Es ist etwas, das wie Magie erscheinen kann. Wenn du eine Drohne fliegst, bist du dir vollkommen bewusst, dass eine riesige Menge an Physik, Berechnungen, Software und Technik dahintersteckt, um deinen Flug so angenehm wie möglich zu gestalten. Für manche Menschen ist die Bedienung der Drohne jedoch nicht gut genug. Ich weiß, dass ich zu den Menschen gehöre, die genau wissen müssen, was in meiner Drohne vor sich geht, damit ich ein besserer Pilot bin und weiß, wie ich Probleme lösen kann, wenn sie auftauchen. In diesem Artikel gehe ich auf alle Möglichkeiten ein, wie eine Drohne die Richtung ändert, sei es nach oben, unten, links, rechts, vorwärts, rückwärts oder nach links und rechts.
Eine Drohne ändert ihre Richtung, indem sie die Geschwindigkeit ändert, mit der sich die einzelnen Propeller drehen. Während eine Drohne schwebt, drehen sich die benachbarten Propeller in entgegengesetzte Richtungen, um die Drohne stabil zu halten. Indem wir die Drehzahl der einzelnen Motoren ändern, können wir die Drohne in allen drei Dimensionen durch die Luft bewegen.
Für den Piloten der Drohne gibt es sehr wenig zu bedenken, was passiert, und er kann einfach die Joysticks bewegen, um die Drohne zu steuern. Die Drohne macht jedoch viel mehr Arbeit, denn sie muss ihre eigene Beschleunigung, ihren Schwung, ihre Höhe und ihre Flughöhe berechnen und gleichzeitig mit den Umgebungsbedingungen wie Aufwinde und horizontale Winde kämpfen.
Die Physik, um eine Drohne in der Luft zu halten, ist tatsächlich sehr kompliziert.
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Die Physik, um eine Drohne in der Luft zu halten
Das Herzstück der Drohne ist der Flugregler, der den Motoren über eine elektronische Geschwindigkeitssteuerung Informationen darüber sendet, in welche Richtung und wie schnell sie sich drehen sollen. Der Flugcontroller schaut auch auf die GPS-Daten, die Beschleunigung und die Richtung, in die die Drohne zeigt, bevor er die Informationen an den Motor sendet, so dass sie in einem stabilen Schwebezustand an einer festen GPS-Position bleibt.
Jeder der Motoren hat eine eigene Position.
Jeder der Motoren treibt einen Propeller an. Die Propeller werden für den Antrieb und die Steuerung der Bewegung der Drohne verwendet. Diese Propeller sind wie die Flossen eines Ventilators, der Luft in Richtung Boden drückt. Da die Luft zum Boden gedrückt wird, kann sich die Drohne selbst in die Luft saugen. An der Vorder- und Oberkante des Propellers entsteht ein Unterdruck, so dass sich die Drohne buchstäblich selbst in die Luft saugt.
Wenn man schweben will, muss die Drohne so viel Luft verdrängen, wie sie wiegt. Wenn sie mehr Luft verdrängt, steigt die Drohne, und wenn sich die Propeller etwas langsamer drehen und weniger Luft verdrängen, sinkt die Drohne.
Die Drehrichtung der Propeller der Drohne ist sehr wichtig, da sich jeder der Motoren der Drohne in die entgegengesetzte Richtung drehen muss als der Motor, der sich neben ihm befindet. Dadurch wird jeglicher Drehimpuls aufgehoben und die Drohne bleibt an einem Ort und in eine Richtung ausgerichtet.
Richtung der Drohnenpropeller
Meine DJI Mavic Air hat vier Motoren und Propeller. Die Art und Weise, wie sich jeder der Propeller dreht, wird durch den Motor bestimmt. Und man muss darauf achten, dass die Propeller in die richtigen Motoren eingesetzt werden, sonst würde die Drohne einfach außer Kontrolle geraten.
Es ist einfach herauszufinden, in welche Richtung sich der Motor drehen sollte, indem man sich die Vorderkante des Propellers ansieht, während er sich in Richtung der Vorderkante des Propellers dreht.
