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fpv – So gelingt das Fliegen aus Onboard-Sicht

13. Januar 2015

Seit einigen Jahren etabliert sich auch in Deutschland unaufhaltsam eine FPV-Szene (FPV: First Person View, Fliegen aus Pilotensicht, auch Immersionsflug genannt). Für Normalverbraucher war das wegen der Bastelei an der erforderlichen Video-Übertragung vom Modell zum Piloten und den speziellen Fluggeräten zunächst weitgehend unerreichbar. Die Technik wurde aber schnell unkomplizierter und ausgereifter. Jetzt kommen sogar erste FPV-Systeme als RTF-Sets preiswert und flugfertig aus der Schachtel. Im Folgenden verraten wir, was man für den erfolgreichen Einstieg in den Immersionsflug wissen muss.

Wenn die Sonne langsam über den Horizont steigt und das Summen der Motoren den Beginn eines langen Fluges verkündet, lehnen wir uns in froher Erwartung in unserem Pilotensitz zurück. Fernen Landschaften werden wir einen Besuch abstatten, vom Rauschen des Fahrtwinds begleitet gleiten wir über die Gipfel der höchsten Berge, tief unter uns künden zerfaserte Nebel und Wolkenfetzen vom ständigen Wechsel des Wetters. Eiskristalle funkeln Diamanten gleich im tiefblauen Himmel, während wir den Alltag auf einem im Wolkenmeer versinkenden Planeten zurücklassen. Fliegt man in einem Hängegleiter stundenlang in der Thermik, so vergisst man sehr schnell das Fluggerät um sich herum und fühlt sich frei wie ein Vogel. Eine gute FPV-Videobrille lässt den Betrachter unter zurückdrängen der aktuellen Realität in eine andere Realität eintauchen und erfüllt nach Aussagen von Kennern den Traum von Fliegen – zumindest ansatzweise.

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Gesetzeslage

Verfolgt man FPV-Aktivitäten im Internet und in der Berichterstattung, so fallen einige Individuen durch spektakuläre, ungesetzliche Aktionen auf, umgeben von einer Schar von Anbetern, die jede noch so fragwürdige Aktivität frenetisch bejubeln. Daher ist es besonders für FPV-Rookies wichtig, sich mit der geltenden Rechtslage zu beschäftigen. Und wir können Euch beruhigen: Auch ohne gegen Gesetze zu verstoßen, ist FPV immer noch eine spannende ­Angelegenheit.

Der FPV-Einsteiger wünscht sich zunächst ein preiswertes, einfaches System, mit dem er nach dem Motto „Auspacken und Losfliegen“ risikolos erste Erfahrungen sammeln kann. Das hat auch Walkera erkannt und rüstet seine Multikopter und Hubschrauber mit einfachen FPV-Systemen aus, die ohne spezielles Wissen aus der Schachtel heraus genutzt werden können. Nach allgemeinen Überlegungen zu FPV wollen wir uns mit diesen Systemen beschäftigen, gefolgt von einem Ausblick auf Geräte für gehobenere Ansprüche für nicht gewerbliches FPV.

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Beschränkt

Die Reichweite bei FPV wird primär durch die Leistung des Senders im Modell begrenzt, der das Videosignal zum Piloten überträgt. Weil die Fernsteuerungen auf 2,4 Gigahertz (GHz) arbeiten, ist dieser Frequenzbereich zur Vermeidung von Störungen für FPV tabu. Man weicht auf den ebenfalls freigegebenen Bereich bei 5,8 GHz aus. Dort sind Sendeleistungen von maximal 25 Milliwatt EIRP (Effective-Isotropic-Radiated-Power) auf mehreren Frequenzbändern zu je 8 Kanälen (zum Beispiel A- und B-Band) zulässig. Man kann auch 7 Frequenzen gleichmäßig über den allgemein zugelassenen Bereich von 5.725 bis 5.875 Megahertz verteilen, wie es das Airwave-Band macht.

Im einfachsten Fall wird die Sendeleistung über eine Stabantenne linear polarisiert abgestrahlt und vom Empfänger mit einer entsprechenden Antenne empfangen. Dabei ist unbedingt zu beachten, dass eine Stabantenne in Richtung des Stabs weder abstrahlt noch empfängt. Die Sendeantenne darf also nie auf den Empfänger und die Empfangsantenne nie auf den Sender zeigen. Auch wenn die Antennen um 90 Grad überkreuz stehen, ist keine Übertragung möglich.

Ideal ist, wenn die Antennen parallel stehen, und sich gegenseitig in voller Länge „sehen“ können. Es dürfen keine Gegenstände am Modell oder im Gelände die direkte Sicht der Antennen aufeinander behindern (am problematischsten sind hier Pilot und Zuschauer). Hohe Frequenzen breiten sich fast so aus wie Licht, und nur wenige Materialien sind für die Strahlung voll durchlässig. So können Reichweiten von einigen hundert Metern erzielt werden.

