mini|DJI Mavic Pro im Flug mini|„Flying-Jeep“ Curtiss-Wright VZ-7 von 1958 mini|Desinfektions-Multicopter (Hexacopter) während der Coronavirus-Pandemie 2020 in Seongnam, Gyeonggi-do
Multicopter bzw. Multikopter (griechisch πτερόν, pteron, Feder, Flügel) sind mit Akku und Elektromotoren betriebene Luftfahrzeuge, die über mehrere (meist vier) parallel nicht-koaxial angeordnete, senkrecht nach unten wirkende Rotoren bzw. Propeller Auftrieb erzeugen, und durch Neigung des Gesamtflugkörpers auch Vortrieb und andere Bewegungen. Ähnlich wie Doppelrotor-Hubschrauber stabilisieren sich Mehrflügler über paarweise gegenläufige gleichgroße Rotoren statt wie übliche Helikopter einen mit Verbrennungsmaschine angetriebenen Hauptrotor über einen um 90° zur Drehachse geneigten kleinen Heckrotor zu kontern. Dieser muss über eine Welle vom Hauptrotor angetrieben werden, die Steuerung erfolgt über Verstellung aller Rotorblätter. Dieser mechanische Aufwand entfällt beim Einsatz von mehreren Elektromotoren, die präzise angesteuert werden können und nahezu synchron laufen, damit die Fluglage ruhig ist.
Flugmanöver erfolgen bei Multikoptern durch kurzzeitige und mittelfristige Veränderungen der Motordrehzahlen. Lässt man die hinteren Rotoren etwas schneller laufen wird das Heck angehoben und eine Schräglage eingenommen, dann lässt man auch die vorderen Rotoren schneller laufen. Damit hat man ein Kräfteparallelogramm bei dem eine Komponente weiterhin den nötigen senkrechten Auftrieb bereitstellt, und eine waagrechte Komponente erzeugt wunschgemäß Vortrieb. Das Fluggerät beschleunigt bis der Luftwiderstand der eingesetzten Zusatzleistung entspricht, dann erfolgt gleichmäßiger Vorwärtsflug. Abbremsen, Rückkehr in den Stillstand sowie Seitwärtsbewegungen werden sinngemäß umgesetzt. Drehbewegungen erfolgen durch asymmetrische Ansteuerung einzelner Rotoren.
Ausgehend vom einfachen Drehflügler, bei dem die Fremdworte helix und pter als Helico-pter kombiniert wurden, spricht man je nach Anzahl der Rotoren auch von Quadrocoptern (vier Rotoren), Hexacoptern (sechs) oder Octocoptern (acht). Eine weniger übliche Bauform ist der Tricopter (drei Rotoren). Weitere Sonderformen existieren, sind jedoch üblicherweise Machbarkeitsstudien, der Massenmarkt wurde durch Vierflügler erschaffen.
Es gibt unbemannte Multicopter, umgangssprachlich auch „Drohnen“ genannt, die für Freizeit, Luftaufnahmen, kleinere Transporte und militärische Zwecke genutzt werden, siehe unten. Autonome Flugtaxis sollen Flugpassagiere befördern ohne dass ein Sitzplatz für einen Piloten sowie Instrumente usw. geopfert werden muss.
Häufigster Einsatz ist für Aufnahmen, Fotos oder Film, mit hochauflösender (Full HD, 4K) Speicherung im Fluggerät, bei zeitgleichem Senden des aktuellen Bildausschnittes in geringerer Auflösung an das Steuergerät am Boden. Die Ausrichtung der Kamera wird durch kardanische Aufhängung mit aktiver Ansteuerung über drei Achsen von den teils hektischen Flugbewegungen abgekoppelt, das Bild bleibt weitgehend stabil. Das Halten einer festen Flugposition trotz Seitenwind o. ä. wird durch GPS sowie durch zusätzliche Kamerasensoren nach unten bewerkstelligt. Weitere Sensoren wie Ultraschall sollen im Nahfeld Kollisionen verhindern und die Landung sanft gestalten. Sonderfunktionen erlauben automatisierte Flugmanöver wie das Umkreisen einer Person, einer Burg ö.ä., sowie die Verfolgung eines Radfahrers oder Bergsteigers. Damit können Laien Aufnahmen erstellen wie früher nur Profis aus Hubschraubern.
