Der Gyro, auch Kreisel genannt
...erleichtert uns das Helifliegen enorm

RC-Helikopter Gyro Sensor Kreisel auf heli-planet.com

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Was ist ein Gyro/ Kreisel


Ein Gyro- System, auch Kreiselsystem genannt, stabilisiert den Modellheli auf der Gear (Heck)- Achse, so dass äußere Einflüsse, die eine Drehbewegung des Helikopters verursachen, ausgeglichen werden. Solche Einflüsse sind z. Bsp. Wind und auch Drehmomentschwankungen durch Ändern der Rotordrehzahl usw.. Der Gyro nimmt uns die manuelle Korrekturarbeit ab, und hält das Heck des Helikopters automatisch in Position. Der deutsche Begriff Kreisel basiert auf den ersten Bauformen der Gyro- Sensoren, bei denen ein mechanischer Kreisel, der sich ähnlich einem Spielzeugkreisel dreht, eingesetzt wurde, um die Bewegungen des Helis auf der Gearachse (Drehung um die Hochachse ) zu erfassen. Diese mechanischen Gyro- Systeme sind heute fast vollständig vom Markt verdrängt.

Gängige Heckkreisel Typen

Heutige Kreisel bedienen sich neuartiger Sensoren, die auf Halbleitertechnologie basieren..

Ein Vorteil der Halbleitertechnologie ist, dass sie reproduzierbare quakitative Eigenschaften der Bauteile liefert. Das ist wichtig für die Korrektur von Drifteffekten, vor allem der Temperaturdrift.

Der Piezokreisel ist ein vollelektronischer Kreisel, bei dem Piezokristalle anstelle eines mechanischen Kreisels eingesetzt werden. Diese Kristalle geben unter wechselnden mechanischen Belastungen unterschiedlich hohe elektrische Spannungen ab, anhand derer die Stärke und Richtung der Heckdrehung ermittelt und die notwendige Korrektur errechnet wird. Piezokreisel sind leider etwas temperaturempfindlich und daher noch mehr oder monder mit dem Nachteil einer Temperaturdrift behaftet. Hier muss oft manuell nachgetrimmt werden. Ein Vorteil der Piezokreisel ist der günstige Preis.

Weitere Bauformen sind die MEMS und SMM Sensoren. Der SMM (Silicon Micro Machine) -Kreisel arbeitet mit einem micromechanischen Sensor. Futaba verwendet für seine SMM-Sensoren die Bezeichnung MEMS (Micro- Electronic- Mechanical System). Diesen Kreiseln wird eine höhere Genauigkeit nachgesagt. Zudem besitzen sie nicht mehr die nachteilige Temperaturdrift der Piezokreisel. Ein Nachteil ist jedoch der noch relativ hohe Preis. MEMS ist ein anderer Ausdruck für SMM und er bedeutet Micro Electro Mechanical System.

Oft werden in Foren die Unterschiede zwischen SMM und MEMS diskutiert. Leider mit wenig fundiertem Hintergrund. SMM oder MEMS als Bezeichnung lassen noch keine Unterscheidung zu. Es kommt definitiv auf die Spezifikationen und Einzelheiten an, die jedoch meistens gar nicht offengelegt werden. Beschleunigungssensoren für militärische Zwecke oder für die Raumfahrt in SMM bzw. MEMS- Technologie werden für Stückpreise verkauft, die teilweise den Wert eines Kleinwagens übersteigen. Das zeigt klar, dass allein durch die Bezeichnung kein Unterschied ableitbar ist.

Moderne MEMS-Bauteile zeichnen sich dadurch aus, dass ein Großteil der gesamten notwendigen Elektronik mit den Sensoren zusammen auf ein und demselben Chip untergebracht ist - also in einem Arbeitsgang hergestellt werden.


Die hier beschriebenen Sensoren werden in gängigen Kreiselsystemen verschiedener Hersteller eingesetzt, aber auch in FBL Systemen finden wir diese Sensoren wieder.

Der wohl bekannteste und sehr weit verbreitete Kreiseltyp ist der GY 401. Ein neueres Modell, praktisch der Nachfolger des GY 401, ist der GY 430. Der für alle Helitypen geeignet ist.


