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Die fertige Drohne, ausgestattet mit einer HD-Kamera für FPV-Flüge und Videoaufnahmen.

Projektübersicht

Ziel dieses Projekts war die Entwicklung einer besonders leichten und leistungsstarken FPV-Drohne. Im Mittelpunkt standen ein möglichst hohes Schub-Gewichts-Verhältnis, eine hohe Beschleunigung sowie ein präzises Flugverhalten. Gleichzeitig sollte die Drohne trotz ihrer kompakten Bauweise mit einem digitalen FPV-System ausgestattet werden, um hochwertige Videoübertragungen und Luftaufnahmen zu ermöglichen. Neben der Flugleistung spielten auch Gewicht, Schwerpunkt und eine möglichst kompakte Integration der Elektronik eine wichtige Rolle.

Projektidee

Die meisten FPV-Drohnen im Racing- und Freestyle-Bereich verwenden 5-Zoll-Propeller. Ziel dieses Projekts war es zu untersuchen, wie viel Leistung sich aus einer deutlich kompakteren 3,5-Zoll-Plattform herausholen lässt. Die Drohne sollte möglichst leicht werden und gleichzeitig genügend Leistung besitzen, um schnelle Beschleunigungen und aggressive Flugmanöver zu ermöglichen. Trotz des Fokus auf Performance sollte sie außerdem für hochwertige FPV-Aufnahmen geeignet sein und deshalb mit einem digitalen Videosystem ausgestattet werden.

Anforderungen

Bereits vor Beginn des Projekts wurden mehrere Entwicklungsziele definiert.

• möglichst hohes Schub-Gewichts-Verhältnis
• geringes Gesamtgewicht
• digitales FPV-System
• hochwertige HD-Videoübertragung
• robuste Kohlefaser-Konstruktion
• optimale Schwerpunktlage
• möglichst lange Flugzeit
• einfache Wartbarkeit
• hohe Zuverlässigkeit

Technische Daten

Konstruktion

Nach der Analyse verschiedener Motor- und Propellerkombinationen fiel die Wahl bewusst auf eine 3,5-Zoll-Plattform. Obwohl diese Größe im FPV-Bereich eher selten eingesetzt wird, versprach sie ein ausgezeichnetes Verhältnis zwischen Gewicht und verfügbarer Leistung.

Der kompakte Rahmen stellte allerdings hohe Anforderungen an die Integration der Elektronik. Flight Controller, ESC, Empfänger, Videosender und Kamera mussten auf engstem Raum untergebracht werden, ohne Wartbarkeit oder Zuverlässigkeit einzuschränken. Daraus entstand ein sehr kompakter Aufbau mit kurzen Kabelwegen und einer ausgewogenen Gewichtsverteilung.

Der Rahmen besteht nahezu vollständig aus CNC-gefräster Kohlefaser. Die Halterungen für Kamera und Antennen wurden individuell konstruiert und anschließend aus schlagfestem ABS im 3D-Druck gefertigt.

Elektronik

Für die digitale Bildübertragung kommt eine Caddx Vista zum Einsatz. Aufgrund des begrenzten Bauraums wurde sie aus ihrem Aluminiumgehäuse ausgebaut und direkt im Rahmen montiert. Dadurch konnte sowohl Gewicht als auch Einbauvolumen reduziert werden.

Der Ausbau des Gehäuses hatte allerdings zur Folge, dass die ursprüngliche Kühlfunktion verloren ging. Während der ersten Testläufe am Boden kam es deshalb zu Überhitzungsproblemen. Durch Abstandshalter zwischen den Platinen konnte die Luftzirkulation deutlich verbessert werden. Im Flug sorgt der Fahrtwind für eine ausreichende Kühlung, sodass dieses Problem nicht mehr auftritt.

Gewichtsoptimierung

Ein möglichst geringes Gewicht war eines der wichtigsten Entwicklungsziele. Deshalb wurden nahezu alle Stahlbauteile wie Schrauben und Abstandshalter durch Titan ersetzt. Auch sämtliche 3D-gedruckten Bauteile wurden hinsichtlich Stabilität und Gewicht optimiert.