Technik Antrieb Bei Multicoptern werden die Propeller meist direkt durch bürstenlose Gleichstrommotoren angetrieben. Diese sind als Außenläufer oder Innenläufer ausgelegt und am äußeren Ende von Auslegern befestigt. Der Einsatz von Impellern ist möglich, aber selten. Es gibt Modelle, die einen Impeller als zentralen Hauptantrieb haben.
Da außer den Motoren keine mechanischen Teile wie Servomotoren, Gestänge und Rotorköpfe notwendig sind, ist diese Bauweise mechanisch einfacher zu realisieren als ein Hubschrauber. Andere Bauweisen benutzen einen mechanischen Kreisel, dessen Abweichungen zur Ausgangslage etwa über Hall-Sensoren aufgenommen werden (Inertiales Navigationssystem).
Konfigurationen Multicopter werden meist in konventioneller -Konfiguration sowie -Konfiguration bzw. H-Konfiguration (siehe Abbildungen in der Tabelle) aufgebaut.n. n.: Kreuzweise. Multikopter – was ist das denn? In: RC-HeliAction, Nr. 9, 2012, Wellhausen & Marquardt Mediengesellschaft, S. 46–50. Die -Konfiguration ist weitverbreitet und ermöglicht eine einfache Ansteuerung, bei der für Änderungen in der Längs- und Querachse jeweils nur ein Motorenpaar angesteuert wird. Bei der - oder H-Konfiguration sind die Motoren um 45° zur Flugrichtung versetzt. Hier sind für eine Rotation um Längs- oder Querachse alle vier Motoren gleichzeitig anzusteuern. Zudem wird bei Foto- und Videoaufnahmen die Flugrichtung nicht durch einen Propeller verdeckt.
Im Gegensatz zu üblichen Multicoptern sind bei Cyclocoptern die Rotationsachsen der Rotoren waagerecht angeordnet. Der Anstellwinkel der Rotorblätter muss während jeder Rotorumdrehung zyklisch verstellt werden. Dies ist ein Nachteil im Vergleich zu Multicoptern, bei denen der Anstellwinkel der Rotorblätter während der Rotation unverändert bleibt.
Die folgende Tabelle zeigt einige Konfigurationen von Multicoptern. Im Diagramm werden drei Farben verwendet: Grau stellt den Rahmen des Multicopters dar. Lila zeigt die im Uhrzeigersinn drehenden Rotoren, in Grün die gegenläufigen Rotoren.
Typ Anzahl RotorenKonfiguration Diagram Anmerkungen Bicopter 2 – -Konfiguration 70px Bei Bicoptern, welche lediglich aus zwei in einer vertikalen Achse gelagerten Motoren bestehen, können noch weitere Bauteile eingespart werden. Die Steuerung erfolgt durch die entsprechende Beschleunigung der Rotorblätter zur gezielten Schuberzeugung während einer Umdrehung. Tricopter 3 Y -Konfiguration 70px Bei Tricoptern, die durch Beschränkung auf drei Motoren Gewicht und Bauteile sparen, wird die Gierachse, die mit drei Motoren alleine nicht steuerbar wäre, durch einen von einem Servo geschwenkten Motorträger angesteuert. Quadrocopter 4 × -Konfiguration 70px H -Konfiguration 70px + -Konfiguration 70px Hexacopter 6 × -Konfiguration 70px Bietet eine eingeschränkte Ausfallsicherheit. + -Konfiguration 70px Bietet eine eingeschränkte Ausfallsicherheit. Octocopter 8 × -Konfiguration 70px Bietet eine hohe Ausfallsicherheit.
Energie mini|Multicopter Kite75 und Tether Ground Station Avior im angebundenen Flug
Die Flugzeit eines Multicopters ist ein Kompromiss aus mitgeführter Energiekapazität und Startgewicht. Geringere Abfluggewichte ermöglichen längere Flugzeiten, reduzieren aber das Einsatzspektrum. Die Flugzeit wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Geringere Umgebungstemperaturen führen zu veränderten Entladeraten der Akkuzellen. Starke Winde müssen mit der vorherrschenden Windgeschwindigkeit gegen die Maximalgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs gegengerechnet werden, wodurch sich ein höherer Energieverbrauch ergibt, um die Position zu halten.
Üblicherweise liefern Lithium-Polymer-Akkumulatoren oder Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren den Strom für die Motoren. Selten erfolgt die Energieerzeugung über einen Verbrennungsmotor im Hybridbetrieb. Eine weitere Betriebsart ist der kabelgebundene Flug, sogenanntes „Tethering“, bei dem die Energiezufuhr vom Boden aus erfolgt. Dies reduziert zwar den Einsatzradius massiv, ermöglicht jedoch quasi unbegrenzte Flugzeiten, etwa für die Überwachung einer Großbaustelle.
