Wissenswertes zu Quadrocopter , Multicopter und Drohnen

Es gibt wohl kein Fluggerät, das so faszinierend ist, wie ein Quadrocopter. Dabei hat alles vor nicht allzu langer Zeit einmal ganz klein angefangen. Die ersten Modellflug-Copter wurden von findigen Elektronikern entwickelt und in Zusammenarbeit mit erfahrenen Modellfliegern weiter optimiert.

Nachdem die ersten gut fliegenden Copter auf dem Markt erschienen sind, blühte die Szene förmlich auf. Mittlerweile gibt es für jeden Anwendungszweck und für jeden Geldbeutel den passenden Copter. Wobei es zum Teil wirklich überraschend ist, welche Leistungsmerkmale bereits in der Preis-Einstiegsklasse geboten werden.

Was ist ein Quadrocopter?

Ein Quadrocopter oder Quadcopter ist ein hubschrauberähnliches Modell, das ebenso wie ein Helikopter senkrecht starten und landen kann. Im Gegensatz zu einem Hubschrauber, der eine technisch aufwendige Mechanik besitzt, reichen einem Quadrocopter vier horizontal angeordnete Propeller. Diese Propeller werden jeweils von einem eigenen Motor angetrieben. Somit sind die mechanischen Komponenten auf ein Minimum begrenzt. Deutlich aufwendiger ist die Elektronik mit ihren Lage- und Beschleunigungs-Sensoren. Erst durch diese clevere Sensorik ist ein Quadrocopter in der Lage, stabil in der Luft zu schweben.

Größere Copter mit hoher Tragkraft werden zum Teil mit sechs oder acht Propellern ausgerüstet. In diesem Fall werden die Fluggeräte dann als Hexacopter oder Oktocopter bezeichnet. Aber auch Drohne, Multicopter Quadrocopter oder einfach nur Multicopter sind gängige Bezeichnungen.

Startbereiter Quadrocopters mit nach vorne ausgerichteter Kamera.

Wie funktioniert ein Quadrocopter?

Ein Heli benötigt einen Heckrotor, damit der Rumpf sich nicht entgegen der Drehrichtung des Rotors dreht.

Damit ein Quadrocopter fliegen kann, erzeugen vier waagerecht angeordnete Propeller einen nach unten ausgerichteten Luftstrom. Ist der Luftstrom stark genug, wird das Modell nach oben gehoben.

Allerdings erzeugt ein drehender Propeller oder Rotor auch einen Drehmoment auf den Motor bzw. auf das komplette Fluggerät. Wenn der Propeller sich nach links dreht, will sich das Fluggerät nach rechts drehen. Das ist auch der Grund, warum viele Helikopter einen Heckrotor benötigen.

Die Drehung des Hauptrotors (blaue Pfeile) erzeugt ein Drehmoment auf den Rumpf (rote Pfeile). Durch die Wirkung des Heckrotors (grüner Pfeil) wird das Drehmoment ausgeglichen. 

Je nachdem wie stark der Ausgleich erfolgt, kann über den Heckrotor auch die gezielte Drehung des Hubschraubers gesteuert werden.

Auch bei einem Quadrocopter tritt dieser Drehmoment-Effekt auf. Deshalb greift man zu einem einfachen aber genialen Trick:

Von oben gesehen laufen zwei Propeller im Uhrzeigersinn und die beiden anderen Propeller laufen entgegen dem Uhrzeigersinn. Dadurch heben sich die Drehmomente, die auf das Modell wirken, gegenseitig auf und der Quadrocopter braucht keinen Ausleger mit Heckrotor zur Stabilisierung. Zudem sind die Propeller mit der gleichen Laufrichtung diagonal zueinander angeordnet.

Der einzige Nachteil: Es werden lediglich zwei unterschiedliche Propellerausführungen benötigt, damit die Luft unabhängig von der Drehrichtung immer nach unten befördert wird. Speziell bei Wartungsarbeiten, oder wenn zum Transport die Propeller abgeschraubt wurden, muss man bei der Montage penibel genau auf die Drehrichtung der Motoren bzw. Propeller achten.  