Bei den meisten Drohnen ist die Richtung des Propellers für jeden Motor wie folgt:
- Vorne links – Motor im Uhrzeigersinn (CW)
- Vorne rechts – Motor gegen den Uhrzeigersinn (CCW)
- Hinter links – Motor gegen den Uhrzeigersinn (CCW)
- Hinter rechts – Motor im Uhrzeigersinn (CW)
Ich habe dies auf dem Foto meiner DJI Mavic unten kommentiert:
Alle Bewegungen der Drohne werden durch das Drehen der Propeller auf verschiedene Arten gesteuert. Um die Bewegungen zu steuern, werden einige Propeller verlangsamt, während andere beschleunigt werden. Manchmal geschieht dies insgesamt (wie beim Steigen oder Aufsteigen) und manchmal zu verschiedenen Zeiten auf verschiedenen Seiten des Flugzeugs (wie bei der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung).
Im nächsten Abschnitt gehe ich auf alle Hauptbewegungen einer Drohne ein und zeige genau, wie jede der Hauptbewegungen zustande kommt.
Die Hauptbewegungen einer Drohne
Beim Fliegen einer Drohne muss der Pilot lediglich den Joystick durch seinen Bewegungsbereich bewegen. Diese einfache Joystick-Aktion führt zu einer recht komplizierten Bewegung der Drohne. Der linke Steuerknüppel der Drohne ist sowohl für das Steigen als auch für das Gieren (Drehen im oder gegen den Uhrzeigersinn an einem festen Ort) zuständig.
Der linke Steuerknüppel
Der linke Joystick des Controllers sorgt dafür, dass die Drohne steigt und sinkt und sich im und gegen den Uhrzeigersinn dreht. Im Wesentlichen handelt es sich um alle Aktionen der Drohne, bei denen sie an einem GPS-Standort bleibt.
Aufsteigen / Steigen
Wenn man den linken Steuerknüppel eines Drohnencontrollers nach oben drückt, erhöhen alle Propeller der Drohne ihre Geschwindigkeit oder Umdrehungen pro Minute. Durch die Erhöhung der Umdrehungen pro Minute wird mehr Schub nach oben erzeugt, indem mehr Luft verdrängt und in Richtung Boden gedrückt wird.
Alle Propeller erhöhen ihre Rotationsgeschwindigkeit.
Die Propeller müssen sehr darauf achten, dass sie genau gleich schnell beschleunigen, sonst entsteht eine andere Richtung in der Bewegung. Eine Drohne muss jeden der Propeller mit genau der richtigen Anzahl von Umdrehungen pro Minute drehen, um zu steigen und sich nicht von ihrem festen GPS-Standort zu entfernen.
Abwärts / Abstieg
Damit eine Drohne an Höhe verliert, geschieht das genaue Gegenteil des Steigens. Das heißt, dass jeder einzelne Propeller der Drohne die Anzahl der Umdrehungen pro Minute verringert. Dadurch wird die Schwerkraft stärker als der von den Propellern erzeugte Schub.
Wenn eine Drohne im Sinkflug zum Stehen kommt, muss sie die Anzahl der Umdrehungen pro Minute leicht erhöhen, um den Schub so zu steigern, dass er der Anziehungskraft der Schwerkraft auf die Erde entspricht. In Toy Story wird Buzz Light Year gesagt, dass er hier nicht fliegt, sondern einfach nur mit Stil fällt. Genau das tun Drohnen, wenn sie im Sinkflug sind. Sie lassen sich einfach von der Schwerkraft zur Erde ziehen, was eine ausgefallene und kontrollierte Form des Fallens ist.
Gieren
Gieren bedeutet, dass sich die Drohne im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht, während sie auf einer GPS-Position bleibt. Das heißt, dass sich die Drohne nicht vorwärts oder rückwärts bewegt. Diese Bewegung erfordert eine recht komplizierte Berechnung seitens der Software der Drohne.
Wenn sich die Drohne im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht, muss sie die Propeller steuern, die diagonal zueinander stehen. Wenn sich die rechten diagonalen Propeller schneller drehen, erzeugen sie aufgrund des erhöhten Drehimpulses eine Kraft, die die Drohne nach links drehen lässt. Wenn sich die linken diagonalen Propeller schneller drehen, erzeugen sie die entgegengesetzte Bewegung.
Die Drohne dreht sich also gegen den Uhrzeigersinn.
Die Bewegung der Drohne gegen den Uhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn wird also dadurch verursacht, dass sich die diagonal gegenüberliegenden Propeller schneller oder langsamer drehen.
