Flugprinzipien: Wie ein Multirotor sich in der Luft stillhält

Ein Propeller drückt Luft nach unten und erhält als Reaktion einen nach oben gerichteten Schub. Der Schub skaliert ungefähr mit dem Quadrat der Rotordrehzahl und mit der Luftdichte, und ein größerer Durchmesser erzeugt ihn effizienter (T = C_T × ρ × n² × D⁴, wobei ρ die Luftdichte, n die Rotordrehzahl und D der Durchmesser ist). In großer Höhe oder an heißen Tagen ist die Luft dünner, die Rotoren müssen also schneller drehen, um dasselbe Gewicht zu tragen.

Schweben ist der Zustand, in dem der Gesamtschub von vier (oder mehr) Rotoren das Gewicht mg genau ausgleicht – bei einem Quadrocopter mg ÷ 4 je Rotor. Je schwerer Inspektionskamera oder Kontaktsensor, desto schneller drehen die Rotoren und desto weniger Schubreserve bleibt zum Steigen oder gegen Böen. Die Konstruktion von Inspektionsfluggeräten ist ein Kampf um diese Reserve.

Ein Multikopter hat keine Steuerflächen. Jede Bewegung entsteht aus Drehzahlunterschieden zwischen den Motoren. Werden die vorderen Motoren leicht verlangsamt und die hinteren beschleunigt, nickt das Fluggerät nach vorn; der Schub neigt sich nach vorn und das Fluggerät beschleunigt (T·sinθ in der Abbildung). Rollen funktioniert genauso. Zum Anhalten neigt es sich in die andere Richtung und bremst.

Gieren funktioniert anders. Ein drehender Propeller erzeugt ein Reaktionsdrehmoment, das die Zelle in die Gegenrichtung drehen will. Bei einem Quadrocopter dreht ein diagonales Paar im Uhrzeigersinn und das andere gegen den Uhrzeigersinn, sodass sich die Drehmomente aufheben. Beschleunigt man ein Paar und verlangsamt das andere bei konstantem Gesamtschub, bleibt nur das Ungleichgewicht der Drehmomente übrig – das Fluggerät dreht sich auf der Stelle.

Ein Multikopter ist ein von Natur aus instabiles Fluggerät, das sich selbst überlassen binnen Sekunden umkippen würde. Der Flugregler hält es mit Kaskadenregelung in der Luft. Von außen nach innen setzt er Sollwerte für Position, dann Geschwindigkeit, dann Lage, dann Drehrate; die innerste Ratenschleife liest die Gyroskope und steuert die Motoren an. Die meisten Stufen sind PID-Regler (sie korrigieren nach der Größe des Fehlers, P; seiner Aufsummierung, I; und seiner Änderungsgeschwindigkeit, D) oder einfachere reine P-Stufen (in PX4 etwa nutzt die Position P, während Geschwindigkeit und Rate PID nutzen).

Der Trick ist, dass innere Schleifen schneller laufen. Lagefehler wachsen im Nu, daher läuft die Ratenschleife hunderte Male pro Sekunde oder öfter, während die Positionsschleife deutlich langsamer sein kann. Der Mixer verteilt „so viel um diese Achse drehen“ auf die einzelnen Motordrehzahlen. Schlechte Abstimmung zeigt sich nahe an Bauwerken: Das Fluggerät reagiert entweder auf kleine Störungen über oder zu spät und driftet.

Das Gefühl, wie sich ein Fluggerät fängt, bevor es kippt, lernt man schneller mit den Händen als durch Lesen. Probieren Sie die Sticks in über eine Weltkarte im Browser fliegen (Airffic Simulation, auf Japanisch).

Regelung funktioniert nur, wenn das Fluggerät seinen aktuellen Zustand kennt. Keinem einzelnen Sensor kann man allein trauen, daher werden Sensoren mit unterschiedlichem Charakter verschmolzen – typischerweise mit einem erweiterten Kalman-Filter (EKF) –, um Position, Geschwindigkeit, Lage und sogar Sensor-Biases gleichzeitig zu schätzen.

