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Telemetrie in der Praxis

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Erstellt: Samstag, 22. März 2014 12:53

Geschrieben von Martin Näf

Wer braucht schon Telemetrie? Wie bei jeder neuen Technologie waren die Zweifler sofort zur Stelle. Die Realität hat sie inzwischen eingeholt: Kaum eine neue Fernsteuerung kommt heute ohne eingebaute Telemetrie auf den Markt.

Als Ingenieur bin ich an neuem stets interessiert, so lag es bei meinem Wiedereinstieg vor gut zwei Jahren auf der Hand, auf die Technik zu setzen: Zuerst in einer mit dem FrSky System aufgerüsteten Futaba FC-28, später mit dem Graupner HOTT System in der MC32. Natürlich kocht jeder Hersteller sein eigenes Süppchen, wie schon bei der Einführung von 2.4 GHz sind keine Standards in Sicht. Die angebotene Funktionalität dagegen ist einigermassen einheitlich. Die Erfahrungen lassen sich gut verallgemeinern.

„Telemetrie“ steht für „Fernmessung“, also die Übertragung von Messdaten. In unserem Fall sind damit Daten vom Flieger zum Piloten gemeint. Statt dem bisherigen Einweg-System, welches nur Steuerdaten zum Empfänger übermittelt, gibt es hier einen Rückkanal. Im Flieger drin werden verschiedene Sensoren eingesetzt, welche mehr oder weniger nützliche Daten sammeln, auswerten und typischerweise via Empfänger zurückmelden.

Die Hersteller von Telemetriesystemen bieten alle eine ähnliche Palette an Sensoren. Die Empfänger liefern Informationen zur Übertragungsqualität und die Eingangsspannung. Einige messen zusätzlich eine externe Spannung direkt oder mittels einfachem Spannungsteiler. Für die Batterieüberwachung gibt es Spannungsmesser für die Gesamtspannung oder für jede Zelle einzeln, ebenso werden Ströme gemessen und damit auch die verflogene Kapazität ermittelt. Beim Antrieb wird die Drehzahl gemessen, entweder direkt beim Propeller oder indirekt über die Phasen beim Brushlessmotor. Verbreitet ist auch eine Temperaturmessung um überlastete Komponenten zuverlässig zu erkennen. Selbst der Füllstand des Tanks bei Verbrennern kann gemessen werden. Für Segler sind vor allem barometrische Höhenmesser und Vario interessant, ein GPS hilft beim Suchen eines entflogenen Vogels. Eher exotisch ist die Geschwindigkeitsmessung mittels Pitot-Rohr.

Neben den Herstellern der Fernsteuerungen gibt es auch ein paar Drittfirmen, welche Telemetriesensoren für die verbreiteten Systems anbieten. Bei unseren „Heimlieferanten“ ist zum Beispiel das UniSens-E vom SM Modellbau erhältlich, welches Spannung, Strom, Drehzahl und Variodaten in einer sehr kompakten Einheit liefert. Bekannt sind auch die Varios von wsTech oder Renschler (Picolario).

Während sich die Hersteller bei der Auswahl der Sensoren einigermassen einig sind, unterscheidet sich vor allem das Packaging und die Konfiguration. Graupner tendiert dazu, möglichst viele Sensoren in ein einzelnes Kästchen zu packen. Das gilt auch für das Übertragungsprotokoll: Es gibt eine fixe Anzahl an Modultypen, welche das System automatisch erkennt: General Air (GAM), Electric Air (EAM), Speed controller (ESC), GPS und Vario. Diese Module kombinieren eine Vielzahl von Sensoren, das EAM zum Beispiel misst 14 Einzelzellen, Strom, Hauptspannung und zwei zusätzliche Spannungen, 2x Temperatur und hat ein Höhenmesser mit Vario. Einfachere Module wie der Sensor zur Einzelzellenüberwachung bis 4S melden sich wie ein „grosses“ Modul an, und liefern einfach keine Daten für die nicht vorhandenen Sensoren. Die Darstellung auf dem Sender erfolgt ebenfalls nach Modulen gruppiert.

Ein anderes Konzept verfolgen Futaba und Multiplex. Hier ist jeder Messwert einem eigenen Datenkanal zugeordnet. Es findet keine Gruppierung statt. Die Adressierung ist frei konfigurierbar, bei der Darstellung auf dem Sender lassen sich beliebige Werte kombinieren.

Das Modulprinzip von Graupner ist extrem einfach zu konfigurieren: Modul anstecken und gut ist, jeder Sensor hat seinen vordefinierten Platz. Der Preis dafür ist die Flexibilität: Jedes Modul kann nur einmal verwendet werden, bei einer mehrmotorigen Maschine kann z.B. nur ein Speed Controller Daten liefern. Oder ist sowohl ein EAM wie auch ein GPS installiert ist es nicht klar, welches Modul nun die Varioinformation liefert.

FrSky vereint die Nachteile der beiden: Jeder Sensor ist sein eigenes Modul, es sind aber keine individuellen Kanäle konfigurierbar. Das ist zwar sehr einfach, aber auch limitiert. Bei dem Preis für das System schaut man gerne darüber hinweg, eine grosse mehrmotorige scale Maschine wird aber eh kaum jemand damit fliegen wollen.