Mehrachsen- Stabilisierung in FBL (Flybarless) Systemen

In jüngster Zeit werden auch immer öfter Mehrachsen - Stabilisierungssysteme eingesetzt, bei denen neben der Gear- Achse auch die stabilisierende Funktion der Paddelstange von einer Elektronik übernommen wird. Ein solch ausgerüsteter Heli kann ohne Paddelstange fliegen. Die meisten dieser Stabilisierungssysteme können auch als reiner Heckkreisel eingesetzt werden, dazu wird in der Elektronik die entsprechende Einstellung vorgenommen. Ein FBL- System ist also ein Kreisel/Gyro, der neben der Gearachse auch die Roll- und Nickachse überwacht.


Einbauort und Ausrichtung

Der Einbau der Sensorik muss immer exakt 90° zu den "Steuerachsen" des Helikopters erfolgen.

Gyro Kreisel Einbaulage

Der Einbauort des Kreisels sollte gut überlegt sein. Die Ausrichtung muss entsprechend den Vorgaben des Herstellers erfolgen und es sollten vibrationsarme Einbauorte gewählt werden.

Ein weiterer Punkt für die Wahl des richtigen Einbauortes ist das Risiko von Beschädigungen des Gyro bei einem Crash. Ein gut geschützter Einbauort innerhalb des Chassis ist also immer zu bevorzugen. Gerade bei kleinen Helis bleibt aber meistens nur die Oberseite des Heckgetriebes um einen Gyro aufzukleben.

Zum Befestigen wenn möglich nur originale Klebe- Pads verwenden, da diese auf den Gyro abgestimmt sind. Falls es zu unerklärlichen Reaktionen des Hecks während des Fluges kommt, kann das manchmal an Vibrationen liegen, die sich auf die Gyro- Sensoren übertragen und die Signale verfälschen. Dann sollte man entweder den Einbauort verändern, oder andere Klebepads ausprobieren. Im Zweifelsfalle geht hier Probieren über Studieren. Neuere Kreisel mit modernster Technik sind weniger anfällig gegen Vibrationseinflüsse. Höherfrequente Vibrationen, wie sie bei Turbinenantrieben auftreten, können jedoch trotzdem zu Störungen führen. Deshalb bieten die Hersteller manchmal zum System passende Kunststoffkapseln zur Vibrations- Dämpfung an. Darin kann der Kreisel vibrationsgeschützt montiert werden.

Die Ausrichtung des eigentlichen Sensors muss immer parallel zur relevanten Achse gewählt werden. Näheres findet sich in der Beschreibung des Herstellers. So darf ein GY-401 z. Bsp. nicht seitlich vertikal, sondern immer nur horizontal (z. Bsp. auf dem Heckgetriebe) befestigt werden. Man kann Heckkreisel natürlich auch kopfüber am Heli montieren, es sei denn der Hersteller verbietet dies ausdrücklich.


Für FBL Sensoren gelten die gleichen Regeln. Ausnahmen bilden hier neuartige FBL Sensoren, die vertikal als auch horizontal am Heli befestigt werden können. In der Softwareeinstellung wird dann genau die Einbaulage spezifiziert. Dabei gilt jedoch der Grundsatz, dass die Ausrichtung immer 90° bzw. 0° zu den Achsen des Heli erfolgt, wie links dargestellt.

Betriebsarten/ Betriebsmodi


Es gibt im Prinzip zwei Modi, in denen man Gyro- Sensoren betreiben kann. Das sind zum einen der Normalmodus und zum anderen der Automatik bzw. Heading Hold Modus, auch AVCS (Angular Velocity Control System) genannt. Beim Flugbetrieb wirken Störkräfte wie z. Bsp. Wind und Drehmomentänderungen am Hauptrotor auf den Helikopter. Diese Kräfte wirken dann auf das Heck und bewirken eine Drehbewegung des Hecks. Steuerbefehle des Senders werden sozusagen zum Servo durchgeleitet. Der Kreisel kann zwischen "gewünschten" und "ungewünschten" Heckbewegungen unterscheiden.

