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Funkfernsteuerung
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Die Funkfernsteuerung (engl. radio control oder RC) ist der Einsatz von Funksignalen zur Steuerung einer technischen Vorrichtung aus der Ferne. Der Begriff wird meist verwendet, um die Steuerung von Modellautos, -booten, -flugzeugen oder -hubschraubern mit einem vom Piloten gehaltenen Steuergerät zu bezeichnen. Nur bestimmte Frequenzbänder sind für die Öffentlichkeit (ohne Lizenz) freigegeben.
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Geschichte
Die Machbarkeit einer Funkfernbedienung wurde unmittelbar nach der Erfindung der Funktechnik erkannt; Nikola Tesla ließ einen Entwurf für eine Funkfernsteuerung schon 1899 patentieren. Die ersten Funkfernsteuerungen wurden in den 1920er Jahren zur Steuerung von Zielschiffen für Schießübungen bei der Marine eingesetzt.
Zweiter Weltkrieg
Während des Zweiten Weltkrieges wurden Funkfernsteuerungen für eine Reihe von Flugobjekten verwendet. Das Ziel war insbesondere die Entwicklung funkgesteuerter Seezielflugkörper für den Einsatz gegen Schiffsverbände, die ansonsten nur schwierig und unter sehr hoher Eigengefährdung anzugreifen waren. Gegen Ende des Krieges hatte die Luftwaffe ähnliche Fragestellungen beim Angriff auf Bomberverbände, und es wurden zahlreiche ferngesteuerte Flugkörper entwickelt (elektropneumatische Systeme), die aber nicht mehr zum Einsatz kamen.
Nur für die ballistische V2-Rakete wurden bei 20 Flügen experimentell erstmals Fernsteuerungen in Form von Radarstrahlen angewendet. Aber auch hier war es nur möglich, 1 Bit (1 Kanal An/Aus) zu übertragen. Derartige Systeme wurden bis in die sechziger Jahre verwendet. Erst dann ermöglichte der Transistor proportionale Steuerungen.
Auch die Briten und die USA entwickelten Funksteuersysteme, um die Gefährdung der Besatzungen beim Einsatz gegen stark verteidigte Ziele zu verringern. Jedoch erwies sich keines dieser Systeme als in der Praxis verwendbar. Ein Gerät, Projekt Aphrodite, erwies sich als gefährlicher für seinen Benutzer als für das Ziel.
Funksteuersysteme dieser Ära waren im allgemeinen elektromechanischer Natur. So wurde ein Radiogerät in einen Flugkörper eingebaut, das vom Steuerpult übertragene Signal wurde demoduliert und einem kleinen Lautsprecher zugeführt. Vor dem Lautsprecher waren einige kleine Metallzungen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen angebracht. Durch deren Schwingen wurden schließlich die Steuerimpulse für die Ruder ausgelöst.
Erste Modellfunkfernsteuerung
Die ersten Modellfunkfernsteuerungen gab es in der zweiten Hälfte der 30er Jahre, damals noch meist in Eigenbau mit Röhrensender und -Empfänger hergestellt. Ab Anfang der 1950er Jahre waren in Deutschland die ersten serienmäßigen Röhrenfernsteuerungen erhältlich. Diese sog. Tipp-Anlagen waren mit nur einer Funktion ausgestattet, das heißt, es konnte nur ein Befehl zum selben Zeitpunkt gegeben werden, in der Regel die Seitenruderfunktion, z. B. 1x Tippen bedeutet Links-, ein weiteres Tippen wieder Neutralstellung, das nächste Tippen Rechtsruder, usw.
Ab zweite Hälfte der 1950er gab es Mehrkanalanlagen, bei denen Funktionen gleichzeitig für mehrere Ruder gegeben werden konnten. Ab etwa 1960 wurden die vor allem wegen ihrer Batterien schweren Röhrenanlagen durch leichtere Transistoranlagen abgelöst. Seit ca. 1965 sind Proportionalanlagen erhältlich, bei denen jedes Ruder genau dem Ausschlag der Knüppelbewegung am Sender folgt, bis dahin liefen die Ruder bei „Signal“ immer zum eingestellten Vollausschlag. Die Proportionalanlagen sind seit den 60ern immer weiter bis zur Computeranlage verfeinert worden, aber an der prinzipiellen Funktion hat sich seit dieser Zeit nichts geändert.
