Was ich in den letzten Wochen über Quadrokopter gelernt habe

Inhaltsverzeichnis

Ich plane aktuell einen FPV (First Person View) Quadrokopter zu bauen. Bis jetzt habe ich zu diesem Thema schon viel recherchiert und überlegt, aber noch keine Teile gekauft. Im Folgenden werde ich darlegen, was ich bis jetzt zu diesem Thema gelernt habe.

Aufbau und Teile eines Quadrokopters

Ein Quadrokopter benötigt 3 Teile. Eine Fernsteuerung, ein FPV (First Person View) System und den Quadrokopter selbst.

Fernsteuerung

Zur Fernsteuerung gehören zwei Komponenten. Die Fernsteuerung selbst und der Empfänger, der in im Quadrokopter verbaut ist. Dabei muss der Empfänger mit der Fernsteuerung kompatibel sein. Kompatibilität gibt es dabei meistens nur von einem Hersteller. Wenn ich etwa meine Fernsteuerung vom Hersteller „FrSky“ kaufe, muss ich auch einen Empfänger von dieser Firma kaufen. Dabei gibt es natürlich auch wieder Ausnahmen, sonst wäre dass natürlich zu einfach.

3 Teile der Fernsteuerung

Die Fernsteuerung kann wiederum in 3 Teile zerlegt werden. Da gibt es die Fernsteuerung an sich. Diese besteht aus Gimbals (Steuerknüppel), Schaltern, Knöpfen und einem Display. In der Fernsteuerung ist dann ein Sender verbaut. Dieser Sender unterstützt ein Protokoll und ist somit mit einer Art von Empfänger kompatibel. An dem Sender selbst ist eine Antenne angeschlossen. Diese Antenne wandelt das Signal der Fernsteuerung in eine elektromagnetische Welle um. Der Empfänger besitzt ebenfalls eine Antenne. Diese Antenne wandelt dann wiederum die elektromagnetische Welle des Senders in ein Steuersignal um.

Protokolle

Ein Protokoll ist dabei wie eine Sprache, die sowohl der Sender, als auch der Empfänger nutzen. Damit beide miteinander kommunizieren können, müssen beide Komponenten das gleiche Protokoll unterstützen. Ein Beispiel für ein Protokoll ist „ACCESS“. Dies ist ein Protokoll, welches von FrSky verwendet wird.

Module für weitere Protokolle

Viele Fernsteuerungen in der Mittel- bis Hochpreisigen Klasse haben die Möglichkeit ein Modul anzuschließen. Dieses Modul ist ein Sender, der weitere Protokolle unterstützt. Durch ein solches Modul ist es möglich, eine Fernsteuerung von Firma A mit einem Empfänger der Firma B zu nutzen. Dabei gibt es Module, die nur einzelne Protokolle unterstützen und es gibt Module, die mehrere Protokolle unterstützen.

Reichweite

Eine elektromagnetische Welle hat immer eine Frequenz. Diese Frequenz wird in der Einheit Hz (Hertz) angegeben. Hz bedeutet pro Sekunde. Die meistbenutzte Frequenz bei der Fernsteuerung ist 2,4 GHz. Dabei sind 1GHz = 1.000.000.000 Hz. Für längere Distanzen wird meistens eine geringere Frequenz genommen. Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge und desto kürzer die Reichweite des Signals. Durch eine niedrigere Frequenz erhält man eine längere Wellenlänge und eine längere Reichweite. Die Firma TBS (Team Black Sheep) ist ein Hersteller, der solche Long-Range (Lange-Distanz) Fernsteuerungen und Empfänger herstellt. Das besondere dabei ist, dass die Latenz dabei trotzdem gering bleibt.

Latenz

Latenz ist die Zeitverzögerung zwischen Input und Output. Bei einer Fernsteuerung ist es also die Verzögerung zwischen einem Flugbefehl über die Fernsteuerung bis zur Umsetzung im Quadrokopter. Je kürzer die Latenz, desto besser.

Die Latenz ist besonders wichtig im Bereich Freestyle und Racing. Dabei wird im sogenannten Acro-Modus geflogen. Das bedeutet, dass sich der Quadrokopter nicht automatisch horizontal ausrichtet, sondern ohne Eingabebefehle in der aktuellen Position bleibt. Durch den Acro-Modus können deutlich höhere Geschwindigkeiten von bis zu über 100 km/h erreicht werden. Dafür ausgelegte Quadrokopter kommen auch an die 200 km/h heran. Je höher die Geschwindigkeit, desto wichtiger ist eine geringe Latenz.

