Quadrocopter
Quad+ und QuadX Multirotordrohnen
Die gängigsten Multirotordrohnen
Die gängigste Variante der Multirotordrohne ist der Quadcopter bzw. der Quadrocopter mit vier Auslegern, vier Motoren und Rotoren. An diesem Modell lassen sich auch am einfachsten die grundlegendsten Flugeigenschaften erklären, weshalb wir mit diesem Drohnentyp auch beginnen wollen.
Anordnung und Drehrichtung der Rotoren
In den folgenden Grafiken etwas weiter unten sind einmal eine sogenannte Quad+ Multirotordrohne und noch etwas weiter unten eine QuadX Multirotordrone schematisch dargestellt. Ihr Flugregler befindet sich üblicherweise in der Mitte ihres Rahmens, der jeweils die Drehrichtung und die Geschwindigkeit der einzelnen Motoren und der Propeller, die an den Motoren angebracht sind, steuert. Die Flugrichtung ergibt sich aus der Drehrichtung und der Rotationsgeschwindigkeit der Rotoren.
Bei einer plusförmigen Quad+ Multirotordrone drehen sich der linke und der rechte Rotor gegen den Uhrzeigersinn (Englisch: CCW, counterclockwise), während sich der vordere und der hintere im Uhrzeigersinn (Englisch: CW, clockwise) drehen. Kippt man die Quad+ Drohne im zweidimensionalen Raum und von oben betrachtet um 45°, dann hat man eine QuadX Multirotordrohne vor sich und erkennt schnell, warum der Schwebeflug einer Drohne stabil ist. Denn die durch die Drehbewegung der Rotoren erzeugte Luftströmung führt vorne wie hinten nach innen zum Mittelpunkt des Rahmens, während die Propeller gleichzeitig eine stetige nach unten gerichtete Luftsäule erzeugen. Das trägt zu einem stabilen Schwebeflug bei.
Manövrieren eines Quad+ Multirotorcopters
Was passiert nun, wenn die Drohne in eine bestimmte Richtung fliegen soll, also zum Beispiel nach vorn, nach hinten, nach links oder nach rechts? Schauen wir uns dazu die unten stehende Darstellung eines Quad+ Multirotorcopters mit einem plusförmigen Rahmen etwas genauer an. Soll diese Drohne nach links gesteuert werden, muss die Rotationsgeschwindigkeit des rechten Propellers erhöht werden, wodurch dessen Auftrieb in Relation zu allen anderen mit konstanter Geschwindigkeit rotierenden Rotoren zunimmt. Dadurch kippt der Multicopter insgesamt nach links und driftet auch dorthin. Umgekehrt fliegt die Drohne nach rechts, wenn die Drehgeschwindigkeit des linken Propellers in Relation zu den übrigen Rotoren erhöht wird. Um nach vorn zu fliegen, muss entsprechend die Rotationsgeschwidigkeit des hinteren Rotors erhöht werden und für den Rückwärtsflug wird der vordere Rotor im Verhältnis zu den übrigen Propellern beschleunigt. Deshalb kippt die Drohne beim Vorwärtsflug immer ein wenig nach vorn und beim Rückwärtsflug immer ein bisschen nach hinten.
Kontrolle der Rotationsgeschwindigkeit
Will man nun, dass die Drohne im dreidimensionalen Raum an Höhe gewinnt, muss der Auftrieb entsprechend zunehmen. Und das erreicht man, wie wir es im Beitrag über die Grundlagen der Flugphysik ausführlich beschrieben haben, durch die gleichzeitige, mit identischer Beschleunigung steigende Rotationsgeschwindigkeit aller Rotoren der Multirotordrohne. Will man hingegen den Sinkflug bzw. die Landung einleiten, dann senkt man die Geschwindigkeit aller Rotoren gleichzeitig und mit identischer Entschleunigung.
Die Multirotordrohne kommt also komplett ohne Steuerungsruder, Landeklappen oder vergleichbare Instrumente der Flugsteuerung aus. Sie wird nur mittels Kontrolle der Rotationsgeschwindigkeit ihrer einzelnen Rotoren durch den Raum manövriert. Sie kann sich im Gegensatz zu einem über seine Tragflächen gesteuerten Starrflüglers beliebig in alle Richtungen bewegen und sogar in der Luft schwebend anhalten. Diese Vorteile werden erkauft durch die Hinnahme einer ausgeprägten Energieineffizienz.
Manövrieren eines QuadX Multirotorcopters
Alternativ zur Quad+ Multirotordrohne mit einem plusförmigen Rahmen ist die QuadX Multirotordrohne mit ihrem x-förmigen Rahmen das gängigere Multicopter-Modell. Die Anordnung der Rotoren des um 45° gedrehten Rahmens bleibt ansich dieselbe: Die Propeller, die sich im Uhrzeigersinn drehen, befinden sich weiterhin auf der gegenüberliegenden Seite ihrer jeweiligen Achse, genauso wie die Rotoren, die sich gegen den Uhrzeigersinn drehen. Während die Grundkonfiguration, also die Anordnung der Motoren und ihrer Drehrichtung, grundsätzlich gleich bleibt, hat die X-Form trotzdem Auswirkungen auf die Steuerung der Motoren, um die Drohne im dreidimensionalen Raum zu manövrieren.
Soll sie jetzt zum Beispiel vorwärts fliegen, muss die Rotationsgeschwindigkeit beider hinten befindlicher Rotoren erhöht werden bei gleichbleibender Geschwindigkeit der zwei vorderen Propeller. Durch den hinten erzeugten zusätzliche Auftrieb kippt die Drohne nach vorn und fliegt vorwärts. Umgekehrt werden für den Rückwärtsflug die beiden vorderen Rotoren beschleunigt. Das gleiche gilt für die Seitwärtsflüge. Ein x-förmiger Rahmen hat zur Konsequenz, dass für jede Vorwärts-, Rückwärts- und Seitwärtsbewegung jeweils zwei Rotoren beschleunigt werden müssen, um denselben Effekt zu haben wie mit einem plusförmigen Rahmen.
