter fliegen, wird das Verständnis des Drohnenfluges viel einfacher machen.

Ein typischer Hubschrauber hat einen Hauptrotor und einen Heckrotor. Es gibt auch andere Designs, aber sie alle arbeiten, um die gleichen Kräfte zu kontrollieren. Dies ist eine sehr einfache Erklärung, wie Helikopter fliegen, aber angemessen für unser Ziel, den Drohnenflug zu verstehen.

Der Helikopter hat einen Hauptrotor, der Schub nach unten erzeugt und das Fluggerät in die Luft. Das Problem ist, dass der Rotor, wenn er sich in eine Richtung dreht, eine Kraft auf den Hubschrauberkörper ausübt (danke Newton!) und daher sowohl der Rotor als auch der Hubschrauberkörper sich in entgegengesetzte Richtungen drehen würden.

Dies ist offensichtlich keine gute Art zu fliegen, weshalb Hubschrauber Heckrotoren haben. Dieser Rotor erzeugt einen horizontalen Schub, um dem Drehmoment des Hauptrotors entgegenzuwirken.

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Es gibt hecklose Helikopter mit anderen Anti-Drehmoment-Systemen, wie den russischen Kamov Ka-52, der verwendet zwei Hauptrotoren, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, bekannt als koaxiale Anordnung.

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Sie kennen wahrscheinlich auch den CH-47 Chinook der US-Armee, der über zwei massive gegenläufige Hauptrotoren verfügt, die sich gegenseitig das Drehmoment neutralisieren und gleichzeitig eine enorme Hubkapazität bieten.

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Was hat das mit Ihrem Quadrocopter zu tun? Alles!

Multirotor-Drohnen und das Drehmomentproblem

Wenn wir uns das Grundlayout des Quadcopters ansehen, werden Sie feststellen, dass die vier Rotoren in einem X-Muster angeordnet sind. Zwei Requisiten drehen sich im Uhrzeigersinn und die anderen beiden gegen den Uhrzeigersinn. Insbesondere drehen sich die vorderen Stützen in entgegengesetzte Richtungen und das gleiche gilt für die hinteren Stützen. Daher drehen sich gegenüberliegende Requisiten diagonal in die gleiche Richtung.

Das Endergebnis dieser Anordnung ist, dass, wenn sich alle Requisiten mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, die Drohne vollkommen ruhig bleiben sollte seine Nase fixiert.

Verwenden von Drehmoment und Schub zum Manövrieren

Wenn Sie die Nase der Drohne nicht in einer Position festhalten möchten, können Sie dieses Torque-Cancelling-Prinzip zum Manövrieren verwenden. Wenn Sie einige Motoren absichtlich verlangsamen und andere beschleunigen, würde das Ungleichgewicht dazu führen, dass sich das gesamte Fahrzeug dreht.

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Wenn Sie die beiden Heckmotoren beschleunigen, würde die Rückseite der Drohne ebenfalls Heben Sie das gesamte Fahrzeug nach vorne. Dies gilt für ein Paar Rotoren, sodass Sie das Fahrzeug in jede Himmelsrichtung neigen können.

Es gibt Probleme mit diesem Ansatz! Wenn Sie beispielsweise einen Rotor abbremsen, reduzieren Sie auch dessen Schub und ein anderer Rotor muss beschleunigen, um dies auszugleichen. Andernfalls würde der Gesamtschub abnehmen und die Drohne würde an Höhe verlieren. Wenn Sie jedoch den Schub eines Rotors erhöhen, neigt die Drohne mehr, was zu unerwünschten Bewegungen führt.

Der einzige Grund, warum ein Quadcopter oder ein anderes Multirotor-Flugzeug fliegen kann, ist die komplexe Echtzeit-Problemlösung, die von der Hardware durchgeführt wird, die es steuert. Mit anderen Worten, wenn Sie der Drohne sagen, dass sie sich im 3D-Raum in eine bestimmte Richtung bewegen soll, berechnen die Flugsteuerungssysteme an Bord genau, welche Geschwindigkeit jeder Motor die Rotoren drehen sollte, um dies zu erreichen.