Modi der Fernsteuerung

Wenn man eine Fernsteuerung kauft, muss man auch auf den voreingestellten Modus schauen. Der Modus gibt an, welche Hebel für welche Befehle zuständig sind. Der meistverwendete Modus ist Modus 2. Bei diesem ist der linke Steuerknüppel für das Gas zuständig. Im Modus 1 hingegen ist der rechte Steuerknüppel für das Gas zuständig. Der Modus kann meistens nur mechanisch geändert werden. Dazu muss die Fernsteuerung geöffnet werden.

Der Grund dafür ist, dass die Steuerknüppel nicht alle automatisch zurück in die Mitte kommen, wie es beispielsweise bei einem Playstation Controller der Fall ist. Der Steuerknüppel für Gas bleibt immer in der aktuellen Position stehen. Alle anderen Steuerbewegungen kommen automatisch zur Mitte zurück.

Telemetrie

Te­le­me­t­rie ermöglicht es das Ergebnis einer Messung in Standort A zu Standort B zu übertragen. Im Quadrokopter kann etwa die Spannung des Akkus gemessen werden. Diese Messung kann dann per Funk an die Fernsteuerung weitergegeben werden. Somit kann der Pilot sehen, wann er landen muss. Es gibt Funksysteme, die Te­le­me­t­rie unterstützen und welche, die es nicht unterstützen.

FPV System

Das FPV System besteht aus drei Teilen. Der Brille selbst, der Kamera und dem Videosender. Die Kamera und der Videosender sind in dem Quadrokopter verbaut.

FPV-Brille

Der teuerste Teil eines FPV Systems ist die FPV-Brille. Dabei besteht die Brille aus 2 Teilen. Die Brille an sich besteht aus einem großen oder zwei kleinen Displays und einigen Knöpfen und Reglern. Dann gibt es Brillen, die einen verbauten Empfänger haben und es gibt Brillen, bei denen man das Empfängermodul austauschen kann. Jedes Empfangsmodul benötigt dann auch eine Antenne, um die elektromagnetische Welle des Videosenders in ein Bild umzuwandeln. Es gibt Empfänger, die einen Antennenanschluss haben, das sind die günstigsten. Es gibt Video-Empfänger, die zwei Antennen haben. Diese sind teurer. Manche dieser Empfänger vergleichen beide eingehenden Signale der Antennen und wählen das bessere Signal. Es gibt aber auch Video-Empfänger, die beide Signale verbinden und somit eine noch höhere Videoqualität erzeugen.

Eine FPV-Brille benötigt auch noch einen Akku.

Kamera

Die Kamera nutzt eine geringe Bildqualität. Dadurch ist die Datenmenge, die übertragen werden muss, geringer. Je größer die zu übertragene Datenmenge, desto länger würde die Übertragung dauern und desto größer wäre die Latenz.

Da die Bildqualität der FPV Kamera so gering ist, werden oft noch Full HD oder 4K Kameras zusätzlich verbaut. Diese nehmen dann den Flug in hoher Qualität auf. Zudem sind diese Kameras meistens so positioniert, dass keine Propeller im Bild zu sehen sind. Im Bild der meisten FPV Kameras sind hingegen Propeller zu sehen.

Die FPV Kamera ist zudem nicht horizontal ausgerichtet. Sie hat meistens einen Winkel von 25° bis 45°.

Videosender

Der Videosender wandelt das Signal der Kamera in eine elektromagnetische Welle um. Jeder Videosender hat eine Leistung. Diese wird in W angegeben. Je höher die Leistung eines Videosenders, desto größer ist die Reichweite des Videosignals. Viele Videosender können Ihre Leistung variieren und können ein Signal zwischen 25 mW und 800 mW senden. In Deutschland ist aber für FPV Fliegen nur eine Leistung von maximal 25 mW erlaubt.

Analog oder Digital

In den meisten FPV Racing Systemen wird ein analoges Videosignal verwendet. Der Grund dafür ist die Latenz. Ein analoges Videosignal hat eine geringere und eine immer gleiche Latenz. Ein digitales Videosignal hingegen hat eine höhere und unregelmäßige Latenz. Hersteller für analoge Videoübertragung gibt es sehr viele. Hersteller für eine digitale Videoübertragung mit geringer Latenz im FPV Racing gibt es nur einen. Dies ist der Hersteller DJI.

