VTOL-Systeme (Vertical Take-Off and Landing)

Die Verbindung von Multicopter und Flugzeug

Vertical Take-Off and Landing (VTOL) bezeichnet Fluggeräte, die senkrecht starten und landen können, während sie im Reiseflug die aerodynamischen Eigenschaften eines klassischen Starrflügelflugzeugs nutzen. Dadurch kombinieren VTOL-Systeme die hohe Flexibilität eines Multicopters mit der Reichweite und Energieeffizienz eines Fixed-Wing-Flugzeugs.

Gerade im Precision Farming, bei Vermessungsaufgaben und großflächigen Inspektionen gelten VTOL-Drohnen heute als eine der vielversprechendsten Plattformen.

Warum wurden VTOL-Systeme entwickelt?

Multicopter besitzen einen entscheidenden Nachteil:

Sie müssen permanent Schub erzeugen.

Der gesamte Auftrieb wird ausschließlich durch die Rotoren erzeugt.

Dies bedeutet:

  • hoher Energieverbrauch
  • kurze Flugzeiten
  • begrenzte Reichweite

Ein Flugzeug hingegen erzeugt seinen Auftrieb über seine Tragflächen.

Dadurch benötigt der Motor lediglich Vortrieb.

Das spart erheblich Energie.

Die Idee hinter VTOL:

Starten wie ein Hubschrauber – fliegen wie ein Flugzeug.

Dadurch entsteht eine Plattform, die nahezu alle Anforderungen moderner Vermessungs- und Agrardrohnen erfüllt.

Flugphasen eines VTOL-Systems

Ein vollständiger Flug besteht aus mehreren Phasen.

1. Vertikaler Start

Zu Beginn arbeitet die Drohne wie ein Multicopter.

Alle vertikalen Rotoren erzeugen Auftrieb.

Die Flugsteuerung stabilisiert automatisch:

  • Roll
  • Nick
  • Gier

GPS und IMU sorgen bereits in dieser Phase für eine stabile Positionierung.

2. Steigflug

Nach Erreichen einer sicheren Höhe beginnt der Steigflug.

Der Vortriebsmotor wird aktiviert.

Die Flugsteuerung überwacht permanent:

  • Fluggeschwindigkeit
  • Wind
  • Neigungswinkel
  • Motorleistung
  • Akkuspannung

3. Transition

Die Transition ist die technisch anspruchsvollste Flugphase.

Hier erfolgt der Übergang vom Rotorflug zum Tragflächenflug.

Die Flugsteuerung reduziert schrittweise:

  • Schub der Hubmotoren

gleichzeitig wird erhöht:

  • Vortrieb
  • Fluggeschwindigkeit

Sobald genügend Auftrieb an den Tragflächen entsteht,

werden die Hubmotoren abgeschaltet oder auf Leerlauf gesetzt.

Jetzt befindet sich die Drohne im klassischen Flächenflug.

Warum ist die Transition so schwierig?

Während der Transition ändern sich gleichzeitig:

  • Auftriebsverteilung
  • Schwerpunktwirkung
  • Strömungsverhältnisse
  • Regelparameter
  • Fluggeschwindigkeit

Bereits kleine Fehler können zu:

  • Strömungsabriss
  • Nickschwingungen
  • Kontrollverlust

führen.

Deshalb gehören VTOL-Regelungen zu den anspruchsvollsten Aufgaben moderner Flugsteuerungen.

Flächenflug

Im Reiseflug arbeitet die Drohne wie ein normales Flugzeug.

Die Tragflächen erzeugen nahezu den gesamten Auftrieb.

Der Energieverbrauch sinkt erheblich.

Typische Reisegeschwindigkeiten:

60–120 km/h

Je nach Plattform sind Flugzeiten zwischen 60 und 180 Minuten möglich.

Rücktransition

Vor der Landung erfolgt die umgekehrte Transition.

Die Flugsteuerung:

  • reduziert Geschwindigkeit
  • startet die Hubmotoren
  • übernimmt wieder die Stabilisierung

Anschließend landet die Drohne senkrecht.

Bauformen moderner VTOL-Systeme

Tailsitter

Der Tailsitter startet senkrecht auf seinem Heck.

Nach dem Start kippt das gesamte Flugzeug in den Horizontalflug.

