Für hochwertige Luftaufnahmen aus einer Kamera-Drohne, in unserem Fall ein Octocopter, sind zwei Aspekte von entscheidender Bedeutung: ruhiges Flugverhalten (Steuerdynamik) sowie eine möglichst lange Flugzeit (Performance).

Je länger die Flugzeit des Octocopters, umso flexibler kann dieser eingesetzt werden. Gerade beim Einsatz im Gebirge, bei dem die Anzahl der mitgeführten LiPo-Akkus limitiert ist und es keine Nachlademöglichkeit vor Ort gibt ist jede Flugminute kostbar. Die Optimierung der Flugzeit darf aber nicht die Steuerdynamik des Octocopters enschränken. Bei Windböen muss der Octocopter sehr schnell reagieren um keinen sichtbaren Einfluss der Böe auf das Bild zu haben. Gerade im Gebirge treten häufig starke Auf- und Abwinde auf, und fordern eine schnelle Reaktion des Controllers. Beide Ansprüche – ruhiges Flugverhalten und lange Flugzeit – sind gegenläufig und erfordern bei der Auslegung des Antriebsstranges zwangsläufig einen Kompromiss.

Lange Flugzeiten erreicht man durch große, langsam drehende Propeller. Der Auftrieb wird über eine größere Fläche verteilt, wodurch der aerodynamische Wirkungsgrad steigt. Ungünstigerweise wird dadurch das Antriebssystem träger, der Copter verliert an Fähigkeit, schnell auf äußere Störungen zu reagieren. Die Drohne benötigt dadurch mehr Zeit, um auf Störungen zu reagieren und diese auszugleichen. Die Folge davon sind größere Abweichungen vom vorgegebenen Flugpfad des Octocopters und somit ein unruhigeres Videobild.

Für die Entwicklung des Octocopter 2.0 haben wir beide Aspekte genauestens betrachtet und optimiert. Hierfür haben wir einen Prüfstand entwickelt, mit dem Koaxial Brushless-Antriebseinheiten ein fest definiertes Testprogramm vollautomatisch durchlaufen und wichtige Kenngrößen aufgezeichnet werden. Kern des Prüfstandes ist ein Arduino DUE Microprozessor, der sowohl das Testprofil steuert als auch die anfallenden Messdaten erfasst.

Performance Prüfstand für Koaxial Oktokopter für Luftaufnahmen

Performance Prüfstand für Koaxial Oktokopter

Am Prüfstand befestigtes Koaxial Motor-Propeller-Paar für Film-Oktokopter

Am Prüfstand befestigtes Koaxial Motor-Propeller-Paar für Oktokopter

Für die Messung der Spannung und der Ströme verwenden wir die im Arduino integrierten A/D-Wandler, die Schubmessung erfolgt mit einem Dehnmesstreifen. Die Drehzahlen der beiden Propeller werden über Lichtschranken gemessen, deren Photo-Dioden mit 28kHz gesampelt werden. Während die Antriebseinheit den Betriebsbereich durchfährt und an vorher defnierten Stellen die Drehzahl stabilisiert, werden permanent Speisespannung, Motorströme, Drehzahlen sowie der Schub der Antriebseinheit gemessen und daraus der Wirkungsgrad berechnet.

gemessene Schubkurve für Kameradrohne

gemessener spezifischer Schub über Schub

 

Um die Dynamik des Systems zu bestimmen wird wird in einem zweiten Testmodus ein Beschleunigungsmanöver von Stillstand auf maximale Drehhzahl durchgeführt. Die Drehzahl beider Propeller wird dabei gemessen.

 

Drehzahlmessung für Kameradrohne

gemessener zeitlicher Verlauf der Drehzahl

Ein weiterer entscheidender Aspekt für lange Flugzeit ist der Energiespeicher. Derzeit sind Lithium-Polymer (kurz LiPo) Akkus die beste Lösung in Bezug auf eine hohe Energiedichte zu einem vertretbaren Preis. Die Energiedichte der verschiedenen auf dem Markt erhältlichen LiPo Akkus schwankt erheblich, bis zu 30%. Den Herstellerangaben ist häufig nicht zu vertrauen, in der Regel sind die Angaben zu optimistisch. Um auch bei der Stromquelle unserer Videodrohnen ein Optimum zu erreichen, vermessen wir die LiPo Akkus unter realistischen Bedingungen, d.h. bei Leistungsentnahmen von 600W und mehr. Dazu verwenden wir das Ladegerät iCharger 308Duo des Herstellers Junsi mit einem eigens entwickelten Hochlastwiderstand.

Hochlastwiderstand für LiPo Akku Prüfstand für Film Oktokopter

Hochlastwiderstand für LiPo Akku Prüfstand

LiPo-Akku Prüfstand mit Hochlastwiderstand für Kamera-Drohnen

LiPo-Akku Prüfstand mit Hochlastwiderstand

Durch eine umfangreiche Testkampagne mit verschiedenen Brushless-Motoren, CFK-Propellern und LipPo-Akkus haben wir die optimalen Komponenten für den Octocopter 2.0 auswählen können. Damit wird sich die Flugzeit um 45% erhöhen bei gleichzeitig verbesserter Flugdynamik.

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