Infos zum Begriff Gimbal: Bildstabilisierung bei Drohnen

Beispiel einer kardanischen Aufhängung bei Drohnen. Quelle: YouTube

Mittels Gimbal & Brushless-Elektromotoren & IMU Sensoren Drohnen Kameras optimieren

Was ist die Definition des Begriffs Gimbal und welche Anwendung gibt es damit bei Drohnen? Das Wort Gimbal stammt aus dem Englischen und lässt sich am besten mit Kardan übersetzen. Dem technischen Laien ist dieser Begriff zumeist im Zusammenhang mit der Kardanwelle des Autos bekannt. Das in der Kardanwelle verbaute Kardangelenk ermöglicht die Kraftübertragung zwischen zwei in einem veränderbaren Winkel aufeinandertreffenden Wellen. Doch die Funktionsweise einer kardanischen Aufhängung (Gimbals) geht über dieses Prinzip hinaus.

Grundsätzlich lässt sich sagen: Überall dort, wo ein Objekt in einer bewegten Umgebung stabilisiert werden soll, kann eine kardanische Aufhängung zum Einsatz kommen. Ein anschauliches Beispiel hierfür ist die kardanisch gelagerte Onboard-Kamera in einer RC-Drohne. Wäre die Kamera starr an der Drohne montiert, würden die Flugbewegungen sich äußerst negativ auf die Qualität des Bildmaterials auswirken. Durch den stabilisierenden Effekt des Kamera-Gimbals bleibt die Kameraposition, trotz verändertem Neigungswinkel oder Ruckelbewegungen der Drohne, verlässlich in der Waage.

Hier finden Sie weitere Infos zu Drohnen.

Historie und Funktionsweise des Gimbals

Namensgeber der kardanischen Aufhängung ist der italienische Mathematiker Gerolamo Cardano (1501–1576), der das Prinzip als Erster beschrieb. Die Grundform eines Gimbals besteht aus einem zumeist ringförmigen Rahmen in dem sich zwei bewegliche Ringe mit rechtwinklig zueinander angeordneten Lagern befinden. Das zu stabilisierende Objekt wird im inneren Ring befestigt und benötigt einen Schwerpunkt unterhalb der Drehachse. Wird nun der Rahmen bewegt, gleichen die inneren Ringe die Bewegung aus und halten das Objekt im Zentrum in der Waage.

 

Einsatz des Gimbals zur Bildstabilisierung bei RC-Drohnen

Drohne mit 3D-Gimbal, Brushless-Elektromotoren und IMU Sensoren optimierte Kamera

Viele der heutzutage erhältlichen ferngesteuerten Drohnen, Quadrocopter oder Multicopter sind mit einer Onboard-Kamera ausgestattet. Das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten ist breit gefächert: Von der privaten Verwendung im Hobby- und Freizeitbereich über die Nutzung von Kamera-Drohnen im professionellen Filmgewerbe bis hin zu wissenschaftlicher oder militärischer Aufklärung. RC-Drohnen bieten bislang ungeahnte Möglichkeiten unkompliziert und kostengünstig Luftaufnahmen zu realisieren. Die ständig fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Bauteile und hochauflösender Kameras ermöglicht den Bau kleiner Drohnen, die Video- und Fotoaufnahmen in hervorragender Bildqualität liefern. Eines der zentralen Probleme dieser relativ jungen Technologie ist die Bildstabilisierung. Eine in der Luft befindliche Drohne vollführt (gewollt oder ungewollt) permanent Bewegungen um alle Flugachsen. Um trotz dieser Flugunruhe ruckelfreie Videoaufnahmen machen zu können, muss die Onboard-Kamera stabilisiert werden. Hier kommt das Jahrhunderte alte Prinzip der kardanischen Aufhängung, des Gimbals, ins Spiel.