Vorteile

  • geringe Mechanik
  • leicht
  • robust

Nachteile

  • anspruchsvolle Regelung
  • schwierige Sensororientierung
  • komplexere Landung

QuadPlane

Die heute am weitesten verbreitete Bauform.

Sie besitzt:

  • vier Hubmotoren
  • einen Vortriebsmotor

Diese Konfiguration wird beispielsweise von ArduPilot hervorragend unterstützt.

Vorteile

  • sehr stabil
  • einfache Transition
  • hohe Zuverlässigkeit

Nachteile

  • zusätzliches Gewicht
  • fünf Motoren

Tilt-Rotor

Hier werden die Rotoren mechanisch geschwenkt.

Während des Starts zeigen sie nach oben.

Im Reiseflug nach vorne.

Vorteile

  • keine ungenutzten Hubmotoren

Nachteile

  • hohe mechanische Komplexität
  • viele bewegliche Teile

Tilt-Wing

Hier wird die komplette Tragfläche geschwenkt.

Diese Systeme werden überwiegend:

  • militärisch
  • industriell

eingesetzt.

Sensorik auf VTOL-Plattformen

Durch die hohe Nutzlast eignen sich VTOL-Systeme hervorragend für professionelle Sensoren.

Typische Nutzlasten:

  • RGB-Kameras
  • Multispektralsensoren
  • Thermalkameras
  • LiDAR
  • RTK-GNSS
  • Hyperspektralkameras

Mehrere Sensoren können gleichzeitig betrieben werden.

Flugsteuerungen

Professionelle VTOL-Systeme verwenden heute überwiegend:

ArduPilot

Marktführer im Open-Source-Bereich.

Unterstützt:

  • QuadPlane
  • Tailsitter
  • TiltRotor
  • TiltWing

inklusive:

  • automatischer Transition
  • Missionsplanung
  • Terrain Following
  • RTK
  • Geofencing
  • MAVLink

PX4

Besonders interessant für:

  • Forschung
  • Universitäten
  • Industrie

Sehr modulare Architektur.

INAV

Unterstützt inzwischen ebenfalls verschiedene VTOL-Konzepte, richtet sich jedoch stärker an kleinere und experimentelle Plattformen. Für komplexe professionelle Missionen bietet ArduPilot derzeit den größeren Funktionsumfang.

Einsatz in der Landwirtschaft

VTOL-Systeme eignen sich hervorragend für:

Kartierung

  • Große Felder
  • Hohe Fluggeschwindigkeit
  • Hohe Genauigkeit

Photogrammetrie

  • Orthofotos
  • 3D-Modelle
  • Digitale Höhenmodelle

Precision Farming

  • NDVI
  • Biomasse
  • Pflanzenstress
  • Wasserbedarf

Infrastruktur

  • Bewässerung
  • Gräben
  • Drainagen
  • Leitungen

Vorteile

  • keine Startbahn
  • hohe Reichweite
  • lange Flugzeit
  • hohe Flächenleistung
  • große Sensorvielfalt
  • hohe Automatisierung
  • RTK-Unterstützung
  • autonome Missionen
  • präzise Wiederholbarkeit

Nachteile

  • hohe Anschaffungskosten
  • komplexe Flugregelung
  • aufwendigere Wartung
  • umfangreiche Kalibrierung
  • komplexere Fehlerdiagnose

Vergleich mit Multicoptern

Merkmal

Multicopter

VTOL

Start

senkrecht

senkrecht

Landung

senkrecht

senkrecht

Schweben

hervorragend

gut

Flugzeit

20–40 Minuten

60–180 Minuten

Flächenleistung

mittel

sehr hoch

Energieeffizienz

gering

hoch

Missionsgröße

klein bis mittel

mittel bis sehr groß

Photogrammetrie

gut

hervorragend

Precision Farming

sehr gut

ausgezeichnet

Praxisbeispiel: VTOL in der Agrarvermessung

Ein landwirtschaftlicher Betrieb möchte 350 Hektar Ackerfläche mit einer Multispektralkamera erfassen.

Ein Multicopter müsste aufgrund seiner begrenzten Flugzeit mehrere Einsätze absolvieren und zahlreiche Akkuwechsel erfordern. Ein VTOL-System hingegen kann die Fläche in wenigen längeren Missionen mit gleichmäßiger Fluggeschwindigkeit und hoher Überlappung erfassen. Die Daten eignen sich direkt für die Erstellung von Orthofotos, NDVI-Karten und Applikationskarten