Besonderes Augenmerk lag auf der Position des Akkus. Da dieser das schwerste Einzelbauteil der Drohne darstellt, wurde er unterhalb des Rahmens montiert. Dadurch liegt der Schwerpunkt näher an der Rotationsachse, was das Flugverhalten deutlich verbessert.

Nach Abschluss aller Montage- und Lötarbeiten betrug das Gesamtgewicht 121 g ohne Akku beziehungsweise 181 g mit einem 4S-550-mAh-Akku.

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Leistungsanalyse

Die 3800-KV-Motoren erreichen mit einem 4S-Akku theoretisch Drehzahlen von nahezu 60.000 Umdrehungen pro Minute. In der Praxis wurden unter Last etwa 45.000 U/min gemessen.

Ein einzelner Motor erzeugt einen maximalen Schub von 392 g. Bei vier Motoren ergibt sich somit ein theoretischer Gesamtschub von 1.568 g.

Mit einem Fluggewicht von 181 g erreicht die Drohne ein Schub-Gewichts-Verhältnis von 8,66 : 1. Zum Vergleich liegen leistungsorientierte Freestyle-Drohnen häufig zwischen 4 : 1 und 6 : 1.

Praxistests

Die Flugtests bestätigten die theoretischen Berechnungen. Besonders die hohe Beschleunigung und das direkte Ansprechverhalten stechen hervor. Die Drohne reagiert äußerst präzise auf Steuerbefehle und eignet sich hervorragend für dynamisches Freestyle-Fliegen.

Der kleine Formfaktor bringt allerdings auch Nachteile mit sich. Aufgrund der hohen Propellerdrehzahlen tritt bei engen Kurven oder abrupten Richtungswechseln verstärkt Propwash auf. Durch die Optimierung der PID-Regler und Filtereinstellungen konnte dieses Verhalten deutlich reduziert werden. Vollständig vermeiden lässt sich Propwash bei einer so leichten und leistungsstarken Plattform jedoch nicht, da die Ursache in den Luftverwirbelungen der Propeller liegt.

Herausforderungen

Während der Entwicklung mussten mehrere technische Probleme gelöst werden.

• Integration aller Komponenten auf sehr begrenztem Bauraum
• Kühlung der Caddx Vista nach dem Ausbau des Aluminiumgehäuses
• Optimale Schwerpunktlage trotz kleiner Baugröße
• Saubere Kabelführung ohne Beeinträchtigung der Propeller
• Abstimmung der PID-Regler und Filterparameter zur Reduzierung von Propwash

Jede dieser Herausforderungen konnte im Laufe des Projekts erfolgreich gelöst oder deutlich verbessert werden.

Erkenntnisse

Durch das Projekt konnte ich umfangreiche praktische Erfahrungen sammeln.

• Auswahl und Auslegung von Motor-Propeller-Kombinationen
• Optimierung des Schub-Gewichts-Verhältnisses
• Gewichtsoptimierung durch Materialwahl
• Integration digitaler FPV-Systeme
• Konstruktion individueller 3D-Druckbauteile
• Löten und Verdrahten empfindlicher Elektronik
• Abstimmung von Flugreglern mit Betaflight
• Analyse und Behebung thermischer Probleme
• Schwerpunktoptimierung für bessere Flugeigenschaften

Fazit

Das Projekt hat gezeigt, dass sich auch mit einer kompakten 3,5-Zoll-Plattform eine sehr leistungsfähige FPV-Drohne realisieren lässt. Alle zu Beginn definierten Entwicklungsziele konnten erreicht werden. Besonders das hohe Schub-Gewichts-Verhältnis, die lange Flugzeit sowie die zuverlässige digitale Videoübertragung machen die Drohne zu einer leistungsfähigen Plattform für dynamisches FPV-Fliegen und hochwertige Luftaufnahmen.

Das Projekt hat mir außerdem wertvolle praktische Erfahrungen in den Bereichen Elektronik, Konstruktion, Fertigung und Flugregelung vermittelt und bildet eine wichtige Grundlage für zukünftige UAV-Entwicklungen.

Portfolio von Morten Böhne