Informationsabend NOS, 10. Feb 2012 Raphael "trappy" Pirker Sales & Marketing, Team BlackSheep Switzerland

Informationsabend NOS, 10. Feb 2012

Raphael “trappy” Pirker
Sales & Marketing, Team BlackSheep
Switzerland

FPV (First Person View) Flug mit
Modellflugzeugen und einem Video-downlink

   Einführung
   Technologie
   Challenges
   Zukunft

   … und natürlich Videos 
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Informationsabend NOS, 10. Feb 2012

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   Gründung vor ca. 2 Jahren um Bemühungen zu
    zu bündeln, FPV Videos zu erstellen und Ideen
    auszutauschen und zu realisieren
   Kleines Gewerbe in Hong Kong das spezialisierte
    Drohnen entwickelt und Videodienstleistungen
    anbietet
   Grösster Pool an Wissensträger in der FPV Szene
   Halter von diversen inoffiziellen Rekorden
   Bekannt durch provokative Videos, waghalsige
    Stunts und schöne Alpen-Videos

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   Flug eines Modellflugzeuges aus der Perspektive
    des Modellflugzeuges
   Verwendung von bereits verfügbaren
    Komponenten der Sicherheitsbranche für eine
    sichere und verlässliche Videoübertragung
   Simulation des Flugerlebnisses in einer realen
    Umgebung
   Navigations- und Telemetrie-tools on board als
    Unterstützung
   Die Welt als Superman neu entdecken

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   Flugzeugkonstruktion
     Aerodynamik, Konstruktion
   Funktechnik
     Signalausbreitung, Modulation, Antennen
   Flug
     Navigation, Luftrecht, Wetter
   Elektronik
     Sensorik, EM filtern, saubere Kabelbäume,
     kritische Lötstellen
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 Typische Drohne: Kontrolliert durch einen
  Operateur, ein Computer als Pilot
 Technologie aber nicht mehr eindeutig
  unterscheidbar
 Hauptunterschiede: Latenz, Line of Sight,
  Reichweite, Flugzweck (Avatar vs.
  Überwachung)

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   Verschiedene Flugzeuge in diversen Grössen fast
    ausschliesslich aus Styropor (EPP, EPO, …)
   Mehrheitlich Nurflügler
     Einfachheit, Robustheit, Sicherheit
   Früher wurde verwendet was es im
    Modellbauladen um die Ecke gab. Mittlerweile
    aufgabenspezifische Flugzeuge:
     Präzise steuerbare Flugzeuge, agil
     Selbststabilisierende Flugzeuge (Videoproduktion,
      Überwachung)
     Long range (effiziente) Flugzeuge

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   Design aus Arizona, USA, von TBS
    Anforderungen entwickelt und ständig
    weiterverbessert
   Ca. 1000 Zephyrs derzeit in Betrieb
   1.4m Spannweite, 2 – 2.5kg
   40 – 150 km/h
   Bis zu 90 min. Flugzeit
   Mögliche Höhe über Grund: 5600m
   Antrieb: 750W, 4S 6.6Ah
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 Verwendung von Technik aus dem Überwachungs-
  und Spionage-Markt, zunehmend massgeschneiderte
  Produkte
 Analoge Videoübertragung in diversen Frequenzen
  und Sendestärken zw. 10mW bis 2.5W
     5.8GHz, 2.4GHz, 1.28GHz, 900MHz
   Grösse und Gewicht: ca 15-20g, Briefmarkengrösse
   Reichweiten:
     7km mit 25mW @ 5.8GHz
     10km mit 10mW @ 2.4GHz
     87km mit 500mW @ 2.4GHz
   Qualität: Ca. äquivalent zu 480p YouTube video,
    Röhrenbild Fernseher
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 Frequenz = Wellenlänge
 Doppelte Frequenz = halbe Wellenlänge
 Doppelte Wellenlänge = halbe Reichweite
 Doppelte Wellenlänge = Doppelte
  Antennengrösse
 Je höher die Frequenz desto anfälliger auf
  «Line of Sight»
 Je höher die Frequenz desto anfälliger auf
  Reflektionen
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   Linear polarisierte Antenne
       Horizontal vs. Vertikal
       Signal tritt als Welle aus der Antenne aus
       Kreuzpolarisierung (90° Verschiebung) = -26dB
       Polarisierung ändert sich bei Reflektion nicht
   Zirkular polarisierte Antenne
       RHCP vs. LHCP
       Signal tritt als Schraube aus der Antenne aus
       Kreuzpolarisierung (RHCP LHCP) = -26dB
       Polarisierung ändert sich bei Reflektion
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   Anntenenstärke wird in dBi ausgedrückt
     Grad der Bündelung
     6dBi mehr Bündelung = Doppelte Reichweite
   Vierfache Sendeleistung = Doppelte
    Reichweite

   Fazit: Reichweite wird nicht durch
    Sendeleistung erreicht, sondern durch
    Frequenzwahl, Antennenwahl und
    Polarisations-matching
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   Hochspezialisierte Kameras notwendig
     Keine Einstellmöglichkeit wärend dem Flug
     Sich ändernde Lichtbedingungen
     Temperaturunterschiede und Wetterbedingungen
     Grösse und Gewicht minimal
     Vibrationsresistente Sensorik

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   Heads-up Display mit Flugzeug Daten
     Geschwindigkeit, Höhe, Distanz zum Pilot,
     Batterieinfo, RSSI
 Digitale information im Video oder
  Audiosignal encodiert und in der
  Bodenstation interpretiert
 Automatisiertes Antennentracking,
  iPad/iPhone Applikationen mit Google Earth