Graupner steckt relativ viel Intelligenz in die Sensoren. Die Schwellwerte für zulässige Spannungen oder Ströme sind im Sensor gespeichert, dort werden auch die Warnungen generiert. Das Electric Air Modul geht sogar so weit, dass es den Gaskanal begrenzen kann, wenn zu viel Strom fliesst oder die Akkuspannung zu niedrig ist. Das Konzept bietet einige Vorzüge: Die Daten können im Sensor schneller verarbeitet werden und so zum Beispiel auf Spannungsspitzen ansprechen, die für die normale Telemetrieauflösung zu kurz wären. Für Nachrüstsysteme ist die Speicherung der Konfiguration im Sensor ein riesen Vorteil, für integrierte Systeme dagegen wird es eher etwas unübersichtlich.

Grosse Displays am Sender sind nett, für Telemetrieinformation im Flug gibt es aber eigentlich nur eine sinnvolle Lösung: Sprachausgabe und akustische Warnungen. Die Aufmerksamkeit gehört dem Flieger, und wer in just den Situationen auf den Sender schaut, in welchen die Telemetrie die wichtigsten Informationen gibt, handelt fahrlässig: Akkuspannung unter Vollast, also zum Beispiel in einer Senkrechtpassage beim Kunstflug, oder die Höhe beim Segelfliegen an der Sichtgrenze. Für die Akkukontrolle vor dem Start oder die Strommessung beim Optimieren der Luftschraube ist das Display nützlich, aber dafür gäbe es auch andere Möglichkeiten ohne Telemetrie.

Ich bin ein Jahr mit Telemetrie aber ohne Sprachausgabe oder akustische Warnung für die Akkuspannung geflogen. Die Spannung prüfte ich jeweils beim gemütlichen Vorbeiflug via Display und habe dabei natürlich prompt einen Satz Akkus ruiniert, weil ich mich in falscher Sicherheit wähnte. Eine reine Flugzeituhr mit Sicherheitsmarge wäre besser gewesen.

Wer seinen bestehenden Sender gerne weiter verwenden möchte, findet Nachrüstkits mit Displays für Telemetrie. Häufig arbeiten diese im Verbund mit einem 2.4 GHz Sendermodul. Dies ist zum Beispiel beim FrSky System der Fall: Ein kleines Display wird vom Modul angesteuert und zeigt die wichtigsten Daten. Das funktioniert auch bei Graupner so. Bei Futaba hat das Modul einen eigenen 2.4GHz Empfänger eingebaut und ist somit unabhängig vom Sender. Ganz nett sind die Lösungen, welche das Smartphone via Bluetooth ins System einbinden und dieses für Sprachausgabe und Datenauswertung verwenden. Es gibt auch Lösungen, welche komplett unabhängig von der Fernsteuerung arbeiten: Bewährte Varios zum Beispiel verwenden eine 433 MHz Funkstrecke. Das Quanum System arbeitet mit 2.4 GHz für Akkudaten. Von letzterer Sorte würde ich tendenziell abraten, da diese unkoordiniert auf demselben Frequenzband und direkt neben dem Empfänger rumfunken.

Auf den ersten Blick bieten diese Lösungen einen kostengünstigen Einstieg in die Telemetrie. Inzwischen aber sind die Senderpreise so weit gefallen, dass ich persönlich davon Abstand nehmen würde. Abgesehen vom etwas unhandlichen Kabelwald stört vor allem die fehlende Verbindung zum Modellspeicher. Wer mal schnell auf dem Platz den Flieger wechselt, will nicht jedes Mal die Telemetrie konfigurieren, nur weil jetzt ein 3S statt 4S Akku drin ist oder das Vario im Motorflieger stumm sein soll. Als ich für mein FrSky System Sprachausgabe und ein Varioton wollte, hätte ich das zwar mit einem V-Speak Modul für gut 100.- noch nachrüsten können, aber das Konfigurationsgefummel wurde mir zu viel, dafür war gerade die MC-32 in Aktion…

Für Technikbegeisterte ist die Versuchung gross, möglichst alle verfügbaren Sensoren in jedes Modell zu stopfen. Schlussendlich aber werden nur wenige Daten wirklich im Flug gebraucht.

Im Elektroflug ist das Wichtigste die Spannungsmessung vom Antriebsakku. Wer den LiPo Akku schonen will, fliegt nicht wesentlich unter 3.4V pro Zelle unter Last. Die Spannungsmessung ist viel zuverlässiger als jede Motorzeituhr, da sie unabhängig von der Temperatur und dem allgemeinen Akkuzustand immer die massgebliche Grösse darstellt. Die Messung der verbrauchten Kapazität hilft, die verbleibende Flugzeit oder die verbleibenden Steigflüge im Motorsegler zu schätzen, ist aber für die Akkulebensdauer eigentlich irrelevant. Beim LiFePO sieht es etwas anders aus, da dieser Akku-Typ eine sehr flache Spannungskurve hat. Hier bietet die Kapazitätsmessung eine sehr nützliche Ergänzung.