Steuerung mini|hochkant=1.4|Steuereinheit eines Multicopters: oben das GPS-Modul, darunter das Navi-Board, gefolgt von der FlightControl mit den Gyroskopen zur Stabilisierung, im äußeren Kranz die Brushless-Motor-Regler
Im Gegensatz zu herkömmlichen Hubschraubern verwenden Multicopter zur Steuerung keine mechanischen Komponenten wie Taumelscheiben und Verstellpropeller. Änderungen des Auftriebs erfolgen ausschließlich durch Erhöhung oder Verringerung der Motordrehzahl. Wird die Drehzahl aller Motoren gleichzeitig erhöht bzw. verringert, steigt bzw. sinkt der Multicopter.
Bei Multicoptern drehen sich jeweils zwei Propeller im und gegen den Uhrzeigersinn. Dadurch heben sich die von den Propellern auf das Traggestell übertragenen Drehmomente auf, solange die Summe der Kräfte der links- bzw. rechtsdrehenden Propeller gleich ist und die Kräfte sich somit neutralisieren. Die Drehung des Multicopters um die Hochachse (Gierachse) erfolgt dadurch, dass die links- und rechtsdrehenden Propeller mit unterschiedlicher Drehzahl angesteuert werden. Die Neutralisierung des Drehmoments wird aufgehoben, sodass sich der Multicopter um die Gierachse dreht. Drehungen um die Längsachse (rollen) bzw. Querachse (nicken) erfolgen durch die unterschiedliche Ansteuerung der auf der jeweils anderen Achse liegenden Motoren. Dabei ist die Drehzahl der links- bzw. rechtsdrehenden Motoren umgekehrt proportional zu verändern, damit die Summe der von ihnen erzeugten Drehmomente gleich bleibt.
mini|Kunstflugfähiger Mini-Quadrocopter in x- bzw. H-Konfiguration, schwarze Propeller = vorne
Sensorik mini|Ein kleiner Quadrocopter mit rein elektronischer Stabilisierung
Grundlage für die Weiterentwicklung der Modell- und UAV-Multicopter sind Fortschritte in der Elektronik und Sensorik, die auf dem Markt ab etwa 2000 verfügbar waren und ab 2004 in Serienmodellen erschienen: Leistungsfähige Mikrocontroller werten die Daten von Gyroskopen aus und können so Kippmomente – die höher und plötzlicher auftreten als bei Hubschraubern, da der Auftriebsschwerpunkt meist in der Rotorebene liegt – automatisch ausregeln.
Dabei kommen Gyroskopsensoren auf Piezo-Basis oder MEMS (microelectromechanical systems) zur Messung der Winkelgeschwindigkeiten zum Einsatz, die vom Prozessor zur Drehzahlregelung der Elektromotoren benutzt werden, womit das Fluggerät stabil fliegt. Nach heutigem Stand der Technik sind MEMS-Gyros vorteilhaft, da Piezo-Sensoren auf unterschiedliche Witterungen und Temperaturunterschiede im Flug (Sonne und Schatten) reagieren können, was zu einem unruhigen Flug führen kann.
Abstandsmessung Mittels Höhenmesser wird die Flughöhe über Grund (above ground level) gemessen. Um Abweichungen in der Messung auszuschließen, kommen häufig auch Lidar-Sensoren zum Einsatz. Diese können zusätzlich in allen Dimensionen um den Multicopter blicken und so Abstandsmessungen zu Hindernissen in alle Richtungen vornehmen.
Kompass Mittels Kompass kann die Blick- bzw. Flugrichtung des Multicopters an den Bediener übermittelt werden.
Satellitennavigation Durch den Einsatz von GNSS-Modulen ist es bei vielen Modellen möglich Wegpunkte (waypoints) zu setzen. Die gesetzten Punkte werden mitsamt den Karten an den Multicopter übertragen. Dieser beginnt den autonomen Abflug der einzelnen Wegpunkte und kann automatisiert Aufgaben erledigen. Für mehr Sicherheit im gesteuerten Flug, sorgt ein GNSS-gestütztes Return-To-Home, das bei Empfangsverlust den Multicopter autonom zum Homepoint fliegen und landen lässt.
Entwicklung mini|Œhmichen No. 2 (1922) mini|Quadrocopter mit mechanischem Gyroskop zur Stabilisierung mini|EAC Whisper