Aktuelle Entwicklung
Der Einsatz der Mikroelektronik erlaubte bald die Übertragung sehr komplexer Steuersignale. Während frühe Steuersysteme einige wenige Schaltbefehle über Frequenzumtastung (MFSK, Tipp-Anlage) übertragen konnten, schließen moderne Systeme 10 oder mehr Digital-proportionale Befehlskanäle ein.
Diese RC-Systeme ermöglichen eine proportionale Steuerung, d. h. die Steuergröße im gesteuerten Fahrzeug, etwa die Stellung eines Ruders, ist stets proportional zur Position des Steuerknüppels auf dem Sender.
Mit der Einführung digitaler Technik hat der Funktionsumfang aktueller Fernsteuerungen wiederum deutlich zugenommen. Dabei lassen sich etwa Kanäle frei austauschen und ihre Kennlinien verändern oder mit anderen Funktionen mischen. Weiterhin können Servos programmiert werden, um z. B. Drehrichtung, Einbauwinkel und Ruderstellungen nach dem Einbau zu justieren, was in analogen Systemen nur über Eingriffe in die Senderelektronik (Funktionsmodule) möglich ist.
Bei Pulscodemodulation (PCM) verringert sich zusätzlich die Störanfälligkeit, da der Datenstrom digital auf Fehler geprüft werden kann. Bei Empfangsproblemen, z. B. im Flug, kann vom Empfänger ein definierter Ruderstand (Fail Safe, Hold) eingestellt werden. Weiterhin kann die Signalübertragung reaktionsschneller sein, da bevorzugt diejenigen Kanalwerte übertragen werden, die sich geändert haben.
Neuere Techniken (PCM, Spread Spectrum) aus der Digital- und Computertechnik werden in Zukunft die Übertragungssicherheit weiter verbessern und Zusatzfunktionen (z. B. Telemetrie) ermöglichen. Dem breiteren Einsatz von Spread Spectrum Techniken stehen zur Zeit noch regulatorische Beschränkungen der Behörden entgegen, sodass diese Technik zur Zeit ausschließlich auf das ISM-Band beschänkt ist. Durch die hohe Trägerfrequenz und geringe Sendeleistung ist der Einsatz somit derzeit räumlich auf 100–300 m Distanz begrenzt.
Technik
Die Stellung der Hebel oder Regler der Steuerfunktion wird an Sender intern durch Potentiometer oder Schalter abgenommen und in ein elektrisches Steuersignal umgesetzt und auf die HF Sendefrequenz moduliert. Je nach Art des Steuersignals unterscheidet man Frequenzumtastung (MFSK, Tip-Tip; heute ungebräuchlich) Pulsphasenmodulation (PPM), oft auch als Pulspausenmodulation bezeichnet) oder Pulscodemodulation (PCM). Bei den letzteren beiden spricht man von digital-proportionaler Übertragung, da das Steuersignal ein Digitalsignal ist, das wiederum die Stellung der Steuerhebel direkt proportional kodiert.
Bei den HF-Modulationsverfahren unterscheidet man AM- und FM-Übertragungen, sowie neuerdings Spread Spectrum. FM wird aufgrund relativer Störsicherheit und preisgünstiger Realisierung gegenwärtig am häufigsten verwendet.
Im Empfänger wird die von der Antenne aufgenommenen HF-Energie verstärkt und demoduliert und dadurch das Steuersignal zurückgewonnen. Die Empfänger sind meist als Superheterodyn-Empfänger (Super), oft auch mit doppelter Frequenzumsetzung (Doppelsuper) ausgelegt. Das regenerierte Steuersignal wird anschließend decodiert um die einzelnen Steuerfunktionen zu trennen und auf separaten elektrischen Ausgängen den entsprechenden Kommandoaufschalteinrichtungen zugeleitet.
Als Kommandoaufschalteinrichtungen können mechanische Rudermaschinen (Servos) oder elektrische Regler, Steller oder Schalter zum Einsatz kommen.
Servos wandeln den Wert der Steuerfunktion in eine proportionale mechanische Bewegung um. Ein Potentiometer misst den Ist-Wert, der mit dem von Sender vorgegebenen Soll-Wert verglichen wird. Der Motor wird nun angefahren, bis der Soll-Wert erreicht ist. Durch die andauernde Nachregelung wird die Position auch bei Belastung gehalten.
