Amazon-Prime-Drohne, Bild: Amazon

Lieferdienste als Vorreiter: Die Amazon-Prime-Drohnen sollen – nach ausgiebigen Tests – ein neues Kapitel in der Auslieferung des Paketdienstes aufschlagen. Bild: Amazon

Vorreiter in Sachen Lieferdienst per Drohne ist sicher Amazon. Ende 2015 hat das Unternehmen schon die zweite Generation seiner Lieferdrohne vorgestellt, die über eine Reichweite von 24 Kilometern verfügt. Der vollautomatische Prozess geht in Kurzform so: Der Karton im Lager gelangt über Förderbänder zur Drohne. Diese fliegt mit dem gegriffenen Karton, gesteuert über ein Navigationssystem, zum Kunden. Sensoren und Kameras weisen den Weg um Hindernisse herum. Auch der Paketdienst der Deutschen Post und Walmart forschen bereits am Drohnen-Zustelldienst.

Die National University of Singapore und Airbus Helicopter testet derzeit in einem zweijährig angelegten Probelauf einen Drohnenpaket-Lieferdienst. Im Rahmen des Skyways Experimentation Projects übermitteln Drohnen wichtige Dokumente innerhalb des Universitätscampus an seine Empfängeradresse. Das Projekt soll ein ganzes Netzwerk von Paketstationen für Drohnen errichten. In einem zweiten Testverfahren könnten diese unbemannten Flüge beispielsweise dringend benötigte Medikamente ausliefern. Mit solch einer Luftpostprobe hat sich Swiss Post schon 2015 beschäftigt. Längst aber sind nicht alle Anforderungen für den unbemannten Luftverkehr klar definiert und viele Fragen offen. Denn was passiert, wenn Drohnen über Wohngebieten abstürzen und wer haftet dann? Wer definiert die Wetterbedingungen, ab wann sie nicht mehr fliegen dürfen? Wie stören sie die zivile Luftfahrt nicht? Und wer regelt den Drohnenverkehr über großen Städten? Bisher darf Amazon beispielsweise nur Tests absolvieren und muss hohe Auflagen erfüllen: Die Drohnen dürfen nur mit ausgebildeten Piloten fliegen und das auch nur tagsüber in 120 Metern über der Erde.

Constar-Drohne, Bild: Constar
Constar entwickelt und baut seit zehn Jahren Motoren und elektronische Drehzahlregler für eine Vielzahl von Drohnen. Der Vertrieb läuft über Koco Motion. Bild: Constar

Gleichstrommotoren im Quadrocopter

Doch was steckt in so einer Drohne alles drin? Im Modellbaubereich und bei Drohnen in Quadrocopter-Bauweise werden die Propeller oft durch bürstenlose Gleichstrommotoren angetrieben. Diese sind als Außen- oder Innenläufer ausgelegt. Durch diese Antriebsart ist trotz geringer Größe der Fluggeräte eine erstaunlich hohe Traglast möglich. Koco Motion beliefert viele von ihnen mit seinem Constar-Motoren-Programm.

Flugmotoren, Bild: Koco Motion
Für die Ausstattung von Drohnen stehen verschiedene Flugmotoren zur Auswahl. Bild: Koco Motion

Diese bürstenlosen Innen- und Außenläufermotoren sind zum Beispiel in den Quadrokoptern von Parrot verbaut: Der ferngesteuerte AR Drone 2.0 Quadrocopter mit intuitiver iOS-Steuerung kombiniert Modellbau, Videospiele und erweiterte Realität. Er wird über ein iPhone oder iPad ferngesteuert und bietet eine Reihe verschiedener Sensoren, darunter eine HD-Frontkamera, eine vertikale Kamera, einen Ultraschall-Höhenmesser und einen absoluten Steuermodus. Die Reichweite der Drohne liegt bei maximal 50 Metern. Während des Flugs werden Fotos oder Videos per Livestreaming auf das Mobilgerät übertragen. Im sogenannten Regiemodus lassen sich Flugbewegungen für die Kamera programmieren. Sensoren wie Gyroskop, Beschleunigungsmesser, Magnetometer und Ultraschallentfernungsmesser sowie Bodenkamera sorgen für eine präzise Steuerung und Stabilisierung der Flugbewegungen. Die Parrot Bebop Drone ist ein anspruchsvoller Quadrokopter für Hobbyflieger mit Full-HD-Kamera und GPS. Das Digicam-Modul knipst Fotos mit 14 Millionen Pixel und Superweitwinkel. Gesteuert wird die Bebop-Dohne über Smartphone oder Tablet.

