Kurze Antwort
Ein Drohnen-Luftgeschwindigkeitssensor misst mithilfe eines Pitotrohrs und eines Differenzdrucksensors, wie schnell sich die Luft über dem Fluggerät bewegt. Im Gegensatz zu GPS, das nur die Bodengeschwindigkeit misst, teilt ein Luftgeschwindigkeitssensor dem Flugregler die tatsächliche Geschwindigkeit durch die Luft mit, was für die Vermeidung von Strömungsabrissen bei Starrflügeldrohnen unerlässlich ist.
Was ist ein Luftgeschwindigkeitssensor?
Ein Luftgeschwindigkeitssensor ist eine kleine Platine mit einem druckempfindlichen Chip, der an ein Pitotrohr angeschlossen ist, das außen an der Drohne montiert ist. Er misst die Differenz zwischen dem in die Vorderseite des Rohrs gedrückten Luftdruck und dem umgebenden statischen Luftdruck. Diese Druckdifferenz, die nach dem Bernoulli-Prinzip umgerechnet wird, ergibt die Luftgeschwindigkeit.
Der Sensor sitzt im Rumpf und kommuniziert über I2C mit dem Flugregler. Das Pitotrohr sitzt außen, meist in der Nähe der Nase oder an einem Flügel montiert.
Wie Pitotrohre funktionieren
Ein Pitotrohr ist eine einfache Hohlsonde mit zwei Kanälen. Die vordere Öffnung zeigt in den Luftstrom und erfasst den Gesamtdruck (statischer Luftdruck plus dynamischer Druck der bewegten Luft). Kleine Löcher an den Seiten des Rohrs, die von der Spitze zurückgesetzt sind, messen nur den statischen Druck.
Zwei Silikonschläuche verbinden diese Kanäle mit einem Differenzdrucksensor wie dem MS4525DO. Der Sensor misst den Unterschied zwischen Gesamt- und statischem Druck. Da der dynamische Druck mit dem Quadrat der Luftgeschwindigkeit zunimmt, berechnet der Sensor die Luftgeschwindigkeit nach der Formel: Luftgeschwindigkeit = sqrt(2 x Druckdifferenz / Luftdichte).
Diese Quadratwurzelbeziehung bedeutet, dass die Messwerte bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten weniger stabil sind. Das ist normales Verhalten, kein Fehler.
Luftgeschwindigkeit vs. Bodengeschwindigkeit: Warum GPS nicht ausreicht
Das ist die entscheidende Unterscheidung. Ein GPS teilt dem Flugregler mit, wie schnell sich die Drohne über dem Boden bewegt. Aber den Flügeln ist die Bodengeschwindigkeit egal. Ihnen ist die Luftgeschwindigkeit wichtig: wie schnell die Luft über sie strömt.
Stellen Sie sich eine Starrflügeldrohne vor, die mit 50 km/h Bodengeschwindigkeit in einen 40 km/h starken Gegenwind fliegt. Ihre tatsächliche Luftgeschwindigkeit beträgt nur 10 km/h. Ohne Luftgeschwindigkeitssensor sieht der Autopilot 50 km/h und denkt, alles sei in Ordnung. Das Fluggerät steht kurz vor einem Strömungsabriss, und der Flugregler hat keine Möglichkeit, dies zu wissen.
Die Dokumentation von PX4 bringt es auf den Punkt: "Der Autopilot hat keine anderen Mittel, um einen Strömungsabriss zu erkennen." Die GPS-Bodengeschwindigkeit kann die Luftgeschwindigkeit für die Flugsteuerung von Starrflügeln nicht ersetzen.
Welche Drohnen benötigen einen Luftgeschwindigkeitssensor?
Starrflügeldrohnen benötigen einen. Flügel erzeugen Auftrieb durch Luftströmung, und wenn diese Strömung zu niedrig wird, kommt es zu einem Strömungsabriss des Fluggeräts. Ein Luftgeschwindigkeitssensor ist der einzige Sensor, der den Autopiloten vor diesem Ereignis warnen kann.
VTOL-Drohnen benötigen einen im Vorwärtsflugmodus aus den gleichen Gründen zur Vermeidung von Strömungsabrissen.