Übrigens:
Die Winkelstellung der einzelnen Propeller zueinander spielt keine Rolle. Denn beim Fliegen haben die Motoren nie die gleiche Drehzahl, wodurch sich die Winkelstellungen fortlaufend ändern. Viel wichtiger ist es, dass die Luftschrauben exakt ausgewuchtet sind und sich vibrationsfrei drehen.

Immer zwei diagonal angeordnete Propeller haben die selbe Laufrichtung.

Wenn alle vier Propeller gleichmäßig  beschleunigt werden, hebt der Copter bei einer bestimmten Propellerdrehzahl ab. Wird die Drehzahl anschließend leicht reduziert, schwebt der Quadrocopter auf gleichbleibender Höhe.

Durch weitere Veränderungen der Schwebeflug-Drehzahl steigt der Quadrocopter nach oben oder reduziert die Flughöhe. Eingebaute Lage- und Beschleunigungssensoren erkennen dabei minimalste Veränderungen in der Fluglage und regeln die Drehzahl der jeweiligen Motoren unverzüglich nach. Dadurch kann der Multicopter stets seine waagerechte und stabile Fluglage einhalten.

Bunte Propeller

Aufgrund des symmetrischen Aufbaus ist es oft nicht einfach, die momentane Ausrichtung des Modells im Flug richtig zu erkennen.

Besonders dann, wenn das Modell klein und weit entfernt ist. Aus diesem Grund werden von den Herstellern gerne Propeller mit unterschiedlichen Farben genutzt.

Im gezeigten Beispielbild sind die vorderen Luftschrauben rot und die hinteren blau. 

Wie wird ein Quadrocopter gesteuert?

Um aus dem Schwebeflug z.B. nach vorne zu fliegen, wird die Drehzahl der vorderen Propeller (A und B) leicht reduziert und die Drehzahl der hinteren Propeller (C und D) leicht erhöht. Dadurch neigt sich der Copter zunächst leicht nach vorne. Der Luftstrom der Propeller ist dadurch etwas nach hinten gerichtet und drückt den Quadrocopter nach vorne.

Für einen Flug nach hinten fallen die Drehzahländerungen der Propeller genau entgegengesetzt aus. Die Drehzahlen der vorderen Propeller (A und B) werden erhöht und die hinteren Propeller (C und D) laufen langsamer. Schon fliegt der Copter rückwärts.

Die Steuerung nach rechts und links erfolgt nach demselben Schema. Nur dass jetzt bei den beiden linken und rechten Propellerpaaren (A und C) bzw. (B und D) die Drehzahlen geändert werden.  

Für die genaue Zuordnung sind die Propeller geklennzeichnet.

Damit sich der Quadrocopter in der Luft auf der Stelle drehen kann, werden einfach die Drehzahlen der Propeller mit der gleichen Drehrichtung verändert.

Wird die Drehzahl der sich im Uhrzeigersinn drehenden Propeller (A und D) erhöht und die Drehzahl der entgegen dem Uhrzeigersinn drehenden Propeller (B und C) im gleichen Maße verringert, bleibt die Gesamtauftriebskraft gleich.  Der Quadrocopter wird weiter auf gleichbleibender Höhe schweben.

Doch durch die unterschiedlichen Propellerdrehzahlen sind jetzt die Drehmomente, die auf den Quadrocopter einwirken, nicht mehr ausgeglichen. Er beginnt sich deshalb nach links zu drehen. Diese Drehbewegung um die Hochachse (gedachte Linie, die von oben  nach unten durch den Quadrocopter verläuft) wird auch als „gieren“ bezeichnet.

Fallen die Drehzahländerungen der Propeller in die andere Richtung aus, dreht sich der Copter nach rechts.

Der Flug in eine bestimmte Richtung, die gewünschte Flughöhe sowie die Drehung des Quadrocopters wird mit Hilfe der beiden Knüppel am Fernsteuersender bzw. Controller gesteuert. Manche Copter bieten zudem die Möglichkeit sich per WiFi mit dem Smartphone zu verbinden. In diesem Fall kann das Smartphone auch zur Steuerung des Copters genutzt werden.    