Die Reichweite liegt ebenfalls bei maximal 50 Metern. Mittels optionalem Skycontroller lässt sie sich auf etwa 2000 Meter vergrößern. Dank Beschleunigungsmesser, Gyroskop, Magnetometer und Ultraschallsensoren können die Flugbewegungen präzise gesteuert und Turbulenzen ausgeglichen werden und stabilisieren so die Kamera. Eine kardanische Aufhängung sorgt für die Bildstabilisierung.

Kamera-Gimbal gleicht Ruckler aus

Für die Aufhängung von Foto-Drohnen nutzt man das gleiche System wie zur Lagerung von Kompassen: Der Gimbal ist eine kardanische Aufhängung in zwei Ebenen mit rechtwinklig zueinander angeordneten Lagern. Diese Anordnung und ein ausgewogener Schwerpunkt ermöglichen dem mittig zu lagernden Objekt eine dreidimensionale Bewegung. Bei entsprechend ausgerichteten Schwerpunkt werden Bewegungen der Umgebung automatisch ausgeglichen. Bei Kameras genügt allerdings das Prinzip Schwerpunkt nicht, um das Videobild ordentlich zu stabilisieren. Die geringen Bewegungen beziehungsweise Ruckler der Drohne sind zu schnell für die träge Reaktion der Masse der Kamera. Somit würden Schwingungen und Bewegungen zwar gedämpft aber nicht eliminiert werden.

Hängt man den Kamera-Gimbal statt an eine drehbare Lagerung an einen Elektromotor, lässt er sich stabil halten. Zum Einsatz kommen hier bürstenlose Motoren von Constar, die extrem schnell sind. Über einen IMU-Sensor werden Lage und Beschleunigung der Kamera in Echtzeit gemessen. Über die ermittelten Lagedaten wird die Kamera in Position gehalten. Erkennen die Sensoren selbst eine minimale Lageänderung der Kamera, werden die entsprechenden Motoren an der Gimbal-Lagerung angesteuert, um sie entsprechend entgegengesetzt zu bewegen und damit in Position zu halten.

Kleinmotoren-Modelle, Bild: Koco Motion
Damit die Kamera-Aufhängung (Gimbal) Ruckler ausgleichen kann, kommen verschiedene Kleinmotoren-Modelle aus dem Angebot von Koco Motion in Frage. Bild: Koco Motion

Um die schnellen und präzisen Bewegungen ausführen zu können, muss die Kamera in der Lagerung extrem ausgewogen sein. Der Schwerpunkt muss auch hier genau mittig liegen, so dass die Motoren in der Nullstellung eigentlich keine Kraft benötigen und die Kamera sich nicht bewegt, obwohl sie in alle Richtungen beweglich gelagert ist. Nur so kann die volle Kapazität und Kraft der Motoren effizient für die Bildstabilisierung und für den Bewegungsausgleich genutzt werden. Die Technik ist mittlerweile so gut und schnell, dass Verzögerungen nicht mehr erkennbar sind.

Neben dem nötigen Ausgleich der Kamera muss sie sich auch noch selbst bewegen lassen. Mit dem Gimbal lässt sie sich zusätzlich fernsteuern. Dieser wird dann nicht mehr nur zur Bildstabilisierung, sondern auch zur aktiven Ausrichtung der Kamera per Fernsteuerung verwendet.

Unbemannte Flugzeuge antreiben

Seit 2006 entwickelt und fertigt Constar Motoren und elektronischen Drehzahlregler für Modellflugzeuge (UAV, unmanned aerial vehicle). Die dabei entstandenen bürstenlosen Innen- und Außenläufermotoren werden von UAV-Herstellern verwendet.