Allerdings hätte ein rein mechanisch arbeitender Gimbal nicht die gewünschte Stabilisierung zur Folge. Die Masse-Trägheit der Kamera wäre zu groß, um die kleinen Ruckelbewegungen der Drohne ausreichend zu kompensieren. Um die ungewollten Kamerabewegungen nicht nur zu dämpfen, sondern gänzlich zu eliminieren, bedarf es einer sensibleren Arbeitsweise des Gimbals. Die Lösung:

Ein elektronischer Gimbal, der computergestützte Bewegungsabläufe absolviert

Bei dem elektronisch gesteuerten Gimbal werden die ursprünglich frei drehbaren Lager durch kleine Brushless-Elektromotoren ersetzt. Diese Motoren zeichnen sich durch extrem kurze Reaktionszeiten und einen glatten Lauf aus. Ein am Gimbal angebrachtes Sensorpaket, die sogenannte IMU (Inertial measurement unit), bestimmt in Echtzeit die Lage der Kamera im Raum. Jede noch so kleine Abweichung der Kameraposition aus der Waage wird vom IMU erkannt und an die Gimbal Control Unit (GCU) weitergeleitet. Hier werden die Sensordaten ausgewertet und in Befehle an die Elektromotoren umgewandelt. Die von der GCU angesteuerten Motoren in den Gimbal-Lagern gleichen die Abweichungen von der gewünschten Kameraposition daraufhin in Sekundenbruchteilen aus. Die dabei entstehenden Reaktionszeiten sind so gering, dass die fertige Kamera-Aufzeichnung vom menschlichen Auge als absolut ruckelfrei wahrgenommen wird.

Mit Gimbal stablilsierte Drohnen Kamera. Quelle: tuwien.ac.at

Damit diese sehr kurzen Verzögerungszeiten erreicht werden können, muss der Schwerpunkt der Kamera exakt austariert sein. Durch einen genau mittig liegenden Schwerpunkt der Kamera im Gimbal befinden sich die Elektromotoren in der „Nullstellung“ in einer Ruhephase. Das bedeutet: Es wird keine Kraft der Motoren für die Aufrechterhaltung der Kameraposition benötigt. Nur so kann die volle Kapazität und schnelle Reaktion der Motoren bei einem Abweichen aus der Waage zur Korrektur genutzt werden.

Dieser Umstand erklärt, warum für nahezu jede RC-Drohne ein spezieller Gimbal entwickelt wird. Den einen „universellen“ Gimbal, der mit verschiedenen Kameratypen kompatibel ist, gibt es schlichtweg nicht. Abgesehen von der speziellen Anpassung an einen Kameratypus unterscheiden sich Gimbals auch in ihrer Arbeitsweise. Einfachere Modelle gleichen die Flugbewegungen der Drohne beispielsweise eines Foto-Quadrocopters nur in ein oder zwei Dimensionen aus. Die vollwertige Stabilisierung der Onboard-Kamera wird allerdings nur mit einem dreidimensional arbeitenden Gimbal erreicht. Man spricht dann von einem sogenannten 3D-Gimbal.

 

Die manuelle Steuerung der Onboard-Kamera

Von der Idee, einen Gimbal mittels Elektromotoren zu optimieren, ist es nur ein kleiner Schritt zur Überlegung, diese Motoren gleichzeitig als Kamerasteuerung zu nutzen. Der Gimbal dient in diesem Fall nicht nur der Bildstabilisierung, sondern kann ferngesteuert die Kamera in den gewünschten Aufnahmewinkel bewegen. Auch in dieser Hinsicht arbeiten verschiedene Gimbal-Typen nach unterschiedlichen Prinzipien. Einfache Modelle lassen in der Regel nur eine eindimensionale Steuerung in Bezug auf die Neigung nach oben und unten zu. Komplexere Modelle ermöglichen eine zwei- oder dreidimensionale Steuerbarkeit der Kamera um mehrere Achsen. Bei der dreidimensionalen Steuerbarkeit spricht man von einem sogenannten 360°-Gimbal. Allerdings erfordert dieser Gimbal-Typ eine hohe Aufmerksamkeit des Piloten. Unter Umständen werden daher RC-Drohnen mit einem 360°-Gimbal von zwei Personen gesteuert: Während sich der Pilot um die Flugsteuerung der Drohne kümmert, kann der „Kameramann“ für die optimale Ausrichtung der Kamera sorgen.

Gimbal selber bauen?

Insbesondere die Nachfrage nach „DSLR Gimbal“ für den eigenen mechanische Zusammenbau ist hoch. Die Hardware für den Eigenbau eines Gimbal ist ohne Probleme über das Internet zu beziehen. Problematischer ist allerdings die Software. Hier einige Linktipps: E.B. Perrin geht in seinem Blog auf die Einzelteile inklusiv Preise für einen 3-Achsen Kamera Gimbal ein. Oder einen einfacher Gimbal preisgünstig selber bauen.

 

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