Die Sensoren eines Multicopter – Erklärung

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Gyrometer

Der Gyro misst die auftretende Rotationsgeschwindigkeit pro Achse. Hierdurch entsteht die Möglichkeit die Umdrehungsgeschwindigkeit rotierender Körper feststellen. Mit Hilfe dieser Daten, kann ein Quadrocopter bereits sehr präzise angesteuert werden und seine aktuelle Lage halten oder als Beispiel mit der gewünschten Geschwindigkeit um die gewählten Achsen rotieren. Dieser Flugmodus wird in der “Betaflight Firmware” mit “Acro Mode” betitelt.

Der Pilot muss sich in diesem Modus um die tatsächliche Lage im Raum selbst kümmern. Der Gyro kann nämlich nicht erkennen in welcher Fluglage er sich aktuell befindet, sondern verarbeitet nur die aktuelle Drehbewegung des Multirotor.

Accerelometer

Beim diesem Bauteil verhält es sich anders, es besitzt 6 Achsen und kann seine Lage im Raum erkennen. Der Accerelometer misst die auftretenden G Kräfte und orientiert sich dabei mit Hilfe der Erdgravitation. Deshalb wird er auch als Beschleunigungsmesser bezeichnet. Am Multirotor übernimmt er damit ein Feature das in “Betflight als “Levelmode” bezeichnet wird. Da der Sensor im Vergleich zu einem Gyro relativ träge ist, kann er nur in Kombination mit einem solchen die Stabilisierung des Quadrocopter bewerkstelligen.

Barometer

Ein Barometersenor hat diverse Verwendungszwecke. In Wetterstationen hilft er bei Berechnungen für die aktuellen Wetterdaten. Bei unseren Quadcopter wird er verwendet um die Flughöhe zu erfassen. Er misst den statischen Absolut-Luftdruck und ist damit eine Sonderform des Manometers.

Wenn der Baro aktiv ist, braucht sich der Pilot nurmehr bedingt um die Flughöhe des Multirotor kümmern. Ein Steigen und Sinken wird nicht mehr direkt über die Gaskurve gesteuert sondern auf sogenannte “Steig-” und “Sinkraten” umgerechnet. Am “Throttlestick” wird somit als Beispiel ein Steigen mit 2 Meter pro Sekunde befohlen. Unser Flugroboter versucht dann diese Steigrate umzusetzen. Der “Gasknüppel” wird übrigens für diesen Flugmodus zentriert für den Fall dass die aktuelle Höhe gehalten werden soll. Ein Barometer ist in der Regel anfällig für Licht und Temperaturveränderung und sollte zumindest gut vor Lichteinstrahlung geschützt werden um brauchbare Daten zu generieren.

“Betaflight” unterstützt diverse Lufdruck Sensoren. Eine aktuelle Liste der kompatiblen Modelle findet sich auf der Wikiseite der Firmware.

Ultraschall Messmodul

Ein “Range Finder” eignet sich ideal für Entfernungsmessungen. Je nach Sensor können von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern Abstand gemessen werden. Hierbei werden Schallwellen ausgesendet und die Zeit bis zur Rückkehr zum Sensor gemessen. Wenn es also auf das Halten der Höhe im Zentimeterbereich ankommt, oder das Erkennen von Hindernissen, findet dieser Sensor Einsatz auf unseren Quadrocopter. Leider werden die Daten durch Wasser oder Schnee verfälscht, da die Schallwellen teils absorbiert werden. Wird die Messdistanz des Sensors überschritten, ist auch kein automatisches Halten der Höhe mehr möglich.

GPS

Das “Global Positioning System” wird wie in anderen Bereichen auch für die Navigationsfähigkeiten unserer Quadcopter verwendet. Dies reicht von der Darstellung der aktuellen Telemetriedaten, bis zur autonomen Steuerung des Multicopter. Mit Hilfe von Satelliten die auf bestimmten Frequenzen strahlen, kann das GPS Modul anhand der Stärke der Strahlung und ID des Satelliten erkennen, wo auf unserem Planeten es sich gerade befindet. Um eine Ortsbestimmung zu ermöglichen werden mindestens 3 Satelliten benötigt. Je mehr dieser Signale empfangen werden, desto genauer wird die aktuelle Position bestimmt. Generell empfiehlt es sich vor dem Flug zu warten bis zumindest 6 dieser künstlichen Trabanten empfangen werden um GPS Features effektiv verwenden zu können.

Viele Kameradrohnen oder ähnliche Flugroboter verwenden dieses Feature um die Position zu halten, verschiedene Wegpunkte abzufliegen, oder als Notfallsvorrichtung zur automatischen Rückkehr falls die Funkverbindung ausfällt.

Dieser Sensor wird in “Betaflight” zur Positionsbestimmung im OSD, zum Halten der Position und im Notfall für den autonomen Rückflug zum Startpunkt verwendet. Es gibt übrigens einen “Betaflight fork” mit dem Namen “INAV”. Diese Firmware wurde speziell für autonome Flüge entwickelt und bietet zusätzliche GPS Features wie als Beispiel den Wegpunktflug.

Optical Flow

Den “Optical Flow” Sensor kann man sich wie eine moderne Computermaus vorstellen. Es werden in einem bestimmten Intervall Bilder aufgenommen und mitereinander verglichen. Durch die Änderung des Bildinhalts nach vorne, hinten, links oder rechts wird ein Vektor errechnet der die tatsächliche Bewegungsgeschwindigkeit des Modells darstellen soll. Durch diese Sensordaten kann Position und Höhe eines Flugmodells bestimmt werden. Die Auflösung der Kamera, Distanz zum Boden beziehungsweise die Beschaffenheit des Untergrunds können diese Daten verfälschen. Auf reinem Schneeuntergrund wird es für den Sensor schwierig, über Wasser wird er vermutlich zur Gänze versagen.