Der Grund dafür, dass ich persönlich DJI nicht als FPV System nutzen werde ist, dass das DJI FPV System sehr teuer ist. Wohingegen es bereits analoge Brillen für 100 € gibt, kostet die FPV Brille von DJI 600 €. Ein bekannter Hersteller von Analogen FPV Brillen ist „Fat Shark“. Die Brillen von Fat Shark sind im mittleren bis hohen Preisbereich. Der Hersteller „Eachine“ hat auch Brillen im niedrigeren Preissegment.

Quadrokopter

Alle Teile des Quadrokopters werden in den Rahmen gebaut. Da das Gewicht eine wichtige Rolle bei der Flugzeit spielt, sollte alles so leicht wie möglich sein. Der Rahmen ist aus diesem Grund meistens aus carbonfaserverstärktem Kunststoff. Dieses Material ist stabil und leicht.

Motoren und Propeller

An den äußeren Enden des Rahmens sind die Motoren befestigt. Die Motoren werden mit Drehstrom betrieben. Der Drehstrom wird über drei Phasen, also drei Kabel übertragen.

Motoren können mit verschiedenen Spannungen betrieben werden. Dabei gibt es einen Bereich. Ein Motor kann beispielsweise mit drei bis sechs Zellen betrieben werden.

KV, Spannung und Strom

Ein Motor hat auch eine kv Zahl. Diese Zahl gibt das Drehverhalten des Motors an. Ein Motor kann beispielsweise 1800 kv haben. Bei 1 V Spannung dreht sich dieser Motor dann mit 1800 Umdrehungen pro Minute. Je höher die Spannung respektive die Zellenanzahl, und je höher der Strom, desto höher ist die Drehzahl eines Motors. Es werden also Akku und Motor immer passend kombiniert. Ein sechs Zellen Akku mit höherer Spannung und niedrigerem Strom verwendet einen Motor mit weniger kv. Ein vier Zellen Akku mit niedrigerer Spannung und höherem Strom verwendet einen Motor mit mehr kv. Dann kommen beide Kombinationen auf eine ähnliche Drehzahl.

Propeller

Der Propeller muss zum Motor passen. Wenn der Propeller zu groß ist, kann er nicht schnell genug vom Motor gedreht werden. Ist der Propeller zu klein, ist die Schubkraft zu gering und der Quadrokopter hebt nicht ab.

Die meisten Motoren habe einen Hinweis, mit welchen Propellern sie genutzt werden sollten. Die Motoren-Hersteller stellen auch weitere Informationen bereit. Man kann beispielsweise finden, wie viel Strom ein Motor bei einer bestimmten Spannung mit einem ausgewählten Propeller verbraucht. Diese Information ist wichtig um zu prüfen, ob der Motor mit dem Akku funktioniert.

Verbindung zur Physik

Die Motoren, die in einem Quadrokopter verbaut sind, sind Elektromotoren. Sie bestehen aus einem Stator und einem Rotor. Der Stator bewegt sich nicht. Der Rotor dreht sich um den Stator. Der Stator besteht aus Spulen. Diese sind in einem Kreis angeordnet. Spulen werden auch Elektromagneten genannt. Wenn sich der Stromfluss durch eine Spule ändert, entsteht dabei ein magnetisches Feld. Am Rotor sind Dauermagneten befestigt. Durch das magnetische Feld der Spulen werden diese Dauermagneten angezogen und abgestoßen. Dadurch kann der Rotor zum Drehen gebracht werden.

Flightcontroller

Der Flightcontroller sitzt in der Mitte des Rahmens. Der Flightcontroller nimmt das Signal des Fernsteuerungsempfängers und führt die Befehle daraus aus. Er bestimmte die aktuelle Lage und passt dann die Drehzahl der Motoren an. Allerdings passt der Flightcontroller selbst die Drehzahl nicht an. Er gibt aber die neue Drehzahl an den sogenannten ESC (Electronic Speed Control) weiter.