Derzeit baut der Spezialist für Kleinmotoren 20 professionelle Produktionslinien mit einer Gesamtkapazität von zwei Millionen Stück pro Monat. Zu dem Portfolio gehört zum Beispiel eine Serie an kleinen, leichten Außenläufer-Motoren. Sie bieten eine lange Lebensdauer und gute Wärmeableitung. Zudem sind sie sehr zuverlässig und überlastfähig. Die Innenläufer-Brushless-Serie beansprucht ebenfalls einen kleinen Bauraum und bietet eine hohe Drehzahl, Zuverlässigkeit und Effizienz.

Bei der Edelmetallbürsten-Serie kommen eine eisenlose Spulenwicklung, Edelmetallbürsten, Hochleistungs-NdFeB-Magneten sowie hochfeste, fein lackierte Drähte zum Einsatz. Dadurch sind sie sehr agil und eignen sich für Mikro-UAV. Die Rotationsträgheit der leistungsfähigen Motörchen ist niedrig und ihr Stromverbrauch gering. Der UAV-Kardan-Motor eignet sich für den Einsatz in Kamera-Aufhängungen. Der leistungsstarke Motor verwendet eine bürstenlose Außenrotor-Struktur, läuft sehr präzise und stabil. Dazu hat er ein sensibles Ansprechverhalten und eine lange Lebensdauer.

Für die elektronischen Drehzahlregler hat Constar eine eigene Soft- und Hardware entwickelt, in der hochwertige Materialien und Bauteile verwendet werden. Die bürstenlosen Gleichstrommotoren PCB und SMT sind sehr effizient und verursachen nur niedrige Temperaturen und Interferenzen. Damit stören sie keine anderen Empfänger in der Umgebung.
Ein integriertes Multi-Motor-Programm garantiert einen stabilen Flug. Die Drosselklappe reagiert schnell und unterstützt eine Bildwiederholfrequenz von 490 Hertz. Das macht die Flugsteuerung zuverlässig. Die PPM-Empfänger-Empfindlichkeit berührt 2048 Ebenen und gestattet damit eine stabile Geschwindigkeitsanpassung. jl

Hintergrundwissen: Drohnen in Spiel und Sport

Drohne mit Kamera-Ausstattung. Bild: Constar

Die Sportart der Zukunft zeigten die FPV Racer Thüringen auf der Erlebniswelt Modellbau: Dort begeisterten sie mit einer Indoor-Flugfläche. Superleicht und extrem wendig demonstrierten die Modellbau-Piloten einen superschnellen Quadrocopter. FPV steht hierbei für First Person View. Eine Methode, bei der das Modell mittels Kameratechnik aus der Perspektive des ferngesteuerten Modells – wie aus der Sicht eines Piloten – gesteuert wird. Sie fliegen ausschließlich außerhalb von Ortschaften, wofür sie eine gesonderte Haftpflichtversicherung für Modellflug haben müssen. Vorwiegend werden Quadrocopter aus Bausätzen zusammengestellt und dann in Eigenregie getestet. Dabei setzen die Piloten auf Baupläne von Open-Source-Plattfomen. Hier handelt es sich meist um bereits flugfertige Multicopter mit konfigurierter Flugsteuerung und Videoübertragung. Die FPV Racer verzichten in der Regel wegen des zusätzlichen Gewichts und der fehlenden Genauigkeit auf GPS-Unterstützung.

In Großbritannien sind Drohnen schon zu TV-Stars aufgestiegen: In der TV-Show „Airmageddon“ auf CBBC spielen Kinderpiloten bis 14 Jahre mit modifizierten Kampf- und Monster-Quadrocoptern gegeneinander. Dabei müssen sie zudem einen Hindernisparcours und weitere spannende Herausforderungen im Flug meistern. Wie in einem virtuellen Computerspiel treten die Kids mit ihren modifizierten Spielzeug- und Themen-Drohnen gegeneinander an.