Elektrische Steller/Regler wandeln den Wert der Steuerfunktion in ein proportionales elektrisches Signal für einen Verbraucher (meist Elektromotor) um. Für leistungsstarke Elektromotore wird meist die Versorgungsspannung mittels eines elektronischen Leistungsschalters (Transistor) pulsweitenmoduliert. Regler unterscheiden sich durch eine eingebaute Regelschleife. Das elektrische Signal des Verbrauchers wird hierzu durch eine Regelelektronik derartig nachgeregelt, sodass eine Kenngröße des Verbrauchers (z. B. Drehzahl des Elektromotors) unabhängig von Umgebungseinflüssen (z. B. Veränderung der Versorgungsspannung, mechanische Belastung) proportional zur Steuerfunktion ist.
Signalaufbau
Tonkreisanlagen 100 kHz bis 27 MHz
Elektronenröhren verbrauchten viel Strom, sie erzeugten viel Wärme. Jede Röhre war im Modell eine zuviel. Zum Röhrenzeitalter gehörte entsprechend die einfachste Fernsteuertechnik, die Tipp-Anlage. Damit wurden nur Ein-Aus-Funktionen übertragen. Die Anlagen arbeiteten mit Frequenztastung. Wie bei der MFC-Codierung beim Telefon werden einzelne Schaltfunktionen durch auf den Träger aufmodulierte Signalfrequenzen kodiert. Das Servo läuft solange nach links (rechts), bis die Taste losgelassen wird. Da zur Kodierung einer Steuerfunktion (z. B. Lenkung: Rechts, Mitte, Links) zwei Tasten benötigt werden, werden auch zwei Frequenzen pro Steuerkanal benötigt. Da zur Zeit der Elektronenröhren noch keine Flipflops in ein Modell integriert werden konnten, nutzte man selbsthaftende, polarisierte Telegrafenrelais, um Schaltfunktionen zu realisieren. Ende der sechziger Jahre sorgte dann der aufkommende Transistor und die aufkommende TTL für eine neue Qualität von Modellfernsteuerungen mit den digital-proportional-Anlagen. Heute werden Tipp-Anlagen nur noch vereinzelt bei Spielzeug-Fernsteuerungen verwendet.
Digital-Proportional 27–40 MHz
Bei den heute im Schiffs- Flug- und Auto-Modellbau verwendeten Systemen (27; 35 bzw. 40 MHz) ist die Proportionalsteuerung auf Basis einer Pulsweitenmodulation (PWM) am weitesten verbreitet. Der Sprachgebrauch ist uneinheitlich, man spricht auch von Puls-Pausen-Modulation (PPM). Die Impulsbreite überträgt proportional die Steuerfunktion. Sie variiert heute mehrheitlich im Bereich von 1,5ms ± 0,5ms. Im zu steuernden Modell bedeuten zum Beispiel 1,0 ms links, 1,5 ms neutral und 2,0 ms rechts oder umgekehrt. Jedem Übertragungskanal ist nur eine Impulsbreite (ein Impuls) zugeordnet, die Impulse aller Kanäle werden zyklisch nacheinander übertragen.
Im Sender wird jeder Impuls durch einen monostabilen Multivibrator erzeugt, das Potentiometer des Sendeknüppels stellt mit einem festen Kondensator ein RC-Zeitglied dar. Im Empfänger besitzt jedes Servo ebenfalls einen monostabilen Multivibrator, wobei das zeitbestimmende Potentiometer hier auf der Drehachse des Servos montiert ist.
Die Differenz zwischen vom Sender kommenden und vom Servopoti gelieferten Impuls ist positiv oder negativ und korrigiert die Drehrichtung des Servomotors entsprechend gegensätzlich. Das Servo kommt erst zur Ruhe, wenn Sende- und Servoimpuls gleich lang sind und die Impulsdifferenz zwischen beiden null ist. Je nach Hersteller variiert die Pulsdefinition geringfügig (Systeme Multiplex/Graupner/Robbe).
Die Impulse mehrerer Kanäle (Funktionen) folgen unmittelbar aufeinander. Zur Übertragung kommen allerdings nicht die Servopulse selbst. Das Ende eines Impulses bedeutet gleichzeitig den Anfang des Nächsten. Nur diese Übergangsflanke wird jeweils als 0,3 ms breiter Impuls gesendet und im Empfangsdecoder decodiert.
Das entstehende Impulstelegramm wird zyklisch wiederholt. Je nach Kanalzahl des Senders und Hersteller – 2 bis 8 Kanäle – innerhalb von 15 bis 22 ms. Dabei entsteht eine etwas längere Pause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsgruppen, die vom Empfänger zur Synchronisation genutzt wird. Da jeder Kanal innerhalb von 15 bis 22 ms wieder neu übertragen wird, reagiert das Modell sehr schnell, so schnell, das der Steuernde das Gefühl einer abrupten Reaktion hat.
