Drohnozoo: Heli-, Quadro-, und andere -copter

MQ-9A „Reaper“ der United States Air Force
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Ja, was ist denn eine Drohne? Drohnen wurden im Irak-Krieg berühmt-berüchtigt. Es handelt sich um unmanned aerial vehicles, UAV, also unbemannte Luftfahrzeuge. Wobei es egal ist ob es sich um ein Flächenflugzeug, einen Hubschrauber oder einen Multicopter handelt.

Eine Drohne muss aber mehr können als ein ferngesteuertes Flugzeug. Entweder wird sie von einem Piloten gesteuert der das Bild einer eingebauten Kamera benutzt um das Fluggerät zu steuern als ob er selbst drin säße (first-person-view, FPV), oder es besitzt ein Navigationssystem mit dem es automatisch eine vorgegebene Route abfliegen kann, es kann auch mit Sensoren (militärische) Ziele erkennen und ansteuern.

Das Militär verwendet Drohnen sowohl zum Kampf als auch zur Aufklärung.

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Vor ein paar Jahren haben sie als Open-Source-Projekt für Bastler begonnen, heute sind sie ein Massenprodukt. Der Name Drohne hat sich eingebürgert, obwohl die meisten von ihnen nur ferngesteuerte Flugmodelle sind: Die Quadrocopter.

Wie bei einem Hubschrauber erzeugen Rotoren den nötigen Auf- und auch Vortrieb. Letzteres indem das Fluggerät um seine Längs- und Querachsen gekippt wird und der Luftstrahl damit nicht senkrecht steht sondern auch eine horizontale Komponente aufweist. Das ist auch bei einem Helikopter so.

Der Name Helikopter kommt aus dem Griechischen. Helix ist die Schraube, Pterigon der Flügel. Also ein Schraubenflügler.

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Mehr als ein "Schraubenflügel" machen aus einem Helikopter einen Multicopter.

Die Anzahl der Rotoren muss gerade sein, eine Hälfte rotiert in eine Richtung, die andere in die andere sodass die Drehmomente der Rotoren einander kompensieren. Mindestens vier Rotoren sind notwendig, daher Quadrocopter. Sechs, acht,... dürfen es auch sein.

Hauptrotorkopf eines Eurocopter EC 155
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Während beim Hubschrauber oder Helikopter eine relativ aufwändige mechanische Steuerung notwendig ist um den Luftstrahl des Hauptrotors in die gewünschte Stärke und Richtung zu lenken (Taumelscheiben-Steuerung), und außerdem ein Heckrotor das Drehmoment des Hauptrotors ausgleichen und für die Steuerbarkeit um die Hochachse sorgen muss ("gieren"), fällt einem dies beim Multicopter quasi in den Schoß. Die Rotoren sind einfache starre Luftschrauben, die Steuerung der heutzutage sehr effizienten  Elektroantriebe erfolgt durch die heutzutage ebenfalls sehr effiziente sowie gewichts- und kostengünstige Mikroelektronik.

Ein solches Gebilde stabil zu halten wäre noch schwieriger als einen Hubschrauber zu fliegen. Auch da steht uns die Elektronik hilfreich zur Seite. Früher nutzte man die Tendenz eines Kreisels, seine Achse im Raum unbewegt zu halten aus, um Drehbewegungen zu erkennen und ihnen entgegenzuwirken, also das Luftfahrzeug zu stabilisieren. Auch wenn das längst nicht mehr mit mechanisch rotierenden Bauteilen sondern mit Halbleitern geschieht, spricht man heute noch vom Kreiselstabilisator oder Gyroskop (englisch gyroscope). Also kein Fernglas mit dem man nachschauen kann wo es Gyros gibt ;-)

Solche Stabilisatoren können also um die drei Rotationsachsen stabilisieren, aber wie sieht es mit den drei translatorischen Achsen aus? Auf der Verpackung eines jeden, auch noch so billigen Quadrocopters (Drohne) findet sich vollmundig die Angabe "6-Achs-Gyroskop". Nun, die Physik, bzw. die Geometrie, sagt uns dass es nur drei Achsen gibt um die man mit einem Gyroskop stabilisieren kann. Im Fall der billigen Spielzeuge ist diese Angabe meines Erachtens schlichtweg falsch.

Bei diesen fällt es mir besonders schwer, die Höhe zu halten. Entweder saust das Ding an die Zimmerdecke, oder es befindet sich in einem schnellen Sinkflug der auch mit Vollgas nicht zu stoppen ist.

Die nächste Stufe der Komplexität sind daher Multicopter die zusätzliche Stabilisatoren besitzen. Mit Beschleunigungssensoren und/oder einer Kamera die nach unten gerichtet ist stellt der Multicopter seine Position und Geschwindigkeit gegenüber dem Grund fest und regelt seine Position, sogar bei Wind. Das sieht gespenstisch aus wenn das Fluggerät wie mit dem Siemens Lufthaken festgenagelt erscheint. Stupst man es an, kehrt es an die vorherige Position zurück.

Auch das Abfliegen bestimmter Bahnen oder das automatische Zurückkommen können so realisiert werden. Da kann man dann schon wirklich von einer Drohne sprechen.

Der häufigste Einsatzzweck für Drohnen ist das Filmen und Fotografieren, auch im professionellen Bereich. Auch eine teure Drohne ist immer noch viel billiger und flexibler einsetzbar als ein manntragendes Luftfahrzeug.

Professionelle Aufnahmen dürfen natürlich nicht verwackelt sein, daher wird die Kamera noch zusätzlich mit einem sogenannten Gimbal stabilisiert. Damit gelingen wirklich perfekte Aufnahmen.