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Vorteile und Typen von Kameraaufhängungen

Um ein Fluggerät im Raum zu bewegen oder auf äußere Störungen (z.B. durch Wind) zu reagieren, muss sein Schubvektor verändert werden. Dies geht fast immer mit einer Neigung des Rahmens der Drohne einher. Fest montierte Kameras oder Sensorsysteme neigen sich hierbei mit dem Rahmen- dies ist oft unerwünscht und kann Messergebnisse verfälschen. Um dies zu vermeiden werden Kameraaufhängungen (auch Gimbal genannt) eingesetzt. Dies sind meist aktive, elektronische Systeme, welche die Sensorik auf dem Copter in einer oder mehreren Achsen, bezogen auf den Horizont, stabilisieren.

Mit geeigneten Sensoren wird die Abweichung der Kamera zu der Horizontalen erfasst und über Bewegungen des Gimbals ausgeglichen. Meist lässt sich über die Fernsteuerung der Winkel der Pan- und Tilt-Achsen verstellen, um die Sensorik, bzw. die Kamera unabhängig von der Orientierung der Drohne auf das zu beobachtende Objekt auszurichten. Soll nur die Nick- und Rollbewegung eines Flugsystems ausgeglichen werden benötigt man ein 2-Achs-Gimbal, welches eben diese beiden Achsen stabilisiert. Um die Einflüsse der Bewegungen in der Gier-Achse ebenfalls auszuschließen, wird ein 3-Achs-Gimbal benötigt.

Speziell bei Filmaufnahmen ist für flüssige Aufnahmen ein 3-Achs-Gimbal so gut wie unverzichtbar, denn sobald Nick- und Rollachse stabilisiert sind, wird die Bewegungen in der Hochachse als deutlich störender wahrgenommen. Wird ein 3-Achs-Gimbal genutzt sollte man bedenken, dass ab einem gewissen Gier-Winkel das Landegestell ins Bild kommen kann. In Verbindung mit einem 3-Achs-Gimbal muss also unter Umständen ein einklappbares Landegestell verwendet werden, es sei denn man betreibt die Gier-Achse nur im sog. „Follow-Mode“, bei welchem die Kamera generell der Gierbewegung des Flugroboters folgt und nur kleinere Abweichungen in dieser Achse ausgleicht.

Derzeit sind zwei Gimbal-Systeme am Markt vorherrschend: Servo-Gimbals und Brushless-Gimbals.

Servo-Gimbals

Servo-Gimbals werden durch Servo-Motoren angetrieben und verfügen meist über aufwändige Mechaniken, bei denen die Achsen über spezielle Getriebe oder Riemenantriebe ausgerichtet werden. Viele moderne Flight-Controller verfügen direkt über Ausgänge zum Ansteuern von Servo-Gimbals, so dass hier eine Kostenersparnis möglich ist, da kein spezieller Gimbal-Controller nötig ist. Darüber hinaus lassen sich diese Systeme leichter realisieren, da keine schweren Brushless-Motoren benötigt werden. Nachteilig wirken sich bei diesen Systemen der im Vergleich zu Brushless-Kameraaufhängung geringere Dynamikumfang, sowie das nur sehr schwer zu eliminierende Getriebespiel in den Achsen aus. Dies führt oft dazu, dass die Stabilisierung in den Achsen nicht perfekt und oft auch vibrationsbehaftet ist, was die Tauglichkeit dieser Systeme für manche Anwendungen stark einschränkt.

Kameraaufhängung Aibot X6

Brushless-Gimbals

Brushless-Gimbals hingegen werden direkt durch einen speziellen bürstenlosen Drehstrom-Motor (daher brushless genannt) meist direkt ohne Getriebe angetrieben. Dieser ist auf sehr niedrige Drehzahl optimiert und weist im Gegensatz zu Antriebsmotoren meist einen höheren Innenwiderstand sowie eine größere Polzahl auf. Die Position der Kamera wird durch eine eigene IMU (Inertial Measurement Unit) mit Gyroskopen und Beschleunigungssensoren erfasst, und durch einen speziellen Controller optimal nachgeregelt. Moderne Entwicklungen gehen hier sogar einen Schritt weiter und referenzieren das Stabilisierungssystem mit zwei Sensoren, wobei einer an der Kamera montiert ist und der andere am Rahmen des Flugroboters. Hierbei kann eine wechselnde Orientierung der Kamera in Relation zur Drohne bedeutend besser stabilisiert werden. Der Vorteil dieser Systeme ist ihre präzise und annähernd verzögerungsfreie Nachregelung der Kamera. Um dies zu erreichen, muss das Kamerasystem in jeder Achse möglichst perfekt ausbalanciert sein, damit sich die Motoren frei und ohne Widerstand bewegen können. Ein Wechsel der Kamera ist oft sehr aufwändig, da das System erneut ausbalanciert werden muss. Es gibt Kameraaufhängungen auf dem Markt, bei dem die Kamera über einen Schnellwechseladapter gewechselt werden kann, dies macht eine Feinjustage überflüssig.

Aufgrund der optimalen Regeleigenschaften sind Brushless-Kameraaufhängungen für Videoaufnahmen nahezu unverzichtbar. Servo-Gimbals haben hingegen Vorteile, wenn es darum geht Gewicht und Kosten zu sparen und eine perfekte, konstante Stabilisierung nicht unbedingt nötig ist. Sollen zum Beispiel Foto- und nicht Videoaufnahmen gemacht werden, kann der Einsatz eines Servo-Gimbals sinnvoll sein. Darüber hinaus haben Servo-Gimbals oftmals Vorteile, wenn man das Sensorsystem während eines Einsatzes tauschen will, da das Ausrichten der Sensoren nicht von so entscheidender Bedeutung ist wie bei den Brushless-Gimbals.

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