Kopter, Quadrocopter, Quadrokopter, Multikopter

Was ist das

Ein Quadrocopter, Qudrokopter, Multikopter oder Schwebeplattform, ist ein Luftfahrzeug, das vier oder mehr in einer Ebene angeordnete, senkrecht nach unten wirkende Rotoren oder Luftschrauben (Propeller) benutzt, um Auftrieb und durch Neigung der Rotorebene auch Vortrieb zu erzeugen.
Es gehört zu den Hubschraubern und kann wie diese senkrecht starten und landen. Im Modellbau dienen diese Fluggeräte oft als Trägerplattform für Video- und Foto-Kameras. Sie können aber auch andere Meßgeräte tragen oder nur zum Spaßfliegen eingesetzt werden. Der mechanische Aufbau ist im Gegensatz zu Hubschraubern herkömmlicher Art sehr einfach. Der eigentliche Aufwand steckt in der Elektronik und Software eines Kopters.

Technik

Steuerung durch Schubvariation und Drehmomentverteilung

Der Vorteil dieser Bauweise liegt darin, dass alle drei Achsen allein durch Variation der Dehzahl der Luftschrauben beinflußt werden können, wenn die Drehrichtungen geeignet angeordnet sind. Aufwändige Taumelscheiben wie bei einem Hubschrauber sind damit nicht notwendig. Auch entsteht keine Drift wie bei der Heckrotor-Konfiguration und bei der Steuerung treten kaum asymmetrische Artefakte aus Kreisel-Effekten des Rotors auf.
Die Schubänderung muss schnell genug reagieren, bei Drehzahlsteuerung etwa durch elektronische Motorsteller (Motorregler) welche auf die Elektromotoren wirken.

Antrieb eines Quadrokopters

Anhand der Grafik wird das Zusammenwirken der Rotoren deutlich (1 in Flugrichtung):

Kippen nach vorn oder hinten um die Querachse, das heißt Beschleunigen oder Bremsen (Nick, Y-Achse):
Schubverhältnis zwischen 1 und 2 verschieben.
Kippen um die Längsachse, seitliche Bewegung (Roll, X-Achse):
Schubverhältnis zwischen 3 und 4 verschieben.
Drehen um die Hochachse (Gier, Z-Achse):
Schubverhältnis und hier das wirkende Dehmoment paarweise zwischen 1-2 und 3-4 verschieben.

Neben der verbreiteten Konfiguration mit vier (Quadrokopter) gibt es auch Konstruktionen mit sechs (Hexakopter), acht (Oktokopter) oder zwölf Luftschrauben. Die Motoransteuerung erfolgt hier über eine Motormatrize, welche den Schub auf die einzelnen Motoren verteilt.
Der Trikopter wiederum arbeitet mit einer schräg gestellten Luftschraubenebene, welche über ein Servo geschwenkt werden kann. So erreicht man die Steuerung der Gier Achse und den Dehmomentausgleich.

Elektrische Stabilisierung mit Hilfe von Lage Sensoren

Grundlage für die Entwicklung der Modell- Quadrokopter sind Fortschritte in der Elektronik und Sensorik.
Durch Gyroskope können Winkelgeschwindigkeiten gemessen und automatisch ausgeregelt werden. Dabei kommen heute Gyroskopsensoren auf MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) zum Einsatz, oft auch ergänzt durch Beschleunigungssensoren (Accelerometer ACC), die mit Hilfe einer Sensordatenfusion mit den Gyroskopen direkt den Neigungswinkel zur Vertikalen ermitteln. Die entstehenden Daten werden heute über einen Datenbus (I²C) von modernen Mikrocontrollern verarbeitet.
Eine Änderung des Winkels um die jeweilige Gyro-Achse herum, gibt dem Mikrocontroller die nötige Information wie stark nach gesteuert werden muss, um die gewünschte Fluglage zu halten oder in die Waagerechte zu bringen. Dabei übernimmt der Mikrocontroller mit Hilfe von Software-Reglern und deren einstellbaren Parametern dann letztendlich den Regelungsprozess.

Das Zusammenspiel von GYRO und ACC zur Lagebestimmung

Der wichtigste Sensor in einem Kopter ist der Gyro (Gyroskop). Dieser liefert als Messwert die momentane Winkelgeschwindigkeit aller drei Achsen (x-Roll, y-Nick, z-Gier). Diese Messwerte werden in regelmäßigen Abständen addiert (integriert). Man erhält als Ergebnis den momentanen Winkel, ohne jedoch einen Bezugspunkt zu haben. Außerdem kann dieser Winkel nicht über einen längeren Zeitraum absolut auf einen Startwinkel bezogen werden. Der Winkel driftet langsam, resultierend aus Messfehlern und ungenauem Nullabgleich. Das zweite Problem stellt das Koordinatensystem der Messungen dar. Der Gyro-Sensor erfasst seine Meßwerte immer bezogen auf seine eigene aktuelle Lage. Wir benötigen als Zielkoordinatensystem aber das Weltkoordinatensystem, bezogen auf die waagerechte Erdoberfläche. Das transponieren mit Hilfe einer Drehmatrix ist sehr rechenintensiv und erfordert einen sehr schnellen Prozessor. Bei kleinen Winkeldifferenzen zwischen den Koordinatensystemen gibt es jedoch auch ein einfaches Näherungsverfahren. Diese sogenannte Achskopplung wird in diesem Projekt angewendet und funktioniert hinreichend genau um damit einwandfrei zu fliegen. Die langsame Drift der Winkel kann mit der Datenfusion aus dem ACC-Sensor (Accelerometer) kompensiert werden. Dazu misst man die Beschleunigungen aller drei Achsen und berechnet daraus einen gefilterten Erdbeschleunigungswinkel. Der Gyro-Winkel wird für die sogenannte Driftkompensation ständig dem ACC-Winkel nachgezogen. Das Ergebnis ist dann der x-Roll und y-Nick Winkel bezogen auf die waagerechte Erdoberfläche. Genau diese Werte benötigen wir, für die darauf folgende Flugstabilisierung mit Hilfe der Regelungstechnik.