Vorteil der Technik ist eine mit etwa 5 kHz extrem geringe HF-Bandbreite, gleich ob als Übertragungsverfahren AM oder FM genutzt wird.
Diese genial einfache und leistungsfähige Technik wurde in den sechziger Jahren entwickelt. Erste Empfänger arbeiteten mit Amplitudenmodulation (AM), wobei der Sender vollständig ausgetastet wurde. Probleme mit der schnellen Nachregelbarkeit der Verstärkung des ZF-Verstärkers favorisieren jedoch die Frequenzmodulation (FM). Diese kommt mit einem Frequenzhub Δf = f1 − f2 von ca. 4 kHz aus, genug, um einem Frequenzraster von 20 kHz zu genügen.
PCM 2,4 GHz
Im Wettkampfbereich setzt sich seit 2000 bei großen Flugmodellen die Pulscodemodulation (PCM) mehr und mehr durch. Hier werden alle Steuerinformationen als numerische Werte in einem digitalen Datenstrom übertragen. Zusätzliche Prüfbits erlauben eine Fehlerkorrektur und erhöhen die Übertragungssicherheit.
Vorteile liegen in erhöhter Störsicherheit (fail save funktioniert bei digital-proportionalen Empfängern nicht sicher) sowie in einer geringeren Nullpunktdrift der Servos sowie in höherer Präzision der Ausschläge.
Nachteil ist ein mehrfach höherer Bandbreitenbedarf bei gleicher Verzögerungszeit einer Datenübertragung. Folglich müssen PCM-Anlagen höher gelegene Frequenzbänder nutzen, um vergleichbar schnell wie digital-proportionale Anlagen sein zu können. So nutzt man z. B. 2,4 GHz mit einem Kanalraster von 1024 kHz. Kleinere Wellenlängen führen aber zu einem neuen Problem, dem der reflektiven Auslöschung, siehe Fresnelzone. Dabei erreicht eine z. B. am Boden reflektierte Welle den Empfänger gegenphasig zur direkten Welle, es kommt zur Signalauslöschung (Dead Points). Abhilfe schaffen dynamische Frequenzbandwechsel (Spread Spectrum) bzw. Diversity-Empfänger. Hier versorgen zwei unabhängige Antennen zwei unabhängige Empfänger, von denen der jeweils höhere Effektivwert dem Impuls-Decoder zugeleitet wird. In modernen Empfängern ist ein Doppelempfänger mit versetzten Antennen bereits integriert.
Komponenten
Sender
Gängige Sender haben zwei Steuerknüppel, die jeweils nach recht/links und oben/unten bewegt werden können. Eine Steuerfunktion (z. B. Höhenruder) wird auch als „Kanal“ oder Funktion bezeichnet, aus den zwei Steuerknüppeln ergeben sich somit vier Funktionen. Weitere Kanäle werden ggf. über Dreh- und Schieberegler oder Schalter realisiert.
Bei der Handhabung wird unterschieden zwischen Handsendern, wobei die Daumen i. a. auf den Steuerknüppeln aufliegen, und Pultsendern, die an einem Gurt getragen werden, und bei denen die Betätigung der Knüppel mit den Fingern bei aufliegendem Handballen erfolgt. Zu Steuerung von Auto- und Schiffsmodellen wird teils eine spezielle „Pistolen“-Bauform eingesetzt, wobei ein Drehring für das Ruder und ein Hebel für Gas/Motor genutzt wird.
Die Stellung der Hebel oder Regler wird intern durch Potentiometer abgenommen, kodiert und in der HF-Stufe auf die Sendefrequenz moduliert.
In Europa sind die Frequenzbänder 27, 35, 40, 433 MHz und 2,4 GHz für Fernsteuerungen zugelassen, wobei die genaue Frequenz am Sender durch Quarze festgelegt wird. An modernen Sendern und Empfänger kann man die Frequenzen mittels PLL-Technik beliebig einstellen. Bei den neuen Übertragungsverfahren, wie Bluetooth oder Spread Spektrum braucht man sich gar nicht mehr um einen Kanal kümmern. Hier werden die Frequenzen dynamisch eingestellt, bzw. per eindeutiger Sender- und Empfänger-ID zugeordnet. Weiterhin sind in einigen Ländern auch Frequenzen im 41, 72 und im 75 MHz Band zur Fernsteuerung von Modellen freigegeben. In Deutschland ist auch das 35-MHz-Band seit 2003 für Flugmodelle anmelde- und gebührenfrei.