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Etwas mehr

Bei einwandfreier Lageerkennung und ständigem direktem Sichtkontakt zum Modell wären einige hundert Meter Reichweite voll ausreichend. Leider ist die optimale Antennen-Geometrie aber beim Flug nicht einzuhalten, auch kann es zu einer teilweisen Abschattung der Antenne am Modell kommen. An Gegenständen reflektierte Anteile der Funkwelle können zu extremen Bildstörungen führen. Das alles reduziert die Reichweite drastisch.

Abhilfe schafft eine sorgfältige Montage der Antenne am Modell, zum Beispiel senkrecht nach unten frei sichtbar. Das Modell darf dann aber nicht genau über dem Piloten fliegen. Probleme mit reflektierten Wellen können mit einem Diversity-Empfänger weitgehend ausgeschaltet werden, der das mit zwei oder mehr räumlich getrennten Antennen empfangene Signal entsprechend auswertet. Auch zirkular polarisierte Antennen können bei schlechten Empfangsbedingungen hilfreich sein. Richtantennen vergrößern die Reichweite auf mehr als 1.000 Meter und können mit GPS dem Modell nachgeführt werden. Für unser Einsteiger-FPV ist das aber nicht von Interesse.

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Bei Antennen achtet man auf den in dB angegebenen Antennengewinn. Dabei bedeutet für Sende-/Empfangsantennen eine Stufe von 3dB jeweils eine Verbesserung um den Faktor zwei. Eine Richtantenne mit Gewinn 9dB (3+3+3) ist also um einen Faktor 2x2x2 = 8 besser als ein ungerichteter Kugelstrahler mit Gewinn 0dB. Die normale Stabantenne hat einen Gewinn von etwas mehr als 2dB, im Vergleich dazu wäre eine Antenne mit 8dB (2+3+3) viermal (2×2 = 4) besser. Viermal besser bedeutet doppelte Reichweite, weil die Reichweite mit der Wurzel aus der Antennenleistung steigt. Sollten mal höhere Sendeleistung erlaubt sein, wäre das gut. Zum Beispiel würde 4- beziehungsweise 9-fache Sendeleistung die Reichweite um den Faktor v4 = 2 beziehungsweise v9 = 3 erhöhen. So verführerisch es auch sein mag: Vor der Reichweiten-Steigerung mit illegaler Sendeleistung sei ausdrücklich gewarnt. Sie kann unabsehbare Folgen haben. Alle Teile müssen CE-geprüft sein, nur dann sind Sendeleistung und Sendefrequenzen legal.

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Leistungsangaben in EIRP bedeuten, dass Sender und Antenne zusammen getestet werden. Eine andere Sendeantenne ist nur dann zulässig, wenn der EIRP-Wert eingehalten wird. Eine geänderte Antenne am Sender erhöht die Reichweite also nicht durch mehr Leistung, sondern durch bessere Antennen-Geometrie. Die Empfangsantenne kann hingegen beliebig hohen Gewinn haben und bietet somit eine ideale Möglichkeit zur Steigerung der Reichweite, wobei allerdings mit zunehmender Verbesserung (hoher dB-Wert) die Antenne immer genauer auf das Modell ausgerichtet werden muss. Wichtig ist auch, dass der Fußpunkt-Widerstand (Impedanz) der Antenne zum Empfängereingang passt. Ist das nicht der Fall, kommt es zu stehenden Wellen auf der Antennenleitung und es geht Energie verloren. Antennen und Empfänger sind so wichtig, dass wir in einer späteren Folge ausführlich darüber berichten werden.

Besser Messen

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Reichweite ein ausgesprochen relativer Begriff ist. Beim Videobild kann es in jedem Fall zu Störungen kommen. Sind diese nur kurz, ist das kein Problem und man ist innerhalb der Reichweite. Treten die Störungen länger und häufiger in Erscheinung, wird das Fliegen unmöglich und man ist außerhalb der Reichweite. Einen starken Einfluss hat das Wetter, insbesondere die Luftfeuchtigkeit. In Innenräumen wird bereits eine eisenarmierte Betonwand das Signal vollständig absorbieren und es gibt massive Störungen durch reflektierte Wellen. Nie sollte man versehentlich den Körper zwischen Empfänger am Boden und Sender im Modell bringen.

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Legal auf große Reichweite testen ist so möglich: Ein Helfer entfernt sich mit der Empfangsanlage, der Pilot fliegt dann einige Runden ganz normal mit dem Modell, bevorzugt in ungünstiger Antennenlage relativ zur Empfangsantenne. Kommt es zu keinen gravierenden Störungen im FPV-Bild, so ist die Reichweite sicher. Vereinfachtes Verfahren: Der FPV-Sender mit Kamera wird fest in etwa 1,50 Meter Höhe so angebracht, dass die Antenne korrekt ausgerichtet frei strahlen kann. Der Helfer entfernt sich mit dem FPV-Empfänger und beobachtet, ab welcher Entfernung beim Drehen des Empfängers in ungünstige Antennenlagen die ersten gröberen Störungen auftreten. Zur Entfernungsmessung verwendet man ein GPS oder die Randpfosten (je 50 Meter) einer einsamen Landstraße.