Normalmodus

Im Normalmodus wirkt der Gyro einer Heckbewegung entgegen. Der Kreisel bremst die Drehbewegung und dadurch stoppt diese irgendwann. Wie weit das Heck sich dabei dreht, ist abhängig von verschiedenen Faktoren, auch von der eingestellten Gyro- Empfindlichkeit. Ein Vorteil des Normalmodus ist, dass der Windfahneneffekt nicht unterdrückt wird. Das bedeutet, dass sich das Heck bei schneller Fahrt durch den Fahrtwind immer nach hinten ausrichtet. So kann man wunderbar schnelle Kurven fliegen und das Heck richtet sich von selbst aus, ohne eigenes Zutun.

Heading Hold/ AVCS

Im Heading Hold Modus ist das etwas anders. Wird z. Bsp. durch Wind eine Heckdrehung ausgelöst, dann steuert der Gyro ebenfalls gegen, diesmal aber so lange, bis das Heck wieder in der Ausgangslage steht. Er dreht das Heck sozusagen wieder dahin, wo es vorher stand. Wie schnell das passiert, ist wiederum abhängig von der eingestellten Gyro- Empfindlichkeit und anderen Faktoren. Der Windfahneneffekt kann hier nicht ausgenutzt werden, das ist auch nicht gewünscht. Der Heading Hold Modus ist von Vorteil, wenn Flugmanöver, die auf dem Rückwärtsfliegen basieren, wie z. Bsp. Rückwärtslooping oder gar nur der einfache schnelle Rückwärtsflug bzw. 3D Flugfiguren perfekter und leichter fliegen zu können.

Normalmodus versus Heading Hold

Beide Modi haben ihre Vor- und Nachteile. Fliegt man Beispielsweise eine 180°Kurve mit höherer Geschwindigkeit, und man würde das Heck dabei nicht am Sender steuern, dann würde beim Normalmodus das Heck trotzdem immer hinten stehen, da der Fahrtwind das Heck wie eine Fahne in den Wind drückt. Beim Heading Hold Modus jedoch würde man das Heck immer nachsteuern müssen um ein ähnliches Flugbild wie im Normalmodus zu erreichen.

Im Gegensatz zum Heading Hold Modus bzw. AVCS, bewirkt die Einstellung "Normal Modus" am Heckkreisel, dass eine Bewegung des Hecks nach Erkennung durch den Gyro/ Kreisel abgebremst und gegebenenfalls gestoppt wird. Wie stark dieses Abbremsen der Bewegung ist, hängt von der Einstellung der Kreiselempfindlichkeit ab. Je schwächer die Empfindlichkeit, umso schwächer die Gegenreaktion des Kreisels auf die ungewollte Heckbewegung.
Diese Einstellung gibt es nicht umsonst! Viele Anfänger fliegen sofort im Heading Hold Modus drauf los, dabei ist gerade der Normalmodus für Anfänger besser geeignet als der Heading Hold Modus. Dies gilt besonders für die ersten Flüge mit einem Heli. Für Rundflug ist der Normalmodus erste Wahl. Erst für 3D hat der Heading Hold wieder Vorteile.
Warum das so ist?
Im Heading Hold Modus wird einer ungewollten Heckbewegung so lange gegengesteuert, bis das Heck wieder in der Sollposition steht. Dreht ein starker Windstoß das Heck unseres Helikopters nach rechts, dann steuert im Heading Hold der Gyro das Heck wieder genau in die Position vor der ungewollten Einwirkung zurück. Das ist für 3D Flug sehr hilfreich. Anfängern kann das jedoch den Nachteil bringen, dass Rundflug dadurch erschwert wird. Im Normalmodus kann man das Heck bei Rundflug fast vollkommen außer Acht lassen, denn es dreht sich immer in den Wind und das bedeutet nach hinten. Für Anfänger ideal.
Heading Hold bringt noch eine Besonderheit mit sich. Nach dem Einschalten des Helikopters stellt der Gyro natürlich den Heckservo auf Neutralstellung und speichert die Position des Hecks ab. Wenn dann das Heck um beispielsweise 90° gedreht wird, weil man den Heli umstellt, dann hat das überhaupt keine Auswirkungen im Normalmodus. Im Heading Hold Modus jedoch wird der Gyro das Heck unmittelbar nach dem Abheben, manchmal schon früher, zurückdrehen und in die 90° abweichende Ursprungsposition zurückstellen. Für Anfänger kann das fatal enden!


