Technik

Womöglich haben Sie schon die ein oder andere Reportage im Fernsehen über Mehrrotorsysteme gesehen. Hier finden Sie einen Überblick über technische Details der von uns verwendeten Fluggeräte:

Fluggeräte

Aktuell haben wir zwei Fluggeräte im Einsatz. Einen Quadrokopter und einen Hexakopter. Beide sind vom Aufbau ähnlich. Allerdings kann der Hexakopter aufgrund seiner sechs Leistungstärkeren Motoren ein höheres Gewicht tragen, als der Quadrokopter. Die Stärke des Quadrokopters ist sein geringes Gewicht, seine geringen Abmaße und die daraus folgende hohe Mobilität.
Fluggeräte wie diese waren vor einigen Jahren noch undenkbar. Erst durch die Entstehung leistungstarker Elektromotoren in Verbindung mit leichten Akkus wurde der erste Grundstock geschaffen. Um einen stabilen Flug zu ermöglichen, bedarf es vieler Sensoren und einer schnellen Regelung. Anders wie bei einem Hubschrauber, ist der Anstellwinkel der Propeller konstant. Nur durch Variation der Drehzahl können alle drei Achsen gesteuert werden. Um das entstehende Drehmoment auszugleichen, haben diese Fluggeräte gleich viele rechtsdrehende und linksdrehende Propeller. Dadurch erzeugen alle Propeller Auftrieb und es wird kein Heckrotor benötigt.
Insgesamt finden pro Fluggerät bis zu 10 Microcontroller Verwendung die ständig neue Daten einlesen, Signale erzeugen und eine Regelung durchlaufen. Folgende Sensoren finden in den Fluggeräten Verwendung: Beschleunigungssensor über zwei Achsen, Drehratensensor über drei Achsen, Barometrischer Luftdrucksensor, Kompass, GPS.

Flugzeit

Die Fluggeräte werden mit Lithium Polymer Akkus ausgestattet. Diese besitzen eine sehr hohe Energiedichte und werden als Hauptspannungsversorgung verwendet. Bei den Antriebsmotoren handelt es sich um hocheffiziente, bürstenlose Elektromotoren. Damit erreichen wir pro Akkuladung eine Flugzeit von ca. 15min. Danach muss der Akku gewechselt werden. Während dessen kann der leere Akku an einer Autobatterie mit einem Schnellladegerät wieder aufgeladen werden. Das ermöglicht es bei Bedarf ganze Flugtage durchzuführen.

GPS

Alle unsere Fluggeräte sind mit dem Global Positioning System (GPS) ausgestattet. Das ermöglicht es, das Fluggerät an einer definierten Stelle zu positionieren. Die Höhe kann dann mittels eines barometrischen Luftdrucksensors gehalten werden. Das entlastet den Piloten, und ermöglicht eine genaue Justage des gewünschten Bildauschnittes.
Des Weiteren können Wegpunkte programmiert, und autonom abgeflogen werden. Dabei kann die Kamera automatisch auf einen definierten Punkt ausgerichtet werden. Bei einem Vorbeiflug würde sich die Kamera automatisch drehen, und schwenken. In der Praxis wird diese Funktion jedoch eher selten verwendet, da im manuelen Modus bessere Ergebnisse erzielt werden, sofern man das Fluggerät beherrscht.
Eine weitere Funktion die zwar in der Praxis selten Verwendung findet, aber dennoch interessant ist, ist die FollowMe Funktion. Dabei können mittels eines Smartphones die eigenen GPS Koordinaten übertragen werden, und das Luftgerät folgt dem Smartphone autonom. Alternativ kann das Fluggerät via Position Hold an einer Stelle positioniert werden, und es behält das Smartphone "im Auge".

Nutzlast

Die Nutzlast ist das Gewicht, welches das Fluggerät zusätzlich tragen kann. Das Gewicht der Kamera darf also die maximale Nutzlast nicht überschreiten. Der Hexakopter kann eine maximale Nutzlast 1,5kg tragen, der Quadrokopter ca. 200g.

Kameras

Je nach Situation kommen verschiedene Kameras zum Einsatz. Da bei Fotoflügen die Auflösung um ein vielfaches höher ist, als bei Videoflügen, wird hierbei eine Systemkamera mit großem Bildsensor verwendet. Systemkameras sind von der Bildqualität vergleichbar mit digitalen Spiegelreflexkameras, haben jedoch keinen Spiegel und weisen daher ein geringeres Gewicht auf, wodurch die Flugzeit erhöht wird.

