Drohnen – das Wichtigste auf einem Blick

Aktualisiert: Juni 8

Warum sie so heißen, wofür sie gebraucht werden, welche Arten es gibt und wie sie funktionieren.


Der kleine, gelbe Namensvetter


Ihren Namen verdankt die Drohne ihrem Vetter aus der Insektenwelt. Männliche Bienen werden in der Biologie als „Drohn“ oder auch „Drohne“ bezeichnet. In der Luftfahrt jedoch, definiert der Begriff „Drohne“ ein unbemanntes Fluggerät. Auf den ersten Blick sieht man vielleicht keine großen Gemeinsamkeiten zwischen den beiden Namensvettern, klanglich jedoch besteht, zumindest beim Multikopter, eine gewisse Ähnlichkeit. Den Namen hat der kleine Flugroboter aber auf Grund seiner ehemaligen militärischen Funktion bekommen. So wie die männliche Biene nach der Erfüllung ihres Zwecks für den Bienenschwarm entbehrlich ist, so ist auch der Absturz einer Drohne während militärischen Einsätzen verkraftbar. Heute allerdings ist auch die zivile Nutzung von Drohnen, in der ein Absturz alles andere als verkraftbar ist, weit verbreitet.



Bild 1: Der kleine, gelbe Namensvetter


Flexibler Einsatz


Drohnen bieten äußerst flexible Einsatzmöglichkeiten. In der Landwirtschaft werden sie beispielsweise eingesetzt um Schädlinge effektiv zu bekämpfen oder Ernteschäden genauer zu bestimmen. In der Industrie können Inventuren mit Hilfe von Drohnen schneller und effizienter durchgeführt werden. Auch Inspektionen, die für den Menschen gefährlich sind, wie z.B. bei Hochspannungsleitungen oder Brücken, können mit dem kleinen Helfer rascher und vor allem sicherer durchgeführt werden. Wissenschaftlern, wie Biologen, hilft die Drohne dabei, Bestände von verschiedenen Pflanzen oder seltenen Tieren zu erfassen.


Kleiner Einblick in die Familie der Drohnen


Grundsätzlich lassen sich drei Arten von Drohnen unterscheiden: Multikopter, Fixed-Wings sowie Tilt-Wing und Tilt Rotor.


Multikopter sind Fluggeräte mit einer geraden Anzahl an horizontal angeordneten, senkrecht nach unten wirkenden Rotoren. Dies ermöglicht dem Gerät sowohl einen Senkrechtstart, als auch eine senkrechte Landung. Dadurch kann der Multikopter sicher und präzise landen, was gerade bei Transportflügen wichtig ist. Zudem benötigt der Kopter weniger Raum für die Landung. Der Auftrieb bzw. Vortrieb für den Start und den Flug in der Luft wird dabei durch die eigene Rotorbewegung erzeugt. Die gängigsten Formen von Multikopter sind der Quadrokopter mit vier Rotoren und Motoren, der Hexakopter mit sechs und der Oktokopter mit acht Rotoren und Motoren. Bei einem Ausfall eines Rotors, sichern die noch funktionsfähigen Rotoren das Fluggerät ab, wodurch im schlimmsten Fall noch eine Notlandung durchgeführt werden kann. Auf Grund seiner Funktionsweise ist der Multikopter äußerst flexibel und zuverlässig, weshalb er seine Anwendung meist in hoch besiedelten, urbanen Gebieten findet. Das macht Multikopter-Systeme besonders effizient für den Einsatz auf kurzen und mittleren Distanzen, wie sie klassischerweise auf der sogenannten „Letzten Meile“ im innerstädtischen Verkehr vorzufinden sind.

Bild 2: Multikopter

Fixed-Wings, im Deutschen Flächenflügler genannt, sind Fluggeräte mit fest installierten Tragflächen. Anders als bei den Multikoptern wird der Auftrieb bei Fixed-Wings durch eine Vorwärtsbewegung in der Luft erzeugt. Die Flügel ermöglichen lange Gleitzeiten, wodurch auch lange Flugstrecken zurückgelegt werden können. Allerdings sind Fixed-Wings dadurch auch nicht so flexibel und zuverlässig, wie Multikopter, sowohl im Flug, als auch beim Start und bei der Landung. Hier benötigen Fixed-Wings in der Regel spezielle Infrastruktur, beispielsweise eine gerade Start-/Landebahn, ein Katapult oder einen Fallschirm. Daher werden Sie meist auf längeren Distanzen zu, bzw. in, abgelegenen Gegenden eingesetzt.


Bild 3: Fixed-Wing

Tilt-Wings sind eine Hybridform der beiden zuvor genannten Fluggeräte. Sie besitzen schwenkbare Tragfläche mit Motoren und Propellern bzw. Rotoren gedreht werden können. Für den Start sind die Tragflächen so ausgerichtet, dass die Motoren mit den Propellern, wie bei einem Multikopter, nach oben zeigen. Nach Erreichen der vorgesehenen Flughöhe werden die Tragflächen dann gedreht, so dass die Tragflächen ausgerichtet sind, wie bei einem Flugzeug und die Rotoren in Flugrichtung zeigen. Der große Vorteil im Vergleich zu Fixed-Wings: nun ist auch ein Senkrechtstart und eine Senkrechtlandung, bei annähernd gleichbleibender Gleitzeit und somit Flugzeiten möglich. Die Problematik der geringeren Flexibilität und Zuverlässigkeit des Fixed-Wings im Vergleich zum Multikopter während des Fluges teilt jedoch auch der Tilt-Wing. Meist sind zwei Motoren-Paare vorzufinden, die jeweils unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Somit kann nur begrenzt Ausfallsicherheit in Hinblick auf die Motoren gewährleistet werden. Die Funktionsweise des Tilt-Rotors ist weitestgehend identisch mit einem kleinen technischen Unterschied. Nämlich dem, dass hier nicht die Tragflächen schwenkbar sind, sondern lediglich die Motoren. Dies soll der Drohne, im Moment des Umschaltens zwischen den beiden Modi, mehr Stabilität verleihen. So stieg beispielsweise auch die DHL im Verlauf der Entwicklung ihres Paketkopters von einem Tilt-Wing auf einen Tilt-Rotor um.