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Fliegendes Auge

Kameras für FPV müssen je nach Größe des Modells sehr klein und leicht sein. Die erforderliche Bildqualität ist bei einfachen FPV-Anwendungen nicht sehr hoch, weil nur ein FBAS-(CVBS-) Bildsignal übertragen wird. FBAS ist ein Videostandard zur analogen Übertragung eines Farbbilds mäßiger Qualität über eine einzige Leitung, das Tonsignal wird extra übertragen. An Videogeräten ist der FBAS-Anschluss oft gelb markiert, der Tonanschluss weiß (bei Stereo weiß und rot).

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Für einfaches FPV reicht also eine Kamera mit geringen Anforderungen, schon wegen der Optik und Haltbarkeit sollte es aber dennoch eine gute Qualität sein. Normalerweise sind CCD-Kameras von besserer Bildqualität als CMOS-Kameras, haben aber einen höheren Stromverbrauch und Preis. Wer auch Videos machen will, sollte eine Kamera mit integriertem SDHC-Kartenslot wählen, die Videos in einfacher (720p) HD-Qualität aufzeichnen kann. An größeren Modellen können auch größere und schwerere Kameras zum Einsatz kommen, die perfekte HD-Qualität liefern.

Wichtig für die Bildqualität ist auch das Kompressionsverfahren, bei dem der Datenstrom in der Kamera mehr oder weniger stark bearbeitet und komprimiert wird. Hohe Kompression kann die Qualität stark verringern. In der Praxis hilft einzig und alleine eine Betrachtung von entsprechenden Testvideos. Auf preiswerte und stabil funktionierende HD-FPV-Systeme werden wir wohl noch eine Weile warten müssen. Die digitale Übertragung ist nicht unproblematisch, und eine analoge Übertragung ist wegen der großen Bandbreite des HD-Signals kaum sinnvoll.

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Visualisierung

Zur Betrachtung des Bilds am Boden verwendet man entweder einen gelegentlich schon im Fernsteuersender integrierten Monitor oder eine Videobrille. Bei einfachem FPV reicht dabei eine VGA-Auflösung, um das gesendete FBAS-Signal darzustellen. Eine Brille sollte möglichst auf den Augenabstand des Beobachters und seine Sehschärfe (Brillenstärke) einstellbar sein. Ein in die Brille integrierter Empfänger mit Stromversorgung vermeidet Kabelsalat. Einige Brillen haben einen Headtracker integriert und können Kopfbewegungen auf die Kamera im Modell übertragen. So kann der Beobachter seine Blickrichtung aus dem „Cockpit“ hinaus in die Richtung lenken, in die er den Kopf dreht. Im günstigsten Fall kommt so nach einiger Gewöhnung der Eindruck zu Stande, als säße man tatsächlich selbst im Flieger. Für erste FPV-Versuche ist eine feststehende, nach vorne schauende Kamera jedoch die bessere Lösung.

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Simulator

Natürlich ist FPV-Fliegen auch für versierte Piloten ungewohnt und man muss mehr oder weniger üben. Voraussetzung ist zumindest die volle Beherrschung des Modells im Flug mit Heckansicht, wie sie auch bei FPV vorliegt; vorher sollte man keine FPV-Versuche starten. Idealerweise lernt man am Lehrer-Schüler-Kabel. Im Prinzip kann man auch mit jedem Simulator trainieren, der einen Cockpitmodus bietet. Wir haben für 10,– Euro eine CD mit EasyFly3 SE bei Conrad erstanden, der ohne Dongle mit einem beliebigen Joystick wie zum Beispiel einem Modellcraft USB-Sender funktioniert. Hier nutzen wir zum Training den Heli Eco7 im Cockpitmodus in der Hawaii-Landschaft.

Wer vorhat, ernsthaft in FPV einzusteigen, sollte nicht an der falschen Stelle sparen und einen richtig auf FPV spezialisierten Simulator wählen, wie den von GlobeFlight für 70,– Euro angebotenen AeroSIM-RC. Die Dongle mit angeschlossenem Devo-Sender funktioniert zuverlässig an den USB 2-Ports unseres PC. Die Deutsche Version 4.01 kommt zweckorientiert mit einfach gestrickten Landschaften daher, an den für FPV wichtigen Möglichkeiten wurde aber nicht gespart. Modelle sind FPV bestückt, haben OSD zur Anzeige aller relevanten Flugdaten inklusive GPS und sind mit Kamera-Stabilisierung sowie Pan/Tilt ausgestattet. Es gibt eine große Zahl von Funktionen zur Anpassung der Flugeigenschaften an die persönlichen Bedürfnisse. Man kann einen Modellspeicher im Sender für die Simulation anlegen und dort ebenfalls Einstellungen wie Dual Rate, Expo und Gaskurve vornehmen. Für erste Versuche sollte man den Gaui Quadcoper mit einer lammfrommen Einstellung (Dual Rate 70, Expo 20) wählen und eventuell noch die Geschwindigkeit der Simulation halbieren. Mit einem HDMI/Composite-Konverter kann man das Bild vom PC auf eine Videobrille legen und sogar einen Headtracker nutzen – das ist dann FPV-Training in Perfektion.

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