ESC → Electronic Speed Control

Der ESC (Electronic Speed Control) hat zwei Aufgaben. Erstens wandelt er den Gleichstrom des Akkumulators in Drehstrom für die Motoren um. Zweitens kontrolliert er den Stromzufluss und somit die Drehzahl der Motoren. Es gibt Quadrokopter, die 4 ESCs für vier Motoren haben. Es gibt aber auch 4 in 1 ESC Boards. Diese sind an einer Stelle mit der Batterie verbunden. Zudem besteht eine Verbindung zu allen vier Motoren. Durch diese Kombination muss weniger gelötet werden und der Flightcontroller muss nur ein einziges Mal mit dem ESC verbunden werden. Ich werde in meinem Bau einen 4 in 1 ESC verwenden.

Kamera und Videosender

Ebenfalls verbaut auf dem Quadrokopter ist die Kamera und der Videosender des FPV Systems. Die Kamera wird dabei durch den Flightcontroller oder durch einen ESC mit Strom versorgt. Das Signal der Kamera geht meistens in den Flightcontroller. Der Videosender wird dann ebenfalls für Strom am Flightcontroller oder ESC angeschlossen und das Videosignal wird vom Flightcontroller an den Videosender weitergeleitet. Der Vorteil dabei ist, dass der Flightcontroller bei der Weitergabe des Signals Informationen einblenden kann. Diese Informationen können vorher in der Software ausgewählt werden. Beispielsweise kann der Flightcontroller die aktuelle Spannung des Akkus in das Videosignal einblenden. Somit kann der Pilot direkt in der Brille diese Informationen sehen.

LiPo-Akku

Ein Akku, genauer gesagt Akkumulator gehört ebenfalls in den Quadrokopter. Dabei werden LiPo Akkus verwendet. LiPo-Akku steht für Lithium-Polymer-Akkumulator. Akkumulator bedeutet, dass dieser, anders als eine Batterie, wieder aufgeladen werden kann. Lithium-Polymer Akkus bestehen aus einzelnen Zellen. Eine Zelle kann eine Spannung von 3V bis 4,2V haben. Wird eine Zelle so lange entladen, bis sie weniger als 3V Spannung hat, wird sie dabei zerstört und kann nicht wieder aufgeladen werden. Wird eine Zelle so lange geladen, dass die Spannung über 4,2V ansteigt, kann sich die Zelle entzünden und in Flammen aufgehen. Daher ist es wichtig, dass ein LiPo-Akku nicht zu weit entladen oder zu weit geladen wird.

Lagerspannung

Wenn man einen LiPo-Akku für längere Zeit nicht nutzt, sollte man diesen auf eine Lagerspannung bringen. Die Lagerspannung von einer Zelle ist dabei zwischen 3,8V und 3,85V.

LiPo-Zellen
Kapazität

Eine Zelle hat immer den gleichen Spannungsbereich. Die Kapazität einer Zelle kann aber variieren. Die Kapazität eines Akkus wird dabei in mAh (Milli Ampere Stunden) angegeben. 1300 mAh bedeutet, das für eine Stunde ein Strom von 1300mA fließt.

1300mA = 1,3 A

1 Coulomb = 1 A * s = 1 As = 6,24 10^18 Elektronen

1 mAh = 3,6 As → 1300 mAh = 4680 As → 4680 As = 4673,76 10^18 Elektronen

In einem Akku mit 1300 mAh fließen in einer Stunde 4673,76 10^18 Elektronen.

Kapazität, Spannung und Leistung

Je größer die Kapazität, respektive die mAh, desto besser. Allerdings speilt auch die Leistung eine Rolle. Die Leistung ist eine Kombination aus Kapazität und Spannung. Aus Kapazität und Spannung kann man die Leistung berechnen. Die Leistung = P hat die Einheit Watt = W = J / s. Joule ist die Einheit für die Energie. Somit gibt Watt die umgesetzte Energie pro Zeit an. Nun kann man zur Veranschaulichung zwei Akkus miteinander vergleichen.

Akku 1:

  • 4 Zellen → 4 4,2 V = 16,8 V
  • 1300 mAh → 1,3 A

Akku 2:

  • 6 Zellen → 6 4,2 V = 25,2 V
  • 900 mAh → 0,9 A

Es gilt die Formal

Leistung = Spannung * Strom

P = U * I

P1 = 16,8 V * 1,3 A = 21,84 W

P2 = 25,2 V * 0,9 A = 22,68 W

Man sieht also, dass die Leistung von Akku 2 etwas höher ist, obwohl dieser weniger Elektronen enthält. Diese Rechnung ist nicht ganz korrekt, da die Spannungen der Akkus während des Entladens sinken. Es zeigt aber im Groben, dass sowohl der Strom, als auch die Spannung bei einem Akku wichtig sind. Der Akku wird an den ESC angeschlossen. Der ESC hat eine Angabe, unter welcher Spannung er maximal funktionieren kann.