Bild 4: Die Entwicklung des DHL Paketkopters

Funktionsweise des Multikopters


Im Folgenden möchten wir euch einige technische Grundlagen etwas detaillierter erläutert, um euch ein besseres Grundverständnis für deren Funktionsweise zu ermöglichen.


Flugregelung


Der notwendige Auftrieb für den Flug wird beim Multikopter durch die Drehbewegung der Rotoren erzeugt. Dieser bestimmt zudem die Flughöhe des Fluggeräts. Eine höhere Drehgeschwindigkeit sorgt für mehr Auftrieb, wodurch der Kopter an Höhe gewinnt. Eine niedrigere Drehgeschwindigkeit sorgt für weniger Aufschub, sodass der Kopter an Höhe verliert. Multikopter besitzen eine gleiche Anzahl von jeweils rechtsdrehenden und linksdrehenden Rotoren, wodurch das Drehmoment sich neutralisiert. Dabei können die einzelnen Motoren der Rotoren auch unabhängig voneinander angesteuert werden, wodurch der Schubvektor verändert wird. Damit der Kopter sinken bzw. steigen kann, muss der Schub aller Rotoren gleichmäßig erhöht werden.

Für eine Vorwärtsbewegung müssen sich die hinteren Rotoren des Kopters schneller als die vorderen bewegen. Dadurch wird auf einer Seite des Multikopters mehr Auftrieb erzeugt, was dazu führt, dass der Kopter nach vorne kippt. Dies bewirkt, dass der Kopter sich in einer Schieflage nach vorne bzw. nach hinten bewegt. Anschließend wird die Drehgeschwindigkeit aller Rotoren gleichgesetzt. Diese Art von Bewegung wird auch als „nicken“ oder „pitchen“ bezeichnet. Dabei bewegt sich der Kopter um die Querachse seines Massenzentrums.

Damit der Kopter sich seitlich bewegt, muss, ähnlich wie beim Nicken/Pitchen, ein Geschwindigkeitsdefizit auf einer der gewünschten Seiten erzeugt werden. Es handelt sich hierbei um eine Drehbewegung des Kopters um seine Längsachse, welches als „rollen“ bezeichnet wird. Dazu verändert sich der Winkel zwischen den Rotoren des Kopters und dem Horizont (Rollwinkel). Um nun wieder zurück in die Ausgangsposition zu gelangen und zu bremsen, wird der Auftrieb auf allen Seiten ausgeglichen.

Das Gieren bezeichnet die Bewegung des Kopters um die eigene vertikale Achse. Dabei wird die Drehzahl der rechtsdrehenden Rotoren gegenüber den linksdrehenden verändert, wodurch sich der Kopter dreht.



Bild 5: Die Freiheitsgrade


Die kleinen Helfer für den stabilen Flug – Lageregelung bei Multikoptern


Um die Flugposition stabil halten zu können und Windturbulenzen zu überstehen, benötigt der Kopter die Hilfe eines Flight-Controllers (dt. Flugsteuerung). Dieser misst regelmäßig über die IMU (Inertial Measurement Unit), einer Messeinheit mit verschiedenen Sensoren, die Bewegung und Lage des Kopters im Raum. Bei einer Abweichung der aktuellen Fluglage von der vorgegebenen Fluglage, regelt der Controller die Drehzahl der einzelnen Motoren mit Hilfe eines ESC (Electronic Speed Controller) nach. Die wichtigsten Bestandteile der IMU sind das Gyroskop und der Accelerometer. Das Gyroskop misst die Veränderung der Winkelgeschwindigkeit um alle drei Drehachsen (Nick-, Roll- und Gierachse) pro Sekunde, also die relative Veränderung des Winkels um eine Winkelachse. Der Accelerometer misst die Beschleunigung des Multikopters in Kraftrichtung. Mit diesen beiden Sensoreinheiten ist bereits eine stabile Lageregelung möglich. Darüber hinaus kann die Situationserfassung des Multikopters in seiner Umwelt durch zusätzliche Sensoren noch weiter verbessert werden. Hier sind beispielsweise der Magnetometer, der die Lage des Kopters in Relation zum Magnetfeld der Erde misst, Barometer, das die Höhe anhand des Luftdrucks bestimmt, GPS-Sensoren oder auch optische und akustische Sensoren, wie unsere Ultraschall-, Infrarot-, LIDAR- und Kameramodulen zu nennen. Solche Sensorsysteme, wie sie beispielsweise das deutsche Start Up, Emqopter anbietet, lassen sich auch für Hinderniserkennung und Kollisionsvermeidung nach dem „Detect and Avoid“-Prinzip einsetzen.

Bild 6: Collision Avoidance Assistant

Diese Funktion wird in der Zukunft wohl eine tragende Rolle für die Betriebserlaubnis von Drohnen im Luftraum in der EU spielen. Dieses Thema wird Drone-Expert in einem weiteren Beitrag auf unserem Blog detaillierter beleuchten.


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