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Aus Sicht des Piloten sind die Steuereingaben die gleichen wie bei jedem Flugzeug. Zuerst haben wir Gieren, bei dem sich die Drohne um ihre vertikale Achse dreht. Zweitens haben wir Pitch, bei dem sich die Nase der Drohne nach oben oder unten neigt, wodurch sie vorwärts oder rückwärts fliegt. Schließlich haben wir die Rolle, bei der sich die Drohne von einer Seite zur anderen bewegt. Natürlich haben Sie auch die Kontrolle über den Schub, der die Höhe der Drohne ändert.

Alle Bewegungen der Drohne sind eine Kombination dieser Bewegungen. Diagonal fliegen zum Beispiel ist eine Mischung aus Nicken und Rollen auf der Steuerung. Der Flugregler an Bord übernimmt die ganze komplizierte Arbeit, um beispielsweise herauszufinden, wie ein Befehl übersetzt wird. Neige die Nase in bestimmte Motordrehzahlen.

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$ 1.596,18 Kollektive vs. Fixed Pitch Rotoren

Es gibt noch einen letzten wichtigen Aspekt beim Fliegen von Multirotor-Drohnen, und das hat mit den Rotoren selbst zu tun. Fast alle Drohnen, die Sie heute kaufen können, verwenden “Fixed Pitch” Rotoren. Das bedeutet, dass sich der Winkel, in dem das Rotorblatt in die Luft schneidet, nie ändert.

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Zurück zu den Hubschraubern für einen Moment, der Hauptrotor ist normalerweise ein “Collective Pitch” Entwurf. Hier kann ein komplexer Satz von Gestängen den Angriffswinkel der Rotoren verändern.

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Bei Pitch Null (die Rotorblätter sind flach) wird kein Schub erzeugt, egal wie schnell sich der Rotor dreht. Wenn der positive Pitch (Wurfschub nach unten) erhöht wird, beginnt der Helikopter zu heben. Am wichtigsten ist, dass die Rotoren in eine negative Pitch-Position bewegt werden können. Hier stößt der Rotor nach oben, sodass das Fahrzeug schneller absteigen kann als durch die bloße Anziehungskraft.

Negativer Pitch bedeutet, dass der Helikopter theoretisch kopfüber fliegen kann, aber die meisten Helikopter in Originalgröße sind zu groß und zu schwer, um dies praktisch zu tun. Scale-Modellhubschrauber haben keine solche Einschränkung. Dies hat zum Aufstieg von “3D” RC-Helikopterflug und überwältigende Leistungen durch erfahrene Piloten.

Bei einem Rotor mit fester Steigung besteht die einzige Möglichkeit, den Schub zu erhöhen, darin, die Rotorgeschwindigkeit zu erhöhen, im Gegensatz zu einem Hubschrauber, bei dem die Rotorgeschwindigkeit beim Anheben konstant bleiben kann variiert. Dies bedeutet, dass die Drohne ihre Rotoren ständig beschleunigen oder verlangsamen muss, in keiner Lage im 3D-Raum fliegen und nicht schneller als im freien Fall absinken kann.

Warum haben wir keine Kollektiv-Pitch-Drohnen? Es gab Versuche wie den Stingray 500 3D Quadcopter, aber die Komplexität und die Kosten eines solchen Designs beschränken es auf spezielle Anwendungen.

Easy To Fly, Fliegt nicht leicht

Multirotor-Drohnen wie die DJI Mini 2 sind Wunderwerke der Technik und Computertechnologie. Sie können nur fliegen, weil verschiedene Wissenschaften und Technologien zusammenkommen, damit Sie im Urlaub ein paar tolle Clips bekommen können. Jetzt, wenn Sie Ihre Drohne das nächste Mal für eine Spritztour mitnehmen, werden Sie einen neuen Respekt vor dem haben, was der kleine Kerl kann.

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