2.3 Gyroskope und Beschleunigungssensoren
2.3 Gyroskope und Beschleunigungssensoren
Gyroskope und Beschleunigungssensoren bilden die wichtigsten Bestandteile der Inertial Measurement Unit (IMU) eines unbemannten Luftfahrzeugs (Unmanned Aerial Vehicle, UAV). Sie erfassen kontinuierlich die Bewegungen der Drohne und liefern die Grundlage für die Fluglagenregelung. Während Gyroskope Drehbewegungen messen, erfassen Beschleunigungssensoren lineare Beschleunigungen sowie die Richtung der Erdschwerkraft. Erst das Zusammenspiel beider Sensorarten ermöglicht eine präzise Bestimmung der räumlichen Orientierung und eine stabile Flugregelung.
Drehraten
Eine Drehrate beschreibt die Geschwindigkeit, mit der sich ein Körper um eine bestimmte Achse dreht. In der Flugtechnik wird sie häufig als Winkelgeschwindigkeit bezeichnet und ist eine der wichtigsten Messgrößen für die Fluglagenregelung.
Gyroskope messen kontinuierlich die Drehraten der Drohne entlang der drei Raumachsen. Die Messwerte werden üblicherweise in Grad pro Sekunde (°/s) oder Radiant pro Sekunde (rad/s) angegeben.
Beispiele für Drehraten sind:
Der Flight Controller nutzt diese Messwerte, um selbst kleinste Lageänderungen unmittelbar zu erkennen und die Motorleistung entsprechend anzupassen. Dadurch können Flugmanöver präzise ausgeführt und unerwünschte Bewegungen schnell ausgeglichen werden.
Winkelgeschwindigkeiten
Die Winkelgeschwindigkeit beschreibt die Änderung eines Drehwinkels pro Zeiteinheit. Sie ist die physikalische Größe, welche die Rotationsbewegung eines Körpers charakterisiert.
Mathematisch wird die Winkelgeschwindigkeit durch
Die Formel für die Winkelgeschwindigkeit lautet:
Bedeutung der Formel:
- ω\omegaω = Winkelgeschwindigkeit [ rad/s ][\,\mathrm{rad/s}\,][rad/s] oder [\,^\circ/\mathrm{s}\,]
- Δφ\Delta \varphiΔφ = Änderung des Drehwinkels
- Δt\Delta tΔt = benötigte Zeit für diese Winkeländerung
Beispiel:
Dreht sich eine Drohne innerhalb von 2 Sekunden um 90°, ergibt sich:
Die Winkelgeschwindigkeit beträgt somit 45 Grad pro Sekunde.
Für wissenschaftliche Arbeiten wird die Formel häufig mit einer Nummer versehen:
Sie kann anschließend im Text z. B. so referenziert werden:
Die Winkelgeschwindigkeit ω\omegaω ergibt sich aus dem Quotienten der Winkeländerung Δφ\Delta \varphiΔφ und der dafür benötigten Zeit Δt\Delta tΔt (Gleichung 2.1).
]
beschrieben.
Dabei gilt:
- (\omega) = Winkelgeschwindigkeit
- (\Delta \varphi) = Winkeländerung
- (\Delta t) = Zeitintervall
Gyroskope liefern direkt die Winkelgeschwindigkeit. Durch numerische Integration der Messwerte kann der Flight Controller daraus die aktuelle Orientierung der Drohne berechnen.
Je höher die Abtastrate des Sensors ist, desto genauer lassen sich schnelle Flugbewegungen erfassen. Moderne Flight Controller arbeiten häufig mit Sensorabtastraten zwischen 1 kHz und 8 kHz, wodurch auch hochdynamische Flugmanöver zuverlässig geregelt werden können.
Roll
Die Rollbewegung beschreibt die Drehung der Drohne um ihre Längsachse (X-Achse). Dabei neigt sich das Luftfahrzeug nach links oder rechts.
Typische Rollbewegungen entstehen beispielsweise:
- beim Einleiten einer Kurve
- beim seitlichen Ausweichen
- während schneller Kunstflugmanöver
Der Rollwinkel wird maßgeblich durch den Drehzahlunterschied zwischen den linken und rechten Motoren erzeugt. Das Gyroskop misst die entsprechende Winkelgeschwindigkeit, während der Flight Controller die Motorleistungen so anpasst, dass die gewünschte Rollbewegung erreicht oder stabilisiert wird.
Nick
Die Nickbewegung beschreibt die Drehung um die Querachse (Y-Achse). Dabei hebt oder senkt sich die Nase der Drohne.
Nickbewegungen werden beispielsweise genutzt für:
- Vorwärtsflug
- Rückwärtsflug
- Beschleunigen
- Bremsen
Ein Vorwärtsflug entsteht dadurch, dass die Drohne nach vorne geneigt wird. Der Schub der Propeller besitzt dadurch eine horizontale Komponente, welche das Fluggerät beschleunigt.
Der Flight Controller überwacht kontinuierlich die Nickbewegung und sorgt dafür, dass die gewünschte Fluglage schnell und präzise erreicht wird.
Gier
Die Gierbewegung beschreibt die Drehung um die Hochachse (Z-Achse). Dabei dreht sich die Drohne um ihre eigene vertikale Achse, ohne ihre Fluglage wesentlich zu verändern.