  

Welche Quadrocopter-Typen gibt es?

Quadrocopter werden nach ihrem Anwendungsbereich unterschieden. Wobei die Übergänge zwischen den einzelnen Bereichen fließend sind.

Einsteiger-Quadrocopter

Kompakter Einsteiger-Quadrocopter mit kindgerechter Fernsteuerung.

Der Einstieg in die faszinierende Quadrocopter-Welt ist bereits ohne großen finanziellen Aufwand möglich. Darum werden diese Modelle gerne als Geschenk für Kinder genutzt. Wichtig dabei ist, dass die Fernsteuerung für kleine Kinderhände ausgelegt ist und die Propeller über Schutzbügel verfügen. Zudem sollte ein Erwachsener den Flugbetrieb beaufsichtigen, um gegebenenfalls eingreifen zu können.

Oftmals  besitzen Modelle der Einsteigerklasse bereits eine eingebaute Kamera. So können gleich die ersten Erfahrungen mit Fotos und Videos aus der Vogelperspektive gemacht werden. Allerdings ist die Auflösung der Kamera in den meisten Fällen nicht besonders hoch und die Videos werden durch einen unruhigen Flugstil leicht verwackelt. Aber trotzdem ist das Filmen und Fotografieren eine tolle Ergänzung zum Spaß am Fliegen.

Und damit der Flugspaß bei den jungen Piloten nicht zu kurz kommt, können viele Einsteiger-Copter spektakuläre Überschläge (Flips) fliegen. 


Freizeit-Quadrocopter

Typischer Freizeit-Quadrocopter mit GPS-Empfänger und einer Gimbal-Kamerahalterung für wackelfreie Videos.

Mittlerweile werden Quadrocopter auch genutzt, um besonders tolle Foto- oder Videoaufnahmen von Freizeit-Aktivitäten zu machen. Die Quadrocopter bieten eine sehr gute Bildqualität und sind einfach zu steuern. Aufgrund des höheren Gewichts haben sie eine deutlich ruhigere Fluglage als die kostengünstigeren Einsteigermodelle. Kamera-Stabilisierungssysteme (Gimbals) sorgen für wackelfreie Fotos und Videos.

Durch den Empfang von Navigations-Satelliten können sich die Fluggeräte im Raum orientieren, auch bei Wind selbsttätig auf der Stelle schweben und autonome Flugmanöver durchführen.

Besonders clever: Manche Exemplare lassen sich zudem noch kompakt zusammenfalten und benötigen so nur ganz wenig Platz im Urlaubsgepäck oder im Rucksack.


Industrie-Drohnen

Industrie-Drohne mit 6 Rotoren, die für die Film- und Fotoerstellung als auch für Inspektionsaufgaben genutzt werden kann.

Der Name ist ein wenig irreführend, denn diese HighEnd-Fluggeräte werden auch im Handwerk und in der Landwirtschaft sowie bei Behörden erfolgreich eingesetzt. Aber auch Fotografen und Reporter arbeiten sehr gerne mit diesen Systemen.

Das Hauptaugenmerk bei diesen Drohnen liegt darin, eine Kamera in eine Position zu bringen, die vom Boden aus nur schwer oder nicht erreichbar wäre. So wird die genaue Inspektion von Bauwerken oder Kaminen zum reinsten Kinderspiel. Ein aufwendiger Gerüstbau oder gefährliche Kletteraktionen sind dafür nun nicht mehr erforderlich.

Die fliegenden Kamerastative sind aber auch ideal für Film und Foto geeignet. Durch die Kombination von unterschiedlichen Flug- und Film-Modi entstehen atemberaubende Aufnahmen, die sonst nur mit außergewöhnlich hohem Aufwand möglich wären.

Weil der Anwender sich im Regelfall voll auf die Kamerabilder konzentriert, ist das Fliegen quasi Nebensache. Deshalb wird die Steuerung zum Großteil von der Elektronik in der Drohne übernommen. Für das autonome Fliegen sind neben einem GPS-Empfänger noch ein Kompass und umfangreiche Sensoren zur Lage- und Hinderniserkennung an Bord.