Einstellung der Empfindlichkeit des Gyro

Es gibt grundsätzlich 2 verschiedene Möglichkeiten die Gyro- Empfindlichkeit einzustellen. Zum einen am Sender und zum anderen am Gyro selbst. Am Gyro findet man dazu zunächst meistens Umschalter, mit deren Hilfe man zwischen Digital- und Analogservos sowie zwischen Heading Hold und Normal Modus umschalten kann. Mittels Mini- Potentiometer, die mit einem kleinen Schraubendreher justiert werden können, stell man die Kreiselempfindlichkeit sowie die Verzögerung (Delay) ein.

Die gleichen Möglichkeiten hat man natürlich auch am Sender. Dort wird ein Potentiometer mit der Empfindlichkeitseinstellung für den Gyro belegt. Ein extra Anschlusskabel zum Gyro (Standard Heli Senderkanal 5) überträgt die Emfindlichkeitsvoreinstellung zum Gyro.

Die am Markt üblichen Sender unterstützen verschiedene Möglichkeiten der Empfindlichkeitseinstellung und der Umschaltung zwischen Heading Hold und Normalmodus.

Die einfachste Methode des Umschaltens zwischen Heading Hold und Normalmodus ist die Umschaltung mittels einfachen Kippschalters. Die Kippschalterstellung bestimmt dabei, ob im HH oder im Normalmodus geflogen wird. Die Empfindlichkeit wird bei dieser Methode mittels Potentiometer zwischen 0 und 100% Empfindlichkeit eingestellt. (siehe Bild rechts)

Manche Systeme unterstützen jedoch auch eine viel komfortablere Methode, bei der nur ein Drehpotentiometer alle diese Funktionen erledigt. Das mit dieser Funktion belegte Senderpoti schaltet zwischen HH und Normalmodus um und man stellt gleichzeitig die Empfindlichkeit damit ein. Die Mittelstellung des Poti (eigentlich 50%) ist hier gleich einer 0% Empfindlichkeit des Gyro! In dieser Poti- Stellung darf nicht geflogen werden! Dreht man das Poti nach links, dann erhöht man damit die Empfindlichkeit des Gyro im Normalmodus. Dreht man das Poti ausgehend von der Mittenstellung nach rechts, dann erhöht man die Empfindlichkeit des Gyro im Heading Hold Modus. (siehe Bild links)

Empfindlichkeitseinstellung Gyro am Sender

Bei einer DX6i und einigen anderen Modellen kann man mittels Schalter zwischen zwei voreingestellten Gyroempfindlichkeiten wählen, auch während des Fluges. ACHTUNG: Eine Einstellung von 50% im Sender entspricht dabei der Gyroempfindlichkeit NULL! Stellt man den Wert im Sender auf 0, dann entspricht das 100% Empfindlichkeit im Normalmodus. Stellt man den Wert im Sender auf 100, dann entspricht das 100% Empfindlichkeit im Heading Hold Modus. Bei Einstellung 25 im Sender hat man dann 50% im Normalmodus und die Einstellung 75 entspricht 50% Gyro- Empfindlichkeit im Heading Hold. Siehe auch die Grafik.

Einstellung Gyroempfindlichkeit bei manchen RC Sendern Bsp. DX6i

Wie das Heck des Helis genau eingestellt wird, kannst Du unter Einstellung des Hecks erfahren.


Tipp

  • Um das Heck feinfühliger steuern zu können, ist es ratsam eine " Exponentialfunktion " auf die Hecksteuerkurve zu legen. Ich fliege Expo 35-50%.
  • Eine Dual Rate dagegen ist nur bedingt sinnvoll, da sie lediglich den Maximalweg des Servo verringert. Die Feinfühligkeit des Steuerns verbessert sich dabei nicht.