Der rechte Steuerknüppel
Der rechte Joystick der Drohnensteuerung ist das, was ich scherzhaft den Spaß-Joystick genannt habe. Denn damit kannst du deine Drohne überall hin zoomen. Das Tolle an einer Drohne ist, dass sie sich nicht nur vorwärts oder rückwärts bewegen kann, sondern auch von Seite zu Seite.
Die Ausrichtung der Propeller um die Drohne herum ermöglicht dir den vollen Bewegungsspielraum in der horizontalen Ebene. Durch die Kombination verschiedener Joystick-Kombinationen ist es auch möglich, gleichzeitig zu gieren und sich zu bewegen. Die Kombination der verschiedenen Bewegungen wird immer noch durch die winzige Kontrolle der Software über die Umdrehungen pro Minute, mit der sich jeder Motor dreht, ermöglicht.
Alle Bewegungen des rechten Steuerknüppels bewirken eine Erhöhung oder ein tiefes Einknicken der Drehgeschwindigkeit der nebeneinander liegenden Propeller. In den folgenden Abschnitten werden wir darauf eingehen, was die einzelnen Bewegungen bewirken.
Links
Wenn sich die Drohne nach links bewegen will, um der Bewegung des Joysticks nach links zu entsprechen, drehen sich die rechten Propeller schneller als die linken.
Dadurch sinkt die linke Seite der Drohne leicht ab, während die rechte Seite der Drohne leicht ansteigt. Der Gesamtschub der Rotoren bleibt gleich und ermöglicht es der Drohne, auf einer festen Höhe zu bleiben, aber der leichte Unterschied zwischen der linken und rechten Seite der Drohnenrotoren bewirkt, dass die Drohne nach links driftet.
Rechts
Bewegt man die Drohne nach rechts, indem man den Steuerknüppel nach rechts bewegt, erhöhen sich die Propeller auf der linken Seite in Bezug auf die Anzahl der Umdrehungen pro Minute, mit denen sich der Motor dreht, und die Propeller auf der rechten Seite der Drohne verringern sich geringfügig.
Wie bei der Bewegung nach links bewirkt dies, dass die rechte Seite der Drohne leicht abfällt und die linke Seite der Drohne ansteigt. Der Gesamtschub der Motoren bleibt gleich, so dass die Drohne eine feste Höhe halten kann.
Vorwärts
Um eine Drohne vorwärts zu bewegen, muss die Vorderkante der Drohne leicht abfallen, während die Rückseite der Drohne ansteigt.
Dies wird erreicht, indem die Drehzahl der vorderen Motoren gesenkt und die der hinteren Motoren angehoben wird. Dieser Unterschied in der Propellerdrehzahl bewirkt, dass sich die Drohne vorwärts bewegt.
Rückwärts
Um die Drohne rückwärts zu bewegen, muss die Hinterkante der Drohne leicht abfallen, während die Vorderkante der Drohne leicht ansteigt. Sie werden feststellen, dass dies das genaue Gegenteil der Vorwärtsbewegung ist.
Bei jeder der Bewegungen des rechten Joysticks können Sie beobachten, in welche Richtung sich die Drohne neigt, um die Bewegung zu erreichen. Manchmal, vor allem bei starkem Wind und sehr schnellen Bewegungen, hält die Drohne ihre vertikale Position nicht sehr gut.
Ich habe festgestellt, dass, wenn ich meine Drohne in einer relativ großen Höhe sehr schnell rückwärts bewege, die Drohne einfach an Höhe verliert. Die Berechnungen sind also nicht perfekt, aber sie können leicht durch eine manuelle Trimmung während des Fluges fein abgestimmt werden.
Ein einfaches Diagramm für alle Bewegungen der Drohne
Hier ist ein einfaches Diagramm für jede der Bewegungen der Drohne, das zeigt, wie sich jeder der Rotoren bewegt, während er jede der oben beschriebenen Bewegungen ausführt. Das heißt, auf, ab, im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn, vorwärts, rückwärts, links und rechts.