Die Gierbewegung dient unter anderem:
- zur Richtungsänderung
- zur Ausrichtung einer Kamera
- für autonome Navigationsmanöver
- für präzise Positionskorrekturen
Bei Multikoptern entsteht die Gierbewegung durch unterschiedliche Drehmomente der im Uhrzeigersinn beziehungsweise gegen den Uhrzeigersinn rotierenden Propeller. Durch gezielte Veränderung der Motordrehzahlen erzeugt der Flight Controller ein resultierendes Drehmoment, das die Drohne um ihre Hochachse dreht.
Zusammenarbeit von Gyroskop und Beschleunigungssensor
Obwohl beide Sensoren unterschiedliche physikalische Größen messen, ergänzen sie sich gegenseitig.
Das Gyroskop liefert:
- schnelle Reaktion auf Lageänderungen
- präzise Messung von Drehbewegungen
- hohe Dynamik
Der Beschleunigungssensor liefert:
- absolute Referenz zur Schwerkraft
- Information über lineare Beschleunigungen
- langfristig stabile Lageinformationen
Während das Gyroskop kurzfristig sehr genaue Messwerte liefert, entstehen über längere Zeit Messfehler (Drift). Der Beschleunigungssensor besitzt dagegen keine Drift, reagiert jedoch empfindlich auf Flugbeschleunigungen und Vibrationen. Durch die Kombination beider Sensoren entsteht eine deutlich genauere Bestimmung der Fluglage.
Vibrationen
Vibrationen stellen eine der größten Herausforderungen für die Sensorik moderner Drohnen dar. Sie entstehen hauptsächlich durch:
- Unwucht der Propeller
- Unwucht der Motoren
- beschädigte Propeller
- Resonanzen des Rahmens
- harte Landungen
- aerodynamische Turbulenzen
Diese Schwingungen übertragen sich auf die IMU und beeinflussen sowohl Gyroskope als auch Beschleunigungssensoren. Besonders hochfrequente Vibrationen können Messwerte verfälschen und die Regelgüte des Flight Controllers erheblich verschlechtern.
Mögliche Folgen sind:
- instabile Fluglage
- Oszillationen
- unruhiger Schwebeflug
- fehlerhafte Sensorfusion
- erhöhter Energieverbrauch
- schlechtere Flugaufnahmen
Zur Verringerung von Vibrationen werden IMUs häufig mechanisch entkoppelt, beispielsweise durch Gummidämpfer oder vibrationsabsorbierende Montagesysteme. Ebenso tragen ausgewuchtete Propeller, hochwertige Motoren und eine steife Rahmenkonstruktion zu einer Reduzierung mechanischer Schwingungen bei.
Filter
Da Sensorsignale grundsätzlich Messrauschen enthalten, werden sie vor der weiteren Verarbeitung gefiltert. Ziel der Signalfilterung ist es, Störungen zu unterdrücken und gleichzeitig die für die Flugregelung relevanten Bewegungen möglichst unverfälscht zu erhalten.
In Flight Controllern kommen verschiedene Filterverfahren zum Einsatz.
Tiefpassfilter (Low-Pass Filter)
Tiefpassfilter unterdrücken hochfrequente Signalanteile, die meist durch Motorvibrationen oder Propellerresonanzen entstehen. Sie gehören zu den wichtigsten Filtern innerhalb moderner Flugsteuerungen.
Notch-Filter
Notch-Filter entfernen gezielt einzelne Frequenzbereiche, in denen starke Resonanzen auftreten. Sie eignen sich insbesondere zur Unterdrückung charakteristischer Motor- oder Rahmenvibrationen.
Bandpassfilter
Bandpassfilter lassen nur einen definierten Frequenzbereich passieren und werden vor allem in speziellen Mess- oder Diagnosesystemen eingesetzt.
Digitale adaptive Filter
Moderne Flight Controller nutzen zunehmend adaptive Filter, deren Eigenschaften sich während des Fluges automatisch an veränderte Vibrationsfrequenzen anpassen. Dadurch bleibt die Signalqualität auch bei wechselnden Drehzahlen der Motoren erhalten.
Die Wahl geeigneter Filterparameter ist von großer Bedeutung. Eine zu starke Filterung reduziert zwar das Messrauschen, führt jedoch zu Verzögerungen (Latenzen) in der Signalverarbeitung. Eine zu geringe Filterung kann dagegen Störungen nicht ausreichend unterdrücken und die Stabilität der Flugregelung beeinträchtigen. Daher müssen Filter so abgestimmt werden, dass sie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Signalqualität und Reaktionsgeschwindigkeit gewährleisten.
Zusammenfassung
Gyroskope und Beschleunigungssensoren bilden die Grundlage der Fluglagenbestimmung moderner Drohnen. Gyroskope erfassen die Drehraten beziehungsweise Winkelgeschwindigkeiten um die Roll-, Nick- und Gierachse, während Beschleunigungssensoren lineare Beschleunigungen sowie die Richtung der Erdschwerkraft messen. Durch die Kombination beider Sensorarten erhält der Flight Controller eine präzise Schätzung der aktuellen Fluglage. Vibrationen und Messrauschen können die Qualität der Sensordaten erheblich beeinträchtigen und müssen durch geeignete mechanische Maßnahmen sowie digitale Filterverfahren reduziert werden. Eine leistungsfähige Sensorverarbeitung ist damit eine wesentliche Voraussetzung für eine stabile, präzise und sichere Flugregelung.