IMU = Der „Gleichgewichts- und Bewegungssinn“ der Drohne

Die IMU (Inertial Measurement Unit) ist das Sensorsystem, mit dem eine Drohne „fühlt“, wie sie sich bewegt. Sie erkennt ständig Drehungen, Neigungen und Richtungsänderungen und hilft der Drohne, ihre eigene Bewegung in der Luft zu verstehen.

Ohne IMU wüsste die Drohne nicht, ob sie gerade waagerecht ist, kippt oder sich dreht. Die IMU liefert dem Flight Controller fortlaufend Informationen über Bewegung und Ausrichtung, damit die Drohne im Gleichgewicht bleibt und sofort auf Veränderungen reagieren kann.

• Gyroskop – erkennt, wie schnell und in welche Richtung sich die Drohne dreht.

• Beschleunigungssensor – erfasst Schwerkraft und Beschleunigung, um Neigung und „Level“ zu bestimmen.

• Magnetometer – misst das Erdmagnetfeld, um die Richtung (Heading) zu bestimmen.

Zusammen ermöglichen diese Sensoren der Drohne, ihre Bewegung und Ausrichtung zu verstehen – selbst bei schnellen Manövern oder plötzlichen Richtungswechseln.

Während des Flugs sammelt die IMU kontinuierlich Rohdaten aus ihren Sensoren. Diese Daten werden anschließend bereinigt, korrigiert und per Sensorfusion kombiniert, um Rauschen zu reduzieren und Drift über die Zeit auszugleichen.

Statt Rohsignale weiterzugeben, liefert die IMU klare Lage-Informationen: wie stark die Drohne nach links/rechts rollt, nach vorne/hinten nickt und in welche Richtung die Nase zeigt.

Diese Informationen gehen hunderte Male pro Sekunde an den Flight Controller – so bleibt die Drohne stabil, ruhig und vorhersehbar in der Luft.

Bei der Gyroskop-Kalibrierung „lernt“ die IMU, was „perfekt ruhig und waagerecht“ bedeutet. Dabei speichert die Drohne einen Referenzzustand, damit sie Drehungen und Bewegungen im Flug korrekt erkennen kann.

Eine Kalibrierung ist empfehlenswert, wenn die Drohne beim Start leicht driftet, im Schwebeflug schief wirkt oder nach Transport, Firmware-Updates oder leichten Stößen.

Kompass = Der „Richtungssinn“ der Drohne

Der Kompass hilft der Drohne zu verstehen, in welche Richtung sie zeigt. Er funktioniert wie ein elektronischer Kompass: Er misst das Erdmagnetfeld und liefert die Kursrichtung (Norden, Süden, Osten, Westen).

In der Drohne übernimmt das ein winziger Sensor, das Magnetometer.

Die IMU hält die Drohne im Gleichgewicht, kann aber keine absolute Himmelsrichtung bestimmen. Der Kompass liefert eine feste Referenz („Wohin zeigt die Nase?“), damit die Drohne korrekt drehen, geradeaus fliegen und sicher navigieren kann.

• Er hilft, dass die Drohne beim Stick-Eingang wirklich in die gewünschte Richtung fliegt.

• Er unterstützt Navigationsfunktionen wie Return-to-Home (RTH).

• Er reduziert ungewolltes Drehen, seitliches Driften oder „Orientierungsverlust“.

Sind die Kompasswerte falsch, kann sich die Drohne von selbst drehen, seitlich wegdriften oder sogar in die falsche Richtung „zurückkehren“.

Das Magnetometer misst das umgebende Magnetfeld und vergleicht es mit dem natürlichen Erdmagnetfeld. So kann die Drohne ihre Kursrichtung abschätzen.

Magnetwerte werden jedoch leicht durch Metall, elektrische Ströme und Elektronik beeinflusst. Deshalb ist die Kompasskalibrierung wichtig: Sie hilft der Drohne, das Erdmagnetfeld von lokalen Störungen am aktuellen Ort zu trennen.

Ist der Kompass nicht korrekt kalibriert (oder die Umgebung magnetisch „verschmutzt“), kann die Drohne im Schwebeflug eine seltsame Kreisdrift zeigen – oft bezeichnet als „Toilet Bowl Effect“.

Bei der Kompasskalibrierung lernt die Drohne, wie ein „normales“ Magnetfeld am aktuellen Standort aussieht. Da magnetische Bedingungen je nach Ort variieren, sorgt eine saubere Kalibrierung für eine genauere Kursbestimmung.

Sicherheitstipp – Wo sollte man den Kompass kalibrieren?

Wann sollte man den Kompass kalibrieren?

• Wenn die Drohne neu ist oder gerade repariert wurde.

• Wenn Sie an einem neuen Ort fliegen, weit entfernt vom letzten Startpunkt.

• Wenn die App einen Kompassfehler oder eine ungewöhnliche Kurswarnung zeigt.

• Nach einem Crash oder starken Stoß.

Wie kalibriert man den Kompass?

Was passiert, wenn der Kompass nicht korrekt kalibriert ist?

Wird die Kalibrierung übersprungen oder in einer magnetisch belasteten Umgebung durchgeführt, kann der Flight Controller falsche Kursdaten erhalten. Das kann zu seitlichem Driften, unerwarteter Rotation, ungenauer Return-to-Home-Richtung oder zu einer typischen Schwebeflug-Instabilität führen – dem Toilet Bowl Effect (TBE).

Was ist der Toilet Bowl Effect (TBE)?