Race-Drohnen

Race Copter sind kompakt, stabil und richtig schnell unterwegs.

Race Copter oder Race-Drohnen sind reine Spaßgeräte, die viel Fingerspitzengefühl und starke Nerven erfordern. Denn diese Drohnen werden mit maximaler Geschwindigkeit auf einer Rennstrecke mit Gates und Pylonen bewegt. Dazu sind die Race Drohnen mit Kameras ausgestattet, die ihre Bilder live zu den FPV-Brillen der Piloten übertragen. Die Piloten am Fernsteuersender erleben dann das Renngeschehen quasi aus der Cockpitsicht. Aber auch für Zuschauer, die das Geschehen mehr oder weniger von außen betrachten, ist es immer wieder faszinierend, wie schnell und wendig diese Racer sind. 

Für den Einstieg in die Szene werden bereits fertig aufgebaute Race Copter angeboten, mit denen man bereits richtiges Rennfeeling erleben kann. Erfahrene Modellbauer bauen ihr Renngerät selber mit hochwertigster Technik auf, um das für ihre Ansprüche beste Setup zu finden. Diese Race Copter sind zudem dann auch noch extrem stabil, sodass ihnen Rennumfälle und Abstürze erstaunlich wenig anhaben können.

Was ist beim Kauf eines Quadrocopters zu beachten?

Für welches Modell man sich entscheidet hängt letztendlich von mehreren Faktoren ab, die wir hier für Sie aufgelistet haben:

Einsatzzweck und Anwendungsbereich

Für Leute, die das Fliegen mit einem Quadrocopter einfach nur testen wollen, sind Einsteigermodelle bestens geeignet. Allerdings sollte man darauf achten, dass die kleinen und leichten Copter aufgrund ihrer Windempfindlichkeit nur bedingt für den Außeneinsatz geeignet sind.

Bei einem Copter für Freizeitaktivitäten oder gar für den gewerblichen Einsatz ist die Auswahl des richtigen Modells leider nicht ganz so einfach. Man muss sich genau überlegen, was man machen will und welche Funktionen benötigt werden.  Während Wanderer und Bergsteiger eher kompakte Exemplare bevorzugen, wird ein Dachdecker oder Kaminkehrer verstärkt auf einfache Bedienung und präzisen Schwebeflug achten. Fotografen und Videofilmer hingegen legen ihr Augenmerk auf Bildqualität und lange Flugzeiten.
 

Eingebaute Kamera

Die Kameras in Einsteiger-Coptern lasen in Punkto Videoqualität oder Objektivausrichtung oftmals einige Wünsche offen. Wer hier Wert auf Qualität legt, sollte in jedem Fall ein Modell mit elektronischer Bildstabilisierung wählen. Noch besser ist es, wenn die Kamera selber mechanisch über ein Gimbal stabilisiert wird. Dadurch werden eventuelle Schaukelbewegungen des Copters nicht auf die Kamerahalterung übertragen.

Neben der Auflösung der Kamera spielt auch die Speicherung von Fotos und Videos eine wichtige Rolle. Wenn die Speicherung nicht auf einer mitfliegenden SD-Karte erfolgt, können sich Übertragungsfehler als Bildstörung bemerkbar machen.
 

GPS-Funktion 

Die Funktion heißt zwar GPS, aber neben den Navigations-Satelliten des Global Positioning Systems werden oft auch die russischen Glonass-Navigationssatelliten empfangen und ausgewertet. Dadurch können Quadrocopter ihre Schwebeflugposition auch bei Wind sehr exakt einhalten und bei Bedarf autonome Flugmanöver durchführen.

Drohnen ohne GPS besitzen zwar auch ein Stabilisierungssystem, das sich aber nur auf die waagerechte Ausrichtung im Flug bezieht. Sie können nicht erkennen, wenn sie z.B. durch Windeinwirkung seitlich versetzt werden.

Wichtig:

GPS funktioniert nur im Außenbereich. Bei Indooreinsatz werden die Signale der Satelliten abgeschattet, wodurch GPS-basierte Funktionen dann nicht oder nicht mehr zuverlässig funktionieren.
 

