Drohnenselbstbau – Grundlagen und Design
In einem anderen Artikel beschreibe ich die Erfahrungen mit dem Selbstbau einer Drohne. Hier möchte ich ergänzend dazu zu grundsätzlichen Fragen zum Thema Drohnenbau und Flugbetrieb schreiben.
Wenn man mit dem Thema startet, muss man sich (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) mindestens mit folgenden Themen auseinandersetzen:
- Rechtliche Bestimmungen zum Flugbetrieb
- Welche Art von Drohne soll’s den werden
- Design und Auslegung des Modells
Rechtliche Bestimmungen zum Flugbetrieb
In Deutschland gilt die neue Drohnen-Verordnung. Gleich als Warnung vorab: Die nachfolgenden Info’s sind nicht vollumfänglich, eine Einarbeitung in alle Aspekte der kompletten Regelung ist nicht zu vermeiden und auch gefordert (u.a. durch den Kenntnisnachweis).
In der Verordnung ist unter anderem festgelegt, das Drohnen
o ab 250g einen Kenntnisnachweis des Piloten erfordert, eine feuersichere Halterplakette gut sichtbar am Modell und eine geeignete Haftpflichtversicherung
o ab 5000g zusätzlich eine Aufstiegserlaubnis erforderlich ist.
Ergänzend dazu sind Regeln zur maximalen Flughöhe, zu Flugverbotszonen und zu generellen Verhaltensweisen speziell bei Kamerabetrieb und ähnliche Fragen zu beachten. Wichtig ist auch, das Flüge außerhalb der eigenen Sichtreichweite nicht zulässig sind. FPV-Flug (First Person View) erfordert zusätzlichen einen Feldbeobachter zur Unterstützung, da der Pilot alleine nicht in der Lage ist das komplette Flugfeld zu übersehen.
Später im Design sind auch noch zusätzlich die Vorgaben zu verwendeten Funkfrequenzen und maximalen Sendeleistungen zu beachten. Dies ist vor allem für FPV-Komponenten und Telemetrie-Module interessant.
Das BMVI (Bundesministerium für Verkehr und Digitale Infrastruktur) hat hier einen netten Flyer und Informationen.
Ebenfalls anzuraten ist als Informationsquelle, darüber hinaus auch für den Kenntnisnachweis und die zumeist erforderliche spezielle Versicherung, der DMFV (Deutscher Modellflieger Verband e.V.). Das Angebot dort erlaubt es die notwendigen Voraussetzungen für die meisten Fälle mit überschaubaren Kosten zu erfüllen.
Welche Art von Drohne soll’s den werden
Grundsätzlich würde ich zwischen 3 Arten von Drohnen unterscheiden:
- Racing-Drohnen
- Kompakt und leicht gebaut
- Zumeist Quadrocopter
- Wenig bis kaum Hilfe bei der Steuerung, dafür sehr agil
- Üblicherweise mit FPV (First Person View)
- Sehr leistungsstarke Motoren und kompakte, schnelldrehende Propeller
- Meist begrenzte Flugzeit <10 Minuten, da Akkukapazität zugunsten Gewichtsersparnis begrenzt wird.
- Kamera-Drohnen
- Eher groß gebaut um ausreichend Platz für alle Bestandteile zu bieten und für eine gewisse Stabilität in der Luft
- Zumeist Quadrocopter oder Hexacopter, aber auch Octacoper oder andere Varianten.
- Weitreichende Unterstützung in der Stabilisierung bis zu autonomen Flug
- Ausgerüstet mit Gimbal und Kamera für Flugaufnahmen
- Eher auf Effizienz ausgelegte Motoren mit großen, langsamdrehenden Propellern.
- Akkuauslegung bestimmt Flugzeit, viele Modelle mit mehrern Akkupacks für lange Aufnahmezeiten.
- Agrar-, Transport- oder Militärische Drohnen
- Je nach Anwendungsfall völlig verschieden, aber für gewöhnlich jenseits der 5Kg-Grenze und jenseits des normalen Anwendungsfalls von Privatfliegern.
Im Regelfall muss man sich also zwischen Racing-Drohne oder Kamera-Drohne entscheiden, da die Designvorgaben jeweils widersprüchlich sind.
Design und Auslegung des Modells
Für den Bereich der Racing-Drohnen kann ich nur wenig sagen, da ich das Segment für mich nicht interessant finde. Bei den Kamera-Drohnen biete ich mal die von mir gesammelten Informationen an, wieder ohne Anspruch auf Vollständigkeit:
Die Quadrocopter-Konfiguration mit 4 Motoren ist wohl die häufigste Einstiegsvariante und schon recht günstig zu bekommen (F500 oder S500 Rahmen). Wenn man mehr Schub benötigt sind Hexacopter mit 6 Motoren ebenfalls noch gut zu finanzieren (F550 oder S550 Rahmen). Der Octacopter soll im Flugverhalten besser sein, ist aber preislich erheblich höher angesiedelt und überschreitet auch mal schnell die magischen 5 Kg Modellgewicht.
Speziellere Varianten mit 3 oder nur 1 Motor und gegensätzlich montierte Motoren kann ich nur anmerken, aber wenig sinnvolles dazu sagen.
Grundsätzlich gilt die Faustregel, das die Motoren und Propeller so ausgelegen sind, das die Motoren/Propeller-Kombi etwa doppelt so viel Schub erzeugt wie das Modell Gewicht hat. Dann ist von einem für den Kamerabetrieb gut ausgelegten System auszugehen.
Das ist gar nicht so einfach, weil diese Information gar nicht so selbstverständlich dokumentiert wird und sehr oft empirisch durch Teststände ermittelt werden.
Motorenhersteller geben aber oft Empfehlungen für die Propeller an, was die Eingrenzung schon mal erleichtert.