Videoflüge sind für den Piloten die größere Herausforderung, da es nicht nur wichtig ist, gewünschte Perspektiven anzufliegen, sondern auch der Verlauf der Flugbahn für ein qualitativ hochwertiges Video entscheidend ist. Ein guter Bildstabilisator dient hierbei als Unterstützung. Zwar ist dieser keinesfalls ein Ersatz für gute Piloten, doch ist es die Kombination aus beiden, die reproduzierbar gutes Videomaterial ermöglichen. Dafür wurde eine Videokamera angeschafft, mit der auch bei höheren Brennweiten nahezu wackelfreie Videos möglich sind.

Die soeben erwähnten Kameras können mit dem Hexakopter problemlos getragen werden. Für den Quadrokopter ist dieses Gewicht jedoch zu hoch. Um bei Flügen bei denen Mobilität gefragt, oder nur begrenzt Raum zur Verfügung steht wie beispielsweise innerhalb von Gebäuden, dennoch Aufnahmen aus der Luft machen zu können, haben wir zwei weitere Kameras im Program, mit denen sowohl Videos als auch Fotos aus der Luft erstellt werden können.
3D Videoaufnahmen können wir ebenfalls durch das Zusammenschalten von zwei Gopro HD Heros erzeugen.

Folgende Tabelle gibt eine kurze Übersicht der aktuell verwendeten Kameras mit den erprobten Einstellungen:

Sony A7 Lumix GX1 Sony CX730 GoPro 3 Black Edition Canon Ixus 100IS
Auflösung Foto 24 Megapixel Vollformat 16 Megapixel 24 Mepapixel (interpoliert) 12 Mepapixel 12 Mepapixel
Fotos in RAW Ja Ja Nein Nein Nein
Wechselobjektive Ja Ja Nein Nein Nein
Serienbildfunktion 4,5 Bilder/s 4,2 Bilder/s Nein 30 Bilder/s Nein
Auflösung Video Full-HD (1920px x 1080px) Full-HD (1920px x 1080px) Full-HD (1920px x 1080px) 4K (3840x2160) - 15fps
2,7k (2704x1524) - 25fps
Full-HD (1920x1080) - 50fps
HD
Maximale Framerate 50p 25p 50p 240p (WVGA)
50p (Full-HD)
25p
Per Fernbedienung steuerbar Ja Ja Ja (Foto,Zoom,Start / Stop) Nein Nein (Foto alle 7s)
Livebild Übertragung Ja Ja Ja Ja Ja
Tragbar von Hexakopter / Quadrokopter Ja / Nein Ja / Nein Ja / Nein Ja / Ja Ja / Ja

Schwenkmechanismus / Neigungskompensation

Beide Fluggeräte besitzen eine Kamerahalterung, die über zwei Achsen gedreht werden kann (Nick und Roll). So ist es möglich die Kamera während des Fluges um bis zu 90° nach unten zu schwenken. Bei translatorischen Bewegungen, oder bei Wind, neigt sich das Fluggerät in eine bestimmte Richtung. Wäre die Kamera starr mit dem Fluggerät verbunden, so würde die Kamera den unerwünschten Neigungen folgen. Die Sensoren in der Flugregelung, erfassen jedoch Drehungen um alle Achsen, und können so die entsprechende Ausgleichsbewegung erzeugen. Neigt sich zum Beispiel das Fluggerät aufgrund einer Vorwärtsbewegung nach vorne, so erzeugt die Flugregelung die entsprechende Ausgleichsbewegung, wodurch das Kamerabild nahezu unverändert bleibt.

Livebild Übertragung / Telemetrie

Jede der verwendeten Kameras haben einen analogen Video Ausgang. Dieser wird an einem Videosender angeschlossen, wodurch das Livebild der Kamera direkt an den Piloten gesendet wird. Mittels einem LCD Farbmonitor kann das Livebild betrachtet werden und so eine perfekte Perspektive gefunden werden. Zusätzlich zu dem Monitor kann auch eine Videobrille verwendet werden.

Sämtliche relevanten Sensorwerten werden live an die Fernbedienung übertragen. So hat der Pilot jederzeit einen Überblick über Höhe, Entfernung, Richtung und weitere Daten des Fluggerätes.

Mobilität

Das gesamte Equipment ist so konzipiert, das es problemlos von einer Person zu Fuß getragen werden kann. Auch während des Fluges kann der eigene Standort variiert werden. Der Quadrokopter kann auch problemlos über weitere Strecken transportiert werden, und ist dadurch ein idealer Begleiter für Bergtouren.