Entladerate

Die Flugzeit eines kleinen Quadrokopters ist meistens unter 10 Minuten oder sogar unter 5 Minuten. Der Wert, der in diesem Zusammenhang wichtig ist, ist die Entladerate. Viele Akkus haben eine Entladerate von 100. Das bedeutet, dass der Akku, mit dem hundertfachen der Kapazität entladen werden kann. Bei einer Kapazität von 1300 mAh → 1,3 Ah sind das 130 A. Da dieser Strom unter vier Motoren aufgeteilt werden muss, ergibt sich. 130 A / 4 = 32,5 A. Ein Motor darf bei 100 % Belastung maximal 32,5 A verbrauchen. Verbraucht der Motor mehr, kann der Akku davon kaputtgehen. Viele Akkus haben zudem noch einen Wert zur kurzfristigen maximalen Belastung. Beispielsweise eine Dauerbelastung von 100 und eine kurzfristige Maximalbelastung von 120. Diese gilt meistens für 10 Sekunden. Somit könnte unter Dauerlast ein Strom von 1,3 A * 100 = 130 A fließen und für 10 Sekunden auch 1,3 A * 120 = 156 A.

Beim Auswählen der Motoren und des Akkus sollte man darauf achten, dass diese miteinander kompatibel sind. Zudem sollte man auch etwas Puffer einbauen, da auch andere Teile wie der Flightcontroller Strom benötigen.

Simulator

Ein Quadrokopter wird meistens im Acro-Modus geflogen. Dieser Modus ist aber nicht besonders einfach zu erlernen. Es kann anfangs oft passieren, dass man abstürzt oder kollidiert. Deswegen ist es sinnvoll vorher in einem Simulator etwas zu üben.

Fernsteuerung

Es ist sinnvoll für einen Simulator eine Fernsteuerung zu haben. Simulatoren kann man auch mit einem Controller fliegen. Das ist aber nicht so realitätsnah wir eine Fernsteuerung.

Verschiedene Simulatoren

Es gibt vier große Quadrokopter-Simulatoren, die ich kenne. Dazu gehören Velocidrone, Liftoff, DRL (Drone Racing League) und DCL. Ich werde am Anfang DRL ausprobieren. Wenn die Leistung meines Computers dazu nicht reicht, werde ich zu Velocidrone wechseln.

Händler

Der größte Händler, der so gut wie alle Komponenten von allen verschiedenen Herstellern hat, ist „Banggood“. Dieser Hersteller ist ein globaler online Shop. Die meisten Produkte kommen aus China. Die Lieferzeit liegt meistens zwischen 10 und 20 Tagen.

Ein deutscher Händler ist Premium-Modellbau. Dieser Händler hat viele Produkte im Quadrokopter Bereich. Die Auswahl ist aber nicht so groß wie bei Banggood und leider werden auch keine FPV-Brillen verkauft. Ich hatte aber schon Kontakt mit der Kundenbetreuung und damit war ich sehr zufrieden. Auch das Informationsmaterial und die Beschreibung der Produkte sind gut. Die Lieferzeiten sind 1–3 Werktage.

RCTech ist ein weiterer deutscher Händler. Dieser Händler ist noch etwas mehr auf FPV Racing fokussiert. Die Auswahl ist hier ebenfalls gut, aber nicht so groß wie bei Banggood. Der Händler hat FPV-Brillen, aber leider nur im oberen Preissegment. Zudem ist nur der Hersteller Fat Shark im Bereich FPV-Brillen vertreten. Die Informationen und Beschreibungen sind nicht so ausführlich und hilfreich wie bei Premium-Modellbau. Die Lieferzeit liegt ebenfalls bei 1–3 Werktagen.

Aktuell sind sowohl bei Premium-Modellbau, als auch bei RCTech einige Produkte ausverkauft.

Ich würde gerne alle Teile aus Deutschland bestellen. Aktuell denke ich aber nicht, dass das realistisch ist.

Wenn du Fragen hast oder Fehler entdeckt hast, kannst du dich gerne an mich wenden unter simon@simonhesse.com.

 

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