Hinderniserkennung

Eine gute Hinderniserkennung spielt eine immer größere Rolle. Besonders dann, wenn selbsttätige Flugmanöver wie z.B. die Folge-Funktion oder die automatische Heimkehrfunktion genutzt werden.

Aber auch im regulären Flugeinsatz ist diese Funktion oftmals sehr hilfreich. Denn ab einer bestimmten Entfernung fällt es sehr schwer, die räumliche Tiefe und somit den tatsächlichen Abstand zu einem Hindernis korrekt einzuschätzen.
 

Akkulaufzeit

Die erreichbaren Flugzeiten sind bei Einsteigermodellen oft der Knackpunkt. Denn die eher kleinen Modelle sind nicht in der Lage große und schwere Akkus zu tragen. So ist oft nach 5 Minuten der Flugspaß zu Ende und der Flug-Akku muss wieder geladen werden. Deshalb ist es empfehlenswert ein Modell auszuwählen, bei dem die Akkus auch außerhalb des Modells aufgeladen werden können. So kann mit einem Ersatz-Akku weitergeflogen werden, während der zuvor genutzte Akku am Ladekabel neue Energie tankt.

Größere Copter haben in der Regel längere Flugzeiten und zum Teil sind Zusatz-Akkus gleich mit im Lieferumfang enthalten. Falls nicht sind Zusatz-Akkus als optionales Zubehör erhältlich.
 

Kaufpreis

Ein weiteres nicht zu unterschätzendes Kaufkriterium ist der Preis. Doch das muss jeder Anwender für sich selber entscheiden, ob er zugunsten eines günstigeren Preises auf bestimmte Features verzichten kann. Im Zweifelsfall lohnt es sich mit einem Fachberater in einer Conrad Electronic Filiale Kontakt aufzunehmen und alle offenen Fragen persönlich zu klären.

  

Weitere häufig gestellte Fragen zum Thema Quadrocopter

Was ist ein Gimbal?

Ein Gimbal ist eine stabilisierte Kamerahalterung. Dadurch werden Schaukelbewegungen der Drohne bei schnellen Richtungsänderungen im Flug nicht auf die Kamera übertragen. Die somit erzeugte ruhige Kameraführung sorgt dann für absolut wackelfreie Videos.
 

Was muss beim Einsatz von Drohnen beachtet werden?

Der Einsatz von Drohnen unterliegt rechtlichen Bestimmungen, die in der aktuellen Drohnen-Verordnung genau geregelt werden. Zudem muss ein gültiger Versicherungsschutz vorhanden sein. Sollte der Einsatz von Drohnen nicht durch die vorhandene Haftpflichtversicherung abgedeckt sein, kann über den Deutschen Modellfliegerverband eine geeignete Versicherung abgeschlossen werden.
 

Was bedeutet FPV?

Die Abkürzung FPV steht für „First Person View“ und bedeute soviel wie „Sicht aus dem Cockpit“. Dazu werden in den Modellen nach vorne ausgerichtete Kameras eingebaut, die ihre Signale an Monitor- bzw. FPV-Brillen weiterleiten. Der Anwender steuert dann sein Modell entsprechend den Kamerabildern und hat dabei den Eindruck, als würde er selbst im Cockpit sitzen.
 

Was bedeutet Headless-Funktion?

Wenn der Quadrocopter sich im Schwebeflug dreht, verändern sich aus Sicht des Modellpiloten die Bewegungsrichtungen. Besonders deutlich macht sich das bemerkbar, wenn der Copter nach einer halben Drehung mit der Vorderseite zum Piloten zeigt. Wenn in diesem Moment am Sender nach links gesteuert wird, bewegt sich das Modell aus der Sicht des Piloten nach rechts.

Im Headless-Mode spielt es keine Rolle, in welche Richtung die Vorderseite des Modells ausgerichtet ist. Wenn am Sender nach links gesteuert wird, fliegt der Quadcopter aus der Sicht des Piloten immer nach links.

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