Der Toilet Bowl Effect beschreibt eine Situation, in der eine Drohne statt stabil zu schweben in immer größer werdenden Kreisen um einen Punkt fliegt – ähnlich wie Wasser, das sich in einer Toilettenschüssel dreht.

Typisches Flugverhalten

• Die Drohne dreht sich langsam von selbst.

• Gleichzeitig driftet sie seitlich.

• Der Kreis wird mit der Zeit immer größer.

Was passiert dabei im Flight Controller?

Aus Sicht der Flugsteuerung entsteht der Toilet Bowl Effect, wenn sich die drei wichtigsten Richtungs-/Bewegungssysteme nicht einig sind:

Kompass-Kurs ≠ GNSS-Bewegungsrichtung ≠ IMU-Lageberechnung

Der Flight Controller korrigiert dann einen Drift, der in dieser Form gar nicht existiert. Jede falsche Korrektur erzeugt neue Fehler – so wächst die Spiralbewegung mit der Zeit.

Was verursacht den Toilet Bowl Effect?

• Falsche Kompasskalibrierung in der Nähe von Stahl, Autos, Gullydeckeln oder starken Magnetquellen.

• Indoor einschalten ohne GPS und dann draußen in der Luft auf GPS-Modus wechseln.

• Magnetische Störungen durch Motorstrom, Kabel oder eine Batterie zu nah am Magnetometer.

• Beschädigung oder Alterung der Kompass-Hardware nach Crashs oder Wassereinwirkung.

Was sollten Piloten tun?

Bei ersten Anzeichen des Toilet Bowl Effect sollten Sie:

• Sofort landen.

• Den Kompass draußen in einer sauberen, offenen Umgebung neu kalibrieren.

• Vor dem Weiterflug mögliche Störquellen prüfen und Abstand zu Metall/Elektronik halten.

Barometer = Der „Höhensinn“ der Drohne

Das Barometer hilft der Drohne zu erkennen, wie hoch sie fliegt. Es misst Veränderungen des Luftdrucks und wandelt diese in Höheninformationen um.

Da der Luftdruck mit zunehmender Höhe sinkt, reichen schon kleine Druckänderungen, um zu erkennen, ob die Drohne steigt, sinkt oder ihre Höhe hält.

Das Barometer ermöglicht eine stabile Höhenhaltung, statt dass die Drohne ungewollt steigt oder absinkt. Das ist besonders wichtig für ruhiges Schweben, Indoor-Flug und eine anfängerfreundliche Steuerung.

• Es verhindert plötzliche „Hüpfer“ nach oben beim Start.

• Es reduziert ungewolltes Absinken im Schwebeflug.

• Es macht Landungen kontrollierter und besser vorhersehbar.

Ohne zuverlässige Barometerdaten fällt es der Drohne schwer, eine konstante Höhe zu halten – der Flug wirkt dann instabil und schwerer zu kontrollieren.

Beim Start speichert das Barometer den Luftdruck nahe am Boden als Referenzwert. Steigt die Drohne, sinkt der Umgebungsdruck.

Durch den ständigen Vergleich aktueller Messwerte mit diesem Referenzwert kann der Flight Controller erkennen, ob die Drohne steigt, sinkt oder auf der gewünschten Höhe bleibt.

Beginnt die Drohne unbeabsichtigt hoch oder runter zu driften, passt der Flight Controller sofort die Motorleistung an, um sie wieder auf die Zielhöhe zu bringen. Diese fortlaufende Rückkopplung sorgt für stabile Höhenhaltung.

Obwohl das Barometer sehr empfindlich ist, können bestimmte Umgebungen die Luftdruckmessung stören und die Höhenhaltung beeinträchtigen.

• Starker Luftstrom von Klimaanlagen oder Ventilatoren.

• Plötzliche Druckänderungen durch Türen in kleinen Räumen.

• Sehr schnelle Steig- oder Sinkflüge, bei denen die Druckreaktion kurz verzögert sein kann.

• Schnelle Temperaturwechsel, die die Luftdichte beeinflussen.

Sicherheitstipp – Barometer-Störung durch starken Luftstrom

In solchen Situationen kann die Drohne leicht „auf und ab“ schwanken, unruhig schweben oder bei automatischen Landungen eine ungenaue Höhe anzeigen.

Optical Flow = Der „Boden-Beobachter“ der Drohne

Optical Flow ist ein visuelles Positionierungssystem, das einer Drohne hilft, nahe am Boden stabil zu bleiben. Es nutzt eine nach unten gerichtete Kamera, um die Oberfläche unter der Drohne zu „beobachten“ und zu erkennen, ob die Drohne nach links, rechts, vorne oder hinten wegdriftet.

Einfach gesagt: Die Drohne vergleicht Bild für Bild, wie sich das Muster am Boden verschiebt. Aus dieser Verschiebung erkennt sie, ob sie driftet.

Der Optical-Flow-Sensor ist meist ein separates Hardware-Modul an der Unterseite der Drohne. Auch wenn er zum Flight Control System gehört, sitzt er häufig nicht direkt auf dem Flight-Control-Board, sondern wird über Signalkabel als eigene Einheit angeschlossen.

GPS ist draußen sehr hilfreich – aber nahe am Boden (und besonders indoors) ist GPS oft schwach oder gar nicht verfügbar. Optical Flow schließt diese Lücke, indem es eine „Near-Ground-Haltung“ ermöglicht, damit die Drohne nicht langsam wegschiebt.

• Es reduziert langsames horizontales Driften beim Schweben nahe