Quadrocopter und Multirotoren benötigen keinen. Sie haben keine Flügel, die einen Strömungsabriss erleiden könnten. Der Flugregler regelt die Höhe durch direkte Anpassung der Motordrehzahl, und die GPS-Bodengeschwindigkeit ist für die Positionshaltung und Navigation ausreichend.
PX4 empfiehlt Luftgeschwindigkeitssensoren für alle Starrflügel- und VTOL-Konstruktionen. ArduPilot hält sie für hilfreich, räumt aber ein, dass sie die Komplexität der Abstimmung erhöhen. Für den Sportflug bei ruhigem Wetter mit großen Geschwindigkeitsmargen kann man manchmal darauf verzichten. Für autonome Missionen, Vermessungsarbeiten oder Flüge bei wechselndem Wind lohnt sich die Installation eines Luftgeschwindigkeitssensors.
Digitale (I2C) vs. analoge Sensoren
Analoge Luftgeschwindigkeitssensoren (wie der ältere MPXV7002) geben eine Spannung proportional zum Druck aus. Sie sind günstig, aber verrauscht. Lange Kabel fangen elektromagnetische Störungen von ESCs und Stromleitungen auf, und Temperaturdrift beeinträchtigt die Genauigkeit im Laufe der Zeit. Viele geben auch 0-5V aus, während Flugregler 0-3.3V erwarten, was externe Spannungsteiler erfordert.
Digitale I2C-Sensoren wie der MS4525DO haben sie weitgehend ersetzt. Die Analog-Digital-Wandlung findet im Sensor statt, so dass das Signal über die Kabellängen sauber bleibt. Eine integrierte Temperaturkompensation sorgt für genaue Messwerte über einen weiten Betriebsbereich (-25 bis +105 Grad C). Die Dokumentation von ArduPilot weist darauf hin, dass analoge Sensoren inzwischen "weitgehend eingestellt" sind und empfiehlt digitale Sensoren für alle neuen Konstruktionen.
Der MS4525DO: Warum er der Standard ist
Der TE Connectivity MS4525DO Sensorchip findet sich in den meisten modernen Drohnen-Luftgeschwindigkeitskits. Er misst Differenzdruck bis zu 1 psi (entspricht etwa 360 km/h äquivalenter Fluggeschwindigkeit), hat eine Gesamtfehlerbandbreite unter 1% und läuft mit 3.3V oder 5V Versorgungsspannung über eine I2C-Verbindung. Er enthält auch einen eingebauten Temperatursensor für die Berechnung der wahren Fluggeschwindigkeit.
Das Holybro MS4525DO Kit bündelt die Sensorplatine mit einem Pitotrohr (erhältlich in 40cm oder 100cm Länge) und einem GH 4-Pin-Kabel. Es ist mit allen Pixhawk Flugreglern auf ArduPilot und PX4 kompatibel und in unserer Maker-Kollektion zu finden.
FAQ
F: Kann ich einen Luftgeschwindigkeitssensor an einem Quadrocopter verwenden?
A: Es gibt keinen Nutzen. Quadrocopter schweben durch direkte Variation der Motordrehzahl und haben keine Flügel, die einen Strömungsabriss erleiden könnten. Sparen Sie sich Gewicht und Komplexität für Starrflügelkonstruktionen.
F: Wie kalibriere ich einen Luftgeschwindigkeitssensor?
A: Der Sensor nullt sich automatisch beim Booten des Flugreglers. Decken Sie das Pitotrohr vor dem Einschalten bei windigen Bedingungen ab, um Offsetfehler zu vermeiden. ArduPilot unterstützt auch die automatische ARSPD_RATIO-Kalibrierung durch Fliegen von Richtungswechselmustern im Loiter-Modus.
F: Wo sollte ich das Pitotrohr montieren?
A: Abseits vom Propellerstrahl und Rumpfturbulenzen. Bei einem Flugzeug mit Nasenpropeller ist der Flügel mindestens 30 cm vom Rumpf entfernt eine gute Position. Halten Sie die Seitenlöcher (statische Anschlüsse) frei und jenseits jeglicher Oberflächenkanten.