In der obigen Abbildung sind die Propeller, die sich bei den einzelnen Bewegungen schneller drehen, mit einem roten Plus markiert. Der linke Steuerknüppel ist auf der linken Seite dargestellt, während die Bewegungen des rechten Steuerknüppels auf der rechten Seite dargestellt sind. Bitte beachten Sie, dass, wenn die Drohne eine konstante Höhe beibehält, die anderen Propeller sich mit einer leicht reduzierten Geschwindigkeit drehen, um den Gesamtschub, den die Drohne erzeugt, nicht zu verändern.
Alle diese Kombinationen reichen aus, um die Drohne vollständig im 3D-Raum zu bewegen.
Andere Dinge, die die Drohne tut.
Eine Drohne führt auch eine Menge ausgeklügelter Berechnungen durch, um sich selbst in einem stabilen Flugmuster zu halten. Die Drohne stützt sich auf eine ganze Reihe verschiedener Sensoren, die zusammenarbeiten, um Informationen an die Mikrocontroller-Platine zu liefern, die dann in der Lage ist, die Drohne in einer stabilen Position zu halten.
Einige Drohnen sind nicht in der Lage, automatisch zu schweben oder eine stabile Höhe zu halten, weil ihnen einige der Komponenten fehlen, die für diese Berechnungen erforderlich sind.
Zu den Sensoren, die in einer Drohne vorhanden sind, gehören:
- GPS – es ermittelt die Koordinaten der Drohne, indem es ihren Standort relativ zu einer Reihe von Satelliten bestimmt, die sich in einer geostationären Umlaufbahn über der Erde befinden.
- Barometer – ein Barometer erfasst den Luftdruck und ermöglicht der Drohne, indirekt ihre Höhe zu berechnen. Je höher die Drohne ist, desto niedriger ist der Luftdruck.
- Magnetometer – erkennt das Magnetfeld der Erde und kann die Ausrichtung der Drohne relativ zum Magnetfeld der Erde berechnen. Dies ist im Wesentlichen der Kompass der Drohne. Es ist auch eines der Dinge, die regelmäßig kalibriert werden müssen, vor allem, wenn Sie eine größere Entfernung zurückgelegt haben, um Ihre Drohne zu fliegen.
- Beschleunigungsmesser – er misst die Beschleunigung der Drohne, wird aber hauptsächlich verwendet, um die Richtung zu kennen, in die die Schwerkraft die Drohne zieht.
- Das Gyroskop – ein Gyroskop liefert die Winkelgeschwindigkeit der Drohne und wird verwendet, um ihre Orientierung in einer 3D-Umgebung zu berechnen.
Diese Sensoren liefern ständig Informationen an die Steuereinheit, die zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit der Propeller verwendet werden. Drohnen verwenden einen PID-Regler, um herauszufinden, wie die Drohne durch einen 3D-Raum bewegt werden soll.
PID-Regler
PID steht für Proportional, Integral, Derivativ und kann mit einer Reihe von Drohnensoftware eingestellt werden. Lassen Sie sich nicht von der Namensgebung dieser Regler abschrecken, sie sind eigentlich nur eine schicke Umschreibung für Folgendes:
- P betrachtet den aktuellen Fehler – wenn die aktuelle Einstellung weit vom Sollwert entfernt ist, wird die P-Einstellung versuchen, sie nahe am Sollwert zu halten. Je weiter er entfernt ist, desto stärker wird er drücken.
- I ist das Wissen, das aus vergangenen Fehlern gewonnen wurde – dies betrachtet vergangene Fehler (verursacht durch kontinuierliche äußere Kräfte) und wird ihnen entgegenwirken.
- D ist eine Vorhersage zukünftiger Fehler – wenn P beginnt, den Wert in die Nähe des Sollwerts zu drücken, wird der D-Wert verhindern, dass Sie massiv überschießen.
Die Wirkung der einzelnen PID-Parameter
Wenn Sie anfangen, mit den PID-Werten Ihrer Drohne zu spielen, werden Sie feststellen, dass jeder Wert die Drohne auf unterschiedliche Weise beeinflusst. Schauen wir uns jeden Wert etwas genauer an.
P-Verstärkung
Der P-Wert (auch bekannt als Gain-Wert) ist einer der wichtigsten Aspekte bei der Regulierung des Fluges einer Drohne.
