RC-Flight-Control Ein Bolt für alle Fälle (Vorschau)

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Lange oben bleiben
Abhängigkeit von Masse und Flugzeit in Multikoptern
von Klaus-Peter Neitzke
Kaum ist man mit seinem Multikopter auf der Modellflugwiese angekommen, muss man
viele Fragen der Vereinsmitglieder und Besucher beantworten. Eine der ersten ist auch
immer: „Wie lange kann der (Multikopter) fliegen?“ Die Antwort fällt gar nicht so leicht,
denn manchmal weiß man es selbst nicht genau.
Für die Beantwortung der Frage, wie
lange der Multikopter denn nun fliegen
kann, muss man viele Details berücksichtigen.
Dabei setzt sich die Flugzeit
aus allen Komponenten des Multikopters
zusammen. Das beginnt beim Akku, geht
über die Elektronik, der mechanischen
Konstruktion bis zu den Motoren und
Propellern. Letztendlich entscheiden auch
der Flugstil und die Mission über die
mögliche Flugdauer. In diesem Beitrag
wurde zuerst eine theoretische Betrachtung
durchgeführt. Sie wurde dann mit
einer Reihe von Flugversuchen mit zwei
unterschiedlichen Quadrokoptern verglichen.
Am Ende werden Empfehlungen
ausgesprochen, wann welcher Akkumulator
verwendet werden sollte.
Die Testobjekte
Die beiden Quadrokopter Q-240 Wanze
und Q-500 Ninja wurden zur Überprüfung
der Theorie ausgewählt, weil sie technisch
ähnlich sind. Beide sind Eigenentwicklungen,
haben aber unterschiedliche
Abmessungen und Massen. Die Rahmen
bestehen aus einem Kohlefaser-Balsaholz-
Sandwichaufbau. Das Balsaholz zwischen
den Kohlefaserplatten ist 5 Millimeter
(mm) dickes Hirnholz. Das ergibt eine
sehr steife und leichte Konstruktion. Die
Diese Akkus wurden im Flug erprobt
gesamte elektronische Regelung übernimmt
ein ATMEGA328 auf einer 20 ×
30 mm großen Steuerungsplatine. Zur
Messung der Drehraten kommen die
Sensoren ADXRS610 zum Einsatz. Die
drei Komponenten der Beschleunigung
werden mit den Sensoren ADXL322
bestimmt. Alle Sensoren befinden sich in
einem 17-mm-IMU-Würfel, der sich schon
in vielen Multikoptern bewährt hat.
Auch die Software ist eine Eigenentwicklung.
Sie basiert auf der C-ähnlichen
Programmiersprache von Arduino. Der
Quelltext ist etwa 8 Kilobyte groß und
verwirklicht die Fusion aus Drehraten-
und Beschleunigungsdaten durch
linearisierte Drehmatritzen. Die gesamte
Regelfrequenz beträgt 400 Hertz. Die RC-
Steuerung erfolgt über einen Spektrum-
Satelliten-Empfänger, der direkt mit dem
seriellen Eingang des Mikrokontrollers
ATMEGA328 verbunden ist. Die Ansteuerung
der unmodifizierten Motorsteller
erfolgt über PPM-Signale. Bei der Wanze
wurden Air-Ace-Dreiblatt-Rechts-links-
Propeller mit 100 mm Durchmesser
verwendet, als Motoren kamen Hacker
A10/12S und als Motorregler Hype 6 A
zum Einsatz. Die Leermasse der Wanze
ohne Akku beträgt so 119 Gramm (g). Die
Abmessungen des Ninja sind etwa doppelt
so groß. Er verwendet GWS 8 × 4,3-Zoll-
Propeller. Den Antrieb übernehmen Axi-
Motoren mit der Bezeichnung 2808/34 und
10-Ampere-Hype-Regler. Die Leermasse
des Ninja beträgt 352 g. Für diese beiden
Multikopter wurde die Theorie überprüft,
indem Flugversuche mit unterschiedlichen
Akkus durchgeführt wurden.
Wo die Energie herkommt
Im Modellbaubereich kommen momentan
fast ausschließlich LiPos zum Einsatz. Die
wichtigsten Kenngrößen von Akkus sind
Masse und Energieinhalt (E). Der elektrische
Energieinhalt setzt sich aus Spannung
(U), Stromstärke (I) und Zeit (T) zusammen.
E = U ⋅ I ⋅T
(1)
Um eine Vorstellung zu gewinnen, wie viel
Energie E = m ⋅in geinem ⋅ h Akkumulator steckt, kann
(2)
man ein Gedankenexperiment durchführen.
Aus dem Physikunterricht wissen wir
noch, Uwie ⋅ Iman ⋅T
die mechanische Energie
h =
berechnen m ⋅ gkann, um eine Masse hochzuheben.
Sie setzt
(3)
sich aus der Masse
(m), E = der U ⋅Erdbeschleunigung I ⋅T
(1) (g) und der
gehobenen Höhe (h) zusammen.
11.1⋅1.5
⋅3600
h Meter ≈ 43 Kilometer
E = m0.142
⋅ g ⋅ h⋅9.81
(2)
In dem Gedankenexperiment nehmen wir
an, dass U ⋅der I
E
⋅TAkkumulator seinen gesamten
Akku elektrischen m=
⋅
h
m
=
D
g Energieinhalt benutzt,
(3)
um sich selbst hochzuheben. (4) Das kann
mit einem Motor und Propeller oder einer
Seilwinde mit einem Motor geschehen,
Anz
2
2
2
2
2
2
Anz 2
2
3
23
23
23
2
3
2
2
3
3
3
3
3
m⋅
g
hsiehe 11.1⋅1.5
⋅3600
v i = = Abbildung 1. (5) Dabei Meter nehmen ≈ 43 wir Kilometer
an, dass 0.142 2das ⋅ ρSeil ⋅A9.81
und die Seilwinde keine
Masse haben und dass keine Leistung
verloren geht.
( m E ⋅ g)
1.5
mP
Akku = =
2
D
⋅ ρ ⋅ A(4)
v i
=
P =
m⋅
g
(5)
2⋅
ρ ⋅ A
Seilwinde
Motor
Seil
( m ⋅ g)
1.5
2 ⋅ ρ ⋅ A
(6)
Hubhöhe
Akku
(6)
Abbildung 1: Der Akkumulator im
Gedankenexperiment
Die gesamte elektrische Energie im
Akkumulator wird daher in Hubenergie
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