Drohnen (2) 05.03.2018, 17:57

Drohne im Schraegflug

Drohnen übernehmen außerhalb mitlitärischer Anwendungen eine Vielzahl von Aufgaben: als Paketzulieferer, Transportgeräte für medizinische Hilfsgüter; Überwachung landwirtschaftlicher Flächen, Wetterdaten ermitteln usw. Der Beitrag erklärt seinen Aufbau. Mit Zeichnungen für den Unterricht.

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Drohnen (2) 

Quadrocopter

In diesem Beitrag behandeln wir für den privaten Gebrauch vorgesehene viermotorige Drohnen. Für die Beförderung schwererer Lasten werden Hexacopter (mit 6 Rotoren) und Oktocopter (mit 8 Rotoren) gebaut.

Dass sich der Hubschrauber-Antrieb bei Drohnen nicht durchsetzen konnte, liegt vor allem am mechanischen Aufwand, der erforderlich wäre, um mehrere Rotoren von einem Verbrennungsmotor aus anzutreiben. Die Lösung: Jeder Rotor einer Drohne arbeitet mit einem eigenen Elektromotor zusammen. 

Drohne Aufbau

Der Quadrocopter hat einen relativ einfachen mechanischen Aufbau; er besteht aus 

– dem Gehäuse mit Motor-Auslegern und Beinen
– einem Lithium-Polymer-Akku
– vier Gleichstrommotoren
– vier Rotoren.  
Dagegen steckt in einer Drohne jede Menge elektronisches Hightech:  
– ein oder mehrere ESC (Electronic Speed Controller), der/die die Energie des Akkus dosiert an die Motoren weiterleitet/n,  
– ein Flugcontroller  
– Sensoren. 

Die Steuerung erfolgt von einer Fernbedienung mit Joysticks aus.
Quadrocopter sind fast immer mit Kameras ausgestattet.

Wie fliegt ein Quadrocopter? 

Bei viermotorigen Quadrocoptern sitzen die Rotoren auf Auslegern in den Ecken des Fluggeräts. Der Abstand der Rotoren zueinander ist jeweils gleich groß, damit kein Hebelarm auftritt, der zu unerwünschten Drehmomenten führen würde. Ein weiterer Vorteil dieser Bauweise: Der Drohnen-Schwerpunkt liegt in der Mitte der Konstruktion. 

Drohnen Draufsicht 

Bild: Drohne, Draufsicht

Drehen sich nun jeweils zwei gegenüberliegende Rotoren rechts und die anderen beiden links, dann heben sich die von jedem einzelnen Rotor erzeugten Giermomente gegenseitig auf. Dies erlaubt der Drohne bei Windstille ein ruhiges Schweben in der Luft. 

Um eine Drohne zu lenken, werden gezielt Giermomente erzeugt, indem zwei sich in die gleiche Richtung drehende Rotoren etwas langsamer laufen als die anderen beiden. Das ist mit einer ausgeklügelten ESC-Steuerungstechnik möglich. 
Das Herzstück einer Drohne ist ein kleiner Computer, der Flugcontroller. Er steuert den ESC und damit die Drehzahl der vier Motoren; er wird mit den Sensor-Daten gepeist. Eine besondere Rolle spielt dabei das Gyroskop, ein Kreisel, der die Ausrichtung der Drohne stabilisiert. Weitere Daten kommen vom Quadrocopter-Piloten selbst; seine Steuerungswünsche werden z. B. über einen Funk-Empfänger als Befehle an den ESC umgewandelt. 

Spiel-Quadrocopter sind zwischen 10 cm und 50 cm groß bei Gewichten von 50 Gramm bis etwa 1,5 kg.  
Der DHL-Paketkopter ist etwa 1,7 Meter groß und beförderte 2016 Nutzlasten von 1,2 kg über 12 km Entfernung.

Schließlich noch ein Wort zum Begriff Drohne. In der Natur ist die Drohne eine männliche Biene. Sie wurde nach ihrem Summen und Brummen, eben Dröhnen, benannt. Dieses uralte Wort gab auch der technischen Drohne ihren Namen, d. h. sie erhielt den Namen von ihrem brummenden Fluggeräusch. 

Übrigens
Wenn Sie Drohnen mit mehr als 2 Kilogramm fliegen lassen, benötigen Sie seit dem 1. Oktober 2017 einen speziellen Drohnen-Führerschein, den so genannten Kenntnisnachweis. Die Bescheinigung ist beim Luftfahrt-Bundesamt ab 16 Jahren erhältlich, beim Luftsportverein wie beim Deutschen Modellflieger-Verbandonline schon ab 14 Jahren. Besitzer einer gültigen Pilotenlizenz brauchen keine spezielle Bescheinigung zu beantragen. Ebenfalls neu: Damit im Schadensfall der Besitzer einer Drohne schnell ermittelt werden kann, müssen ab dem 1. Oktober 2017 alle unbemannten Flugobjekte eine Plakette mit Namen und Adresse des Eigentümers tragen, sofern sie mehr als 250 Gramm wiegen. (Quelle: Chip)
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Die Zeichnungen unten sind für die Verwendung in Arbeitsblättern gedacht. 

Drohne für Arbeitsblatt