Gourt Home::Gourt :: Funkfernsteuerung
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.
Entwicklung
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.
Im 2. Weltkrieg
Während des Zweiten Weltkrieges wurden Funkfernsteuerungen hauptsächlich in Deutschland, für eine Reihe von Flugobjekten verwendet. Das Ziel war insbesondere die Entwicklung funkgesteuerter Flugkörper und Gleitbomben 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 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 und durch deren Schwingen wurden die Steuerimpulse für die Ruder ausgelöst.
Aktuelle Technik
Der Einsatz der Mikroelektronik erlaubte bald die Übertragung sehr komplexer Signale. Während frühe Steuersysteme einige wenige Schaltbefehle über Frequenzumtastung (MFSK;Tip-Tip; veraltet) 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. Die Befehlkanäle werden dazu per Pulsweitenmodulation (PWM, ungebräuchlich), Pulsphasenmodulation (PPM) oder Pulscodemodulation (SPCM, PCM) übertragen und betätigen die verschiedenen Steuergrößen mit Servomotoren. Da bei Frequenzumtastung zur Übertragung einer Steuerfunktion (z.B Höhen oder Seitenruder) zwei Schaltkanäle benötigt wurden, wurde diese Zählweise teilweise für Digital-propotionale Funkfernsteuerungen übernommen. Ein Sender mit 4 proportionalen Befehlskanälen wird so zum 8-Kanal Sender.Mit Einführung digitaler Technik hat der Funktionsumfang aktueller Fernsteuerungen drastisch zugenommen. Dabei lassen sich Funktionen 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 (SPCM, PCM) verbessert 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 Kanalwerte übertragen werden, die sich geändert haben.
Funktion
Signalaufbau
Bei den heute im Modellbau verwendeten Systemen ist die Pulsphasenmodulation PPM am weitesten verbreitet. Dabei überträgt der Impulsabstand die proportionale Steuerfunktion. Die Impulse mehrere Funktionen folgen unmittelbar aufeinander und bilden ein Impulstelegram. Das Impulstelegram wird etwa alle 14 bis 20 Millisekunden wiederholt. Dabei bildet sich eine etwas längere Pause zwischen zwei aufenanderfolgenden Impulstelegramen, die zur Synchronisation der ersten Steuerfunktion benutzt wird. Diese Technik ist seit den 1970er Jahren – mit positiven und negativen Impulsen - verbreitet.Bei der Pulscodemodulation, abgekürzt „PCM“, werden die Steuerfunktionen als numerische Werte in einem digitalen Datenstrom übertragen. Zusätzliche Prüfinformationen erlauben auch die Wiederherstellung stark verstümmelter Datenströme und erhöhen somit die Übertragungssicherheit. Zusätzlich erlauben zusätzliche Daten im Datenstrom Funktionen des Empfängers oder der Servos und Steller zu verändern.
Eine Funkfernsteuerung ist konzeptionell und meist auch im Aufbau in die Komponenten Sender, Empfänger und Servos oder Steller gegliedert:
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 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, in pulsweitenmodulierte Signale umgesetzt und in der HF-Stufe auf die Sendefrequenz moduliert.
In Europa sind die Frequenzbänder 27, 35, 40 und 433 MHz, in den USA auch 72 MHz für Fernsteuerungen zugelassen, wobei die genaue Frequenz am Sender durch Quarze festgelegt wird. Weiterhin sind in einigen Ländern auch Frequenzen in 41 und 75 MHz und im 2,4GHz Band zur Fernsteuerung von Modellen freigegeben.
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 (SPCM, PCM, PPM), 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.Der Empfänger benötigt ein zum Senderquarz passenden Empfängerquarz, dessen Frequenz allerdings um den Betrag der ersten Zwischenfrequenz von der Sendefrequenz abweicht, da er die Frequenz des Referenzoszillators einstellt.
Servos / Steller
Die Servomotoren verarbeiten die Impulsfolgen mit integrierten (Chip-)Decodern. 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 haben Servos beachtliche Haltemomente.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).
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
"Funkfernsteuerung"