Beispiel: Für mein System mit A2212 KV1000 Motoren werden Propeller vom Typ 1047 empfohlen (10″x4,7″). Mit 3S Akkus erreicht man ca. 800g Schub pro Motor. Das ergibt einen Gesamtschub von 3200g und damit ein empfohlenes Modellgewicht von max. 1600g.
Wichtig ist aus meiner Sicht die Klarstellung, das größere, stärkere, schnellere (und teurere) Motoren nicht notwendigerweise die bessere Wahl sind. Je nach Bedarf sogar eher die falsche.
Zur Ansteuerung der bürstenlosen Motoren braucht es sogenannte ESCs.
Hier sollte die Leistung mit Abstand zum Bedarf des Motors dimensioniert werden, um einen Spannungseinbruch bei kurzzeitiger Überlastung zu vermeiden. Bei den Kosten machen 10A Reserve kaum was aus, ein Absturz aber schon. Mein Modell hat ESCs mit 30A, der Motor benötigt ca. 10A. Kleinere Dimensionierung macht hier (bei China-Einkauf) nur wenige Euros in Summe aus und kann so vernachlässigt werden. Anders kann dies natürlich bei der Qualität der Bauteile aussehen, das muss jeder für sich entscheiden.
Zur Stromverteilung bietet sich eine fertige Verteilerplatine aus. Da werden dann die Kabel der ESCs angelötet zur sicheren Stromversorgung. In manchen Rahmen ist ein solcher Verteiler sogar in den Platten integriert. Manche Module bieten dazu stabilisierte Spannungen von 5V und 12V an (5V gibt es aber auch von manchen ESCs).
Kameradrohnen haben meist einen Flugrechner eingebaut zur Steuerungsunterstützung bis zum autonomen Flug. Hier muss man sich etwas reinarbeiten. Ich bin mit Ardupilot und APM2.8 gestartet, aktuell ist eher ein Pixhawk. Alternativen gibt es natürlich massig. Das diese Komponente für sich recht komplex werden kann, gehe ich darauf mal in einem eigenen Artikel ein.
Bei der Fernsteuerung ist auch Auswahl angesagt. Gängige Marken und weniger bekannte Hersteller stehen oft am Anfang gleichwertig nebeneinander. Wenn es aber an die Leistungsgrenze geht oder einfach um andere Erfahrungsträger (z.B. Trainer/Schülerbetrieb) lohnt sich eine Markenanlage.
Ich benutze derzeit eine FlySky FS-TM10 10-Kanal Anlage. Laut Foren ist die Leistung Ok und das Set ist mit Empfänger bereits ab 40€ zu bekommen. Da kann man später auch mal Umsteigen ohne sich zu ärgern. Nachteil ist aber die schlechte Doku (-keine!-), ebensolcher Herstellersupport und im Vergleich wenig Benutzererfahrung in Foren. Man kann halt nicht alles haben 🙂
Akku definiert sich erst mal an der Anzahl der Zellen (xS, also x Zellen in Serie). Je höher, deste mehr Spannung im System und zumeist auch mehr Leistung. Oft geht das dann aber mit mehr Gewicht, geringerer Effizienz und kürzerer Flugzeit einher. Gängig sind 3S und 4S.
Bei den Racing-Drohnen geht das noch höher, wird aber dann auch wieder irgendwann problematisch (Feuergefahr,…). Teuer sowiso.
Als zweite Variable gibt es die Kapazität. Typische Konfigurationen bewegen sich im Bereich 1500 mAh bis 5000 mAh, Ausnahmen bestätigen die Regel.
Als letztes ist hier die Strombelastbarkeit zu nenenn (xC, also x * die Kapazität). Ein 100C-Akku mit 1500 mAh kann also maximal 150A liefern. Der Wert sollte mit einem gewissen Abstand zum Bedarf des Models dimensioniert werden, sonst bricht einem die Spannung bei härten Flugmanövern weg und das Modell stürzt ab (Brown-Out).
In meinem Modell benötige ich ~10A pro Motor, also ~40A. Ein 1500mAh Akku sollte mit Reserve mindestens 40C aufweisen (60A). Weil es preislich nicht so richtig viel ausmacht, nutze ich allerdings 100C bei 1,5 Ah und 60C bei 5 Ah, also erheblich mehr Reserve.
Für den Kamerabetrieb braucht es natürlich eine Kamera. Hier werden bei den Selbstbauversionen gerne Action Kameras verwendet. Auflösungen bis 4K sind schon günstig drin, Full HD Standard, die Teile sind klein und relativ leicht. Manche biete WLAN-Streaming für kurze Distanzen, praktisch alle Speicherkarten. Action Cams haben meist 120° Sichtwinkel und damit eine leicht verzerrte Optik. Die Stromversorgung ist integriert und typischerweise mit >1h mehr als ausreichend auch für ausgedehnte Flüge. Hier lohnt sich die Recherche in einschlägigen Foren zu Erfahrungen von Besitzern und manche Vergleichsvideos in Youtube. Oft unterscheiden sich die Fähigkeiten in Lichtverhältnissen, manche Schwächen von günstigeren Modellen müssen auch nicht immer für den eigenen Anwendungsfall relevant sein.
Damit das ganze für Betrachter angenehmer wird, kann die Kamera in einen Gimbal montiert werden. Der gleicht Bewegungen der Drohne in 2 oder 3 Achsen aus und bietet üblicherweise auch die Option die Achsen zusätzlich per Fernsteuerung mit freien Kanälen entsprechend auszurichten.
Normalerweise ist (mindestens) das ganze Kamerasystem schwingend montiert um die im System vorhandenen Schwingungen vom Video zu entkoppeln.