In jedem Frequenzband sind nur wohldefinierte Frequenzkanäle verfügbar, die soweit auseinanderliegen, dass Nachbarkanalstörungen vermieden werden, was speziell bei Flugzeugmodellen fatal wäre. Insbesondere im 27-MHz-Band muss auch mit weiteren Störungen z. B. durch CB-Funk gerechnet werden, weshalb für Flugmodelle die 35- und 40 MHz-Bänder bevorzugt werden.
Programmierbare, sog. Computersender, meist mit LC-Display, ermöglichen die Einstellung der Servo-Parameter sowie Mischungen von Kanälen, die vor allem für Hubschrauber- und Flugmodelle gebraucht werden. Meist können Parameter-Sätze für eine Reihe von Modellen abgespeichert und schnell gewechselt werden. Weitere Funktionen hochwertiger Sender sind wählbare Modulationsverfahren (PCM, PPM), per Software wählbare Sendekanäle, austauschbare HF-Module für die unterschiedlichen Bänder oder auch eine Funktion zum Scannen freier Kanäle.
Empfänger
Der Empfänger soll geringes Gewicht und zuverlässigen Empfang kombinieren; an ihm werden Antenne, Stromversorgung und ein oder mehrere Servos oder andere Steuergeräte angeschlossen.
Die Empfänger sind meist als Superheterodyn-Empfänger (Super), oft auch mit doppelter Frequenzumsetzung (Doppelsuper) ausgelegt. Der Empfänger benötigt ein zur Senderfrequenz (Senderquarz) passenden Empfängerquarz, dessen Frequenz allerdings um den Betrag der ersten Zwischenfrequenz (abhängig vom Empfängertyp) von der Sendefrequenz abweicht, da er die Frequenz des Referenzoszillators einstellt.
Servos und Steller
Servos werden i.a. nach Gewicht (ab 4 g, Standard 40 g) und Drehmoment (z. B. 25 Ncm) klassifiziert, weitere wichtige Parameter sind Stellzeit (z. B. 0,15 Sekunden für 60 Grad) und Getriebeausführung (Kunststoff/Metall, ggf. Kugellager). In aufwendigeren Servos kommen auch Glockenankermotoren sowie digitale Regelungen zum Einsatz.
Für spezielle Anwendungen gibt es spezielle Servos:
- Segelwinde: Servo zur Betätigung von Seilzügen, meist mit sehr hohem Stellweg
- Stellservo: Servo mit hohem Stellweg oder Stellwinkel, meist langsam
- Schaltservo: Servo mit festen oder einstellbaren Endpositionen, nicht proportional.
Neben Servos werden zur Umsetzung von Steuersignalen empfängerseitig auch elektrische Steller oder Regler eingesetzt, die bei Modellen mit Elektromotoren etwa die Geschwindigkeit fernsteuern. Neben Spannungs-Stelllern werden auch Drehzahlregler eingesetzt, z. B. für Hubschrauber-Modelle, wo die Drehzahl des Motors auch bei veränderlicher mechanischer Belastung konstant gehalten wird. Spezielle Regler für Brushless Motore regeln das elektrische Drehfeld direkt gemäß der Steuervorgabe (Drehstromregler).
Bei Modellen mit mehreren Motoren können Steller auch zur Richtungssteuerung eingesetzt werden. Beispiele sind z. B. Kettenfahrzeuge mit getrennt angetriebenen Kettenantrieben, zwei- oder mehrmotorige Modellflugzeuge oder Koaxial-Hubschraubern. In diesen Fällen kann auch mechanisch aufwändigere Servos und Ansteuerungen verzichtet werden.
Andere Anwendungen
Heute wird die Funkfernsteuerung auch in der Industrie für die Steuerung von z. B. Laufkränen sowie Rangier- und Kleinlokomotiven verwendet. Funkgesteuerte Roboter werden z. B. für das Entschärfen von Bomben benutzt.
Siehe auch
Weblinks
Literatur
Digital-proportional:
- Miel, Günter: Elektronische Modellfernsteuerung. Militärverlag der DDR, Berlin, 1976 (Kompendium)
- Hennicke, Lothar: RC-Flugmodelle und RC-Modellflug. VEB Transpress Verlag für Verkehrswesen, Berlin 1976 (einfach gehaltene Einführung mit Pulsprotokoll und Schaltungen)
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