Schrittmotoren verleihen Kameratechnologie Flügel

Scharfe, wackelfreie Bilder und Filmaufnahmen gelingen am besten mit einem Stativ. Schon bei Aufnahmen bei langsamer Bewegung wird das Bild unscharf. Noch extremer werden die Verzerrungen, wenn die Kamera in einem Fahrzeug oder gar Flugzeug angebracht ist. Vor allem bei kleinen Flugzeugen, die bei geringer Eigenmasse kaum selbsttätige Dämpfung gegen Wackler bieten, sind Aufnahmegeräte auf eine zusätzliche Stabilisierung angewiesen. Eine kardanische, kreiselstabilisierte Montageplattform schafft hier Abhilfe. Sie darf aber nicht zu schwer ausfallen, schließlich soll das Miniflugzeug bzw. die Aufklärungsdrohne noch abheben können. Kleinstantriebe mit angepasstem Getriebe bieten hier die Lösung für eine leichte und zuverlässige (Kreisel-) Stabilisierung.

Im militärischen Bereich werden gerne unbemannte Flugzeuge, auch Drohnen genannt, eingesetzt, um gefährliche Aufklärungsarbeit zu leisten. Kosten große Drohnen 2 bis 5 Mio. Euro, können kleinere Leicht- und Ultraleichtdrohnen schon für wenige zehn- bis hunderttausend Euro erstanden werden. Daher setzen zunehmend auch andere Anwender, wie Kartographen, Archäologen und verschiedene industrielle Explorationskonzepte auf diese flexiblen Aufklärer. Klein und preiswert bedeutet leider auch geringe Zuladung. Die wichtigste Komponente für scharfe Bildaufnahmen im Flug neben der Kamera ist die stabilisierte Montageplattform. Normale Stabilisierungen auf Kreiselbasis sind zu schwer für kleine Fluggeräte. Die Hood Technology Corp. aus Hood River Oregon USA hat für diesen speziellen Einsatzzweck eine neue Leichtbauweise entwickelt. In Zusammenarbeit mit dem Antriebsspezialisten MicroMo, der nordamerikanischen Vertretung von FAULHABER, konnte die Kreiselstabilisierung den kleinen Fliegern angepasst werden.

Gewicht reduzieren

Damit mobile Drohnen, Kleinflugzeuge oder Kleinhubschrauber mit durchschnittlich nur 15 kg Gewicht auch über Stunden ihrer Aufgabe nachgehen können, müssen sie lange fliegen. Der Treibstoff dafür bringt Gewicht, das bei der Nutzlast fehlt. Kiloschwere kreiselstabilisierte Montageplattformen sind daher absolut ungeeignet. Moderne CCD-Kameras bauen klein, leicht und benötigen nur wenig Strom. Das ist ideal für die Miniflieger. Da auch die Mechanik inzwischen große Fortschritte gemacht hat, kann eine neu entwickelte Montageplattform nun ebenfalls mit deutlich geringerem Gewicht auftrumpfen. Geringe Massen mit hoher Drehzahl erlauben eine ebenso gute Dämpfung wie bisherige schwere „Dampfkreisel“. So bietet die erste, nur 500 g schwere Montageplattform für bis zu 200 g Nutzlast eine stabile Grundlage. Dank kardanischer Aufhängung kann für den Bildschwenk die innen montierte Kameraführung unabhängig von der Stabilisierung bewegt werden. Stromversorgung und Datentransfer laufen über leichtgängige Schleifringe. Für die nötige gleichförmige Bewegung der Kreisel und eine feinfühlig steuerbare Kameraführung sorgen Mikroschritt­motoren.

Schritt für Schritt auf Drehzahl

Als Antriebsquelle für die Stabilisierung kamen nur Kleinstmotoren in Betracht. Als besonders geeignet zeigten sich Mikro­schrittmotoren mit Absolut-Encoder für die Positionsrückmeldung. Kommt der Befehl „einen Schritt weiter“, schreitet der Motor sofort einen Schritt voran, die Reibung ist dabei gegenüber der Motorschrittleistung zu vernachlässigen. Werden nun in schneller Folge Schrittbefehle ausgegeben, dreht sich der Motor quasi kontinuierlich. Im Einsatzbetrieb trabt der Winzling mit rund 10.000 Schritten je Sekunde voran, und erzeugt so eine kontinuierliche Bewegung. Die hohe Drehzahl wird dann über ein spezielles, vorgespanntes und damit spielarmes 1:200 Getriebe reduziert. So erhält man auf der Abtriebsseite eine schwankungsfreie Winkelgeschwindigkeit von 90°/s an der Rotationsachse. Diese konti­­nuierliche Drehzahl stabilisiert zusammen mit Schwungmassen und der kardanischen Aufhängung die Nutzlast perfekt.

Fangen statt landen – die Drohne fädelt mit einer Tragfläche in ein senkrechtes Seil ein und kommt so ohne Landebahn aus
Abheben mit Katapult – beim Start wirken Beschleunigungen von 35 G auf Drohne und Kameraplattform