Der EKF teilt die Arbeit auf: schnell vorhersagen mit der IMU, langsam korrigieren mit allem anderen. Entscheidend ist, ob er einen lügenden Sensor erkennen und verwerfen kann. Springt GNSS durch Mehrwegeffekte unter einer Brücke, oder wird der Kompass von Stahlträgern verzerrt, und der Filter vertraut weiter darauf, kann das Fluggerät geradewegs in das Bauwerk driften. Siehe Umgebungen ohne GNSS, magnetische Störungen und das nächste Kapitel zur Navigation.

Um von Grund auf zu lernen, was GNSS, Barometer und Kompass jeweils beitragen, siehe eine Einführungslektion dazu, wie eine Drohne weiß, wo sie ist (Tobira, auf Japanisch).

Im Wind hält eine Drohne ihre Position, indem sie sich in den Wind lehnt. Je stärker der Wind, desto tiefer die Neigung und desto mehr Schub geht seitwärts – es bleibt weniger Reserve zum Steigen oder Drehen, und der Akku leert sich schneller. Die „maximale Windstärke“ des Herstellers ist ein Anhaltspunkt für das Halten der Lage in freier Luft, kein Versprechen, dass es in turbulenter Strömung nahe an einem Bauwerk fotografieren kann.

Bauwerke lenken den Wind um, reißen ihn ab und werfen ihn als Wirbel ab. Hinter Pfeilern, an Gebäudeecken und im Lee von Turbinentürmen wechseln Böen abrupt die Richtung. Das Fluggerät muss die Drift messen, bevor es korrigieren kann, es gibt also immer eine Verzögerung – und die Strecke, die es in dieser Verzögerung driftet, bestimmt den Mindestabstand zum Bauwerk. Siehe Wind und Turbulenz.

Derselbe Wind sieht von der Seite des Frachttransports anders aus. Vergleichen Sie mit wie Schweben und Wind die Lieferreichweite auffressen (Airffic Logistics).

Wenn Boden, Decke oder Wand nahe an den Rotoren sind, ändert sich die Luftströmung und mit ihr der Schub. Inspektion heißt, nah an Bauwerke heranzugehen, das lässt sich also nicht vermeiden.

Ein Multikopter verbraucht Energie allein dadurch, dass er in der Luft bleibt. Die Schwebeleistung wächst schneller als das Gewicht, also erhöht mehr Akku auch die Leistung, die nötig ist, um diesen Akku zu heben – ein eingebautes Dilemma. Lithium-Akkus speichern weit weniger Energie pro Kilogramm als Kraftstoff, und typische Inspektionsmultikopter fliegen höchstens einige zehn Minuten.

• Kälte: Niedrige Temperaturen verringern die verfügbare Leistung und verursachen plötzliche Spannungseinbrüche. Akkus vor dem Start vorwärmen. Kälte & Vereisung
• Wind und Gewicht: Starker Wind, schwere Nutzlasten und häufiges Steigen entleeren den Akku schneller als geschätzt.
• Der Rückweg: In Bereichen mit schwachem GNSS oder tief im Inneren von Bauwerken dauert die Rückkehr länger. Reserveschwellen danach festlegen, was der Rückweg erfordert.
• Akkuzustand: Die Kapazität nimmt mit Zyklen und Lagerung ab. Für jeden Akku ein Protokoll führen.

Wenn Sie vor der Wahl eines Inspektionsfluggeräts Zahlen dazu wollen, wie lange eine bestimmte Nutzlast und ein Akku Sie in der Luft halten, können Sie die Schwebezeit aus Zellenmasse und Akku abschätzen (Airffic Architect). Die Ergebnisse stammen aus einem Koeffizientenmodell, nicht aus einer Messung am Schubprüfstand, halten Sie die beiden also auseinander.

Ein Starrflügler erzeugt Auftrieb aus Vorwärtsgeschwindigkeit (Auftrieb = ½ × Luftdichte × Geschwindigkeit² × Flügelfläche × Auftriebsbeiwert). Er braucht keine Rotoren, die nur drehen, um oben zu bleiben, und fliegt daher mit derselben Energie viel weiter – ideal für zig Kilometer lange lineare Anlagen wie Pipelines, Freileitungen, Bahnstrecken und Deiche. Aber er kann nicht anhalten und nah herangehen.

Lange Strecken zu fliegen bedeutet fast immer Betrieb außerhalb der Sichtweite (BVLOS). Die Hürde sind meist Luftraumkoordination und Betriebsverfahren, nicht das Fluggerät selbst – fortgesetzt in Fern- und BVLOS-Betrieb.