Der Wert bestimmt, wie stark die Drohne arbeiten soll, um sich selbst zu korrigieren, um die gewünschte Flugbahn zu erreichen (gesteuert durch die Controller-Übertragung). Er kann sowohl zu hoch als auch zu niedrig sein:
Bei einem zu hohen Wert wird die Drohne oszillieren. Dies ist ein Anzeichen für eine aggressive Überkorrektur der Drohne und man sieht hochfrequente Schwingungen.
Zu niedrig, und der Kopter reagiert gefühlt langsam, und man kann sogar hören, wie die Motoren langsam hochlaufen.
Um einen guten p-Wert zu finden, sollten Sie den P-Wert schrittweise erhöhen, bis die Drohne anfängt zu schwingen, und diesen Wert dann auf 50% einstellen.
I-Verstärkung
I Gain ist die Einstellung, die festlegt, wie stark die Drohne auf äußere Kräfte reagieren soll – wie z.B. das Halten der Position im Wind oder aufgrund eines verschobenen Schwerpunkts (ganz einfach durch das Aufrüsten von Komponenten der Drohne verursacht.
Zu hoch und die Drohne reagiert nicht mehr
Zu niedrig und Sie werden feststellen, dass Sie das Flugmuster Ihrer Drohne manuell korrigieren müssen.
Sie wollen den I-Wert so niedrig wie möglich lassen, ohne das Flugmuster manuell korrigieren zu müssen.
D-Verstärkung
Die D-Verstärkung ist wie ein Stoßdämpfer für den P-Wert.
Wenn der D-Wert zu niedrig ist, reagiert die Drohne nicht schnell genug.
Wenn der D-Wert zu hoch ist, wird die Drohne mit schnellen kleinen Amplitudenschwingungen oszillieren. Das kann auch die Reaktion des Quads verringern und dazu führen, dass sich die Drohne träge anfühlt.
Erhöhen Sie die D-Verstärkung, bis die Drohne anfängt, mit kleinen, schnellen Schwingungen zu oszillieren. Reduzieren Sie auf 50% dieses Wertes.
Der PID-Regler ist dafür verantwortlich, dass Ihre Drohne schön stabil bleibt. Er sorgt auch für sanfte Richtungsänderungen, und wenn du deine eigene Drohne baust, ist es sehr wichtig, dass du diese Funktion richtig einstellst, damit es ein Vergnügen ist, deine Drohne zu fliegen, und sie am Ende der Joystick-Bewegungen nichts tut.
Kann eine Drohne programmiert werden?
Es gibt viele Drohnen, die mit Hilfe von so genannten „Wegpunkten“ programmiert werden können. Wegpunkte sind im Wesentlichen GPS-Positionen am Himmel, die dazu führen, dass die Drohne automatisch durch diese spezifischen vordefinierten Punkte fliegt, die einen Längen- und Breitengrad sowie eine Höhe haben, die die Drohne passieren muss.
Es gibt viele Wegpunkte und automatische Drohnenflüge, die online heruntergeladen und als Sideload in die Flugsoftware der Drohne geladen werden können.
Drohnen werden oft zu Forschungszwecken programmiert und wenn du etwas über die besten programmierbaren Drohnen wissen willst, schau dir meinen ausführlichen Artikel über die besten programmierbaren Drohnen für die Forschung an [vollständiger Leitfaden] – hier klicken.
Zusammenfassung
Drohnen fliegen und ändern ihre Richtung, indem sie die Umdrehungen pro Minute an jedem ihrer vier Propeller und Motoren ändern. Dies führt dazu, dass jeder der vier Motoren eine unterschiedliche Schubkraft erzeugt und die Drohne so durch den Himmel bewegt oder an einem festen Ort manipuliert, wie im Fall des Gierens (unter Verwendung des Drehimpulses).
Das Tolle daran ist, dass ein Großteil dieser Software und der Berechnungen automatisiert ist, was bedeutet, dass das Flugerlebnis nicht davon abhängt, dass man versteht, wie die einzelnen Bewegungen zustande kommen, sondern dass man einfach nur einen Joystick bewegen und den Flugprozess genießen kann.
Wenn Sie bis zum Ende dieses Artikels gekommen sind, sind Sie vielen Drohnenpiloten weit voraus, die nicht verstehen, wie eine Drohne die Richtung ändert. Jetzt, wo du alles über die einzelnen Bewegungen weißt, kannst du deine Drohne besser steuern und alle Probleme, die während deines Fluges auftreten können, vorhersehen und beheben.