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   Derzeit verfügbare Systeme
     Zweite Generation R/C (35MHz): 5-8km
      Reichweite, analog, kein RSSI
     Neuste Generation R/C (2.4GHz): 1-4km
      Reichweite, digital, mit RSSI
     FPV Generation R/C (433MHz): 50 – 80km range,
      digital, RSSI, teilweise Lizenzpflichtig bzw.
      Einzelgenehmigung erforderlich

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   Übergang zu Drohnen
   Die neusten OSDs können bereits
     Stabilisierung und fly by wire
     Return To Home (RTH)
     Waypoint Navigation (Autopilot)
   Achtung: Keine Kollisionswarnung! 
   Derzeit in Entwicklung: Flugzeug-zu-
    Flugzeug Kommunikation, lernende
    Autopiloten
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   Flugerlebnisse
   Erkundung neuer Umgebungen

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   «Was macht also die Blacksheep-Gruppe mit ihren FPV-
    Flugzeugen? Ohne Sichtkontakt zu Modell [...], auf eine
    nichtprofessionelle und wohl auch nicht ganz legale
    Elektronik vertrauend, auf illegalen Frequenzen funkend,
    durch Städte rasen [...].»
    Michal Sip, Modell Aviator 09/2011

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   Legaler Status Schweiz / EU
   Rechtliche Definition: Drohne
     Flugzeug ausserhalb visuellem Sichtkontakt:
      Drohne
     Drohne lizenzpflichtig
     Lizenz nur sehr schwer zu bekommen (und teuer)
   Hand-over durch Mehrfach-Empfänger-
    Betrieb und Verfolgungsautos nicht gern
    gesehen, aber streng genommen Legal
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   Lizenzfrei:
     433MHz ohne Sonderlizenz nicht möglich
     2.4GHz analog video @ 10mW, digital @ 100mW
     5.8GHz analog video @ 25mW, digital @ 500mW
   Lizenzfreies equipment benötigt das CE Prüfzeichen
   Derzeit wenig equipment CE-zertifiziert
     Kosten
     Rentiert, sobald FPV Massentauglich
   Schweiz, Deutschland, 433MHz: Frequenzen wären
    verfügbar (CH: leider Ende 2012 ausgemustert),
    allerdings Einzelzulassung wegen fehlender CE-
    Zertifizierung der Module nötig

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   Amateurfunklizenz
     2 Klassen (Stufen).
      ▪ Stufe 1: sehr einfach, ermöglicht den legalen Betrieb
        von 433MHz Systemen mit bis zu 75W
      ▪ Stufe 2: deutlich komplexer, ermöglicht den legalen
        Betrieb von den meisten FPV Systemen – auch ohne CE
        zertifizierung – solange die Geräte in den dafür
        vorgesehenen Frequenzbereichen operieren

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   Einzelgenehmigungen:
     Nutzung von speziellen Frequenzen benötigen
      keine Amateurfunklizenz für den Betrieb
     Einzelzulassung des entsprechenden Gerätes
      nach Prüfung der Funkaufsichtsbehörde

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   Fazit: Der Mythos der «Illegalen Frequenz» ist
    Schwachsinn.
     Hersteller haben kein Interesse daran, Sender für
      nicht vorhergesehene Frequenzen zu entwickeln
     Einzelzertifizierung einfach und nicht teuer
     Für die meisten Fälle allerdings sinnlos: Innerhalb
      des Sichtbereiches kann man mit lizenzfreien
      Sendern fliegen
     Höhere Sendeleistung dient lediglich zur
      Absicherung (höhere Ausfallsicherheit)
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WICHTIG: Durch den sachgemässen Betrieb
von 2.4GHz FPV Systemen wird der Modellflug

            NICHT
beeinträchtigt. Der FPV Flug allerdings schon.

2.4GHz R/C und 2.4GHz FPV können auf dem
   selben Modell nicht betrieben werden.
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 Einfache Plug & Play systeme
 Tracking, Video-Empfänger, Diversity in
  einem
 Komplexität sinkt, Kosten sinken
     Reichweite sinkt
     Ausfallsicherheit steigt
     “Sozialverträglichkeit” steigt

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   In ferner Zukunft: Digitales Video-
    übertragungsystem für Hobbybereich
    erschwinglich und geeignet
   Derzeit erschwert durch:
       Kompressionsalgorithmus
       Hoher Bandbreitenbedarf
       Latenz
       Stromverbrauch
       Komponentengrösse
       Kosten

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 Legaler Bestimmungen erlauben hohe
  Sendeleistung dank FHSS
 Digitale Systeme bieten mehr technische
  möglichkeiten zur Ausfallsicherheit und
  Reichweitenoptimierung
 Ziel
     Kreditkartengrosser Sender, $1000 USD
     komplettsystem, Reichweiten bis zu 30km, ohne
     Sonderlizenz betreibbar
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   USA erlaubt FPV für Modellflug auch ausserhalb
    des Sichtbereiches
     «AC 91-57» derzeit
     FAA Modernization Act of 2012 seit Vorgestern (!!!) als
      Draft
   Europa traditionell konservativer
     Schweiz als liberal im Vergleich zu anderen Ländern
     Mittelfristig führt an einer Neuauflage der Regelung
      kein Weg vorbei
      ▪ Einführung der digitalen Übertragungstechnik
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Website: www.team-blacksheep.com
E-Mail: trappy@gmail.com

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