Über den Sinn einer Einzelzellenmessung kann gestritten werden. Zwar ist die Zelle mit der niedrigsten Spannung die relevante, aber bei einem gesunden Akku sind die Unterschiede vernachlässigbar. Grössere Drifts erkennt man schon beim Laden und kann den Akku dann gelegentlich entsorgen.

Wird ein separater Empfängerakku eingesetzt, macht es natürlich Sinn, auch diesen zu überwachen. Ohne BEC misst der Empfänger in der Regel direkt die Spannung, andernfalls muss ein separater Sensor eingesetzt werden.

Das zuverlässigste Hilfsmittel, um einen verlorenen Flieger im Mais oder in den Bäumen zu finden, ist ein GPS Tracker, wie er letztes Jahr von Didi vorgestellt wurde. Ist dieser zu schwer oder zu unhandlich, leisten die kleineren Sensoren für die Telemetrie gute Dienste. Das Problem dabei ist, dass beim Abbruch der Funkstrecke keine Daten mehr kommen. War die Ursache des Absturzes ein technischer Defekt, dann kann zwischen Stromausfall und Aufschlag viel Strecke vergangen sein. Nicht alle Sender zeigen den letzten Wert an, der empfangen wurde – dann hilft nur noch die Logging-Funktion.

Die Geschwindigkeitsmessung per GPS ist auf den ersten Blick interessant, für uns Flieger aber nur bedingt hilfreich: Es handelt sich dabei um die Ground Speed, die weder Wind noch Höhenänderung berücksichtigt. Wer die Airspeed wissen will, braucht eine Messung basierend auf dem Staudruck.

Für Segelflieger ist ein gutes Vario das Dopingmittel schlechthin. Entsprechende Sensoren sind bei allen Herstellern bereits für wenig Geld im Programm. Der Piepser im Ohr hilft ungemein, kleine Bärte zu finden und darin zu zentrieren, während die gelegentliche Höhenansage die Bestätigung bringt, dass ein schwacher Schlauch auch tatsächlich trägt. Für den optimalen Einsatz muss man aber die Limitation der günstigen Sensoren kennen: Deren Messungen sind mit grossem Rauschen behaftet. Das wird man nur dadurch los, indem mittels mehr oder weniger ausgeklügelten Filtern das Signal geglättet wird. Konsequenz davon ist, dass die Resultate mit einiger Verzögerung ausgegeben werden. Der Pilot hört nicht was ist, sondern was vor etwa einer Sekunde war… Dasselbe gilt für die Knüppelthermik: Im richtigen Segelflieger wird mittels TEK-Düse die Geschwindigkeitsänderung mitberücksichtigt, so dass das Steigen unabhängig vom Höhenrudereinsatz angezeigt wird. Beim Fliegen müssen diese Effekte vom Piloten berücksichtigt werden. Andernfalls kann das Problem auch mit Geld gelöst werden: Wirklich gute Varios mit TEK-Düse und fein aufgelösten Sensoren gibt es schon länger für Modellflugzeuge. Die meisten Geräte von Drittherstellern funktionieren inzwischen auch mit den Telemetriesystemen der grössten Lieferanten von Fernsteuerungen, so dass man sich die separaten Funkstrecken sparen kann und von den Vorteilen der integrierten Lösung profitiert.

Die Datenflut der Sensoren kann während dem Flug kaum vernünftig verstanden werden, die Reduktion auf das Wesentliche ist notwendig. Die meisten Sender bieten aber auch die Möglichkeit, die Daten auf eine Speicherkarte zu schreiben, welche später am Computer ausgelesen und ausgewertet werden kann. Das ist insbesondere für die Antriebsoptimierung für die ersten paar Flüge interessant. Wie viel Strom wirklich im Steigflug gezogen wird, lässt sich am besten aus dem Log herauslesen. Oder auch Hinweise, ob der Akku die geforderte Leistung bringt und ob der Motor und Regler überhitzt.

Die Datenlogs können auch für die Fehlersuche hilfreich sein: In meiner Yak hatte ich bei warmen Wetter gelegentliche kurze Aussetzer der Steuerung. Aus dem Log konnte ich klar erkennen, dass jedes Mal ein Einbruch der Empfängerspannung vor dem Aussetzer stand: Ein klarer Hinweis, dass das BEC im Regler überlastet war, und nicht irgendein Wackelkontakt bei der Antenne die Ursache war. Mit dem Wissen war das Problem dann schnell behoben.

Alle Jahre wieder möchten uns die Hersteller eine neue Generation von Produkten verkaufen. Beim Umstieg auf 2.4 GHz lagen die Vorteile auf der Hand, und kaum jemand fliegt heute mehr mit dem alten System. Auch die Telemetrie wird sich als Standard durchsetzen, allerdings ist der Umstieg weniger dringend: Auch mit der guten alten Flugzeituhr lassen sich Akkus schonen. Wer es allerdings mal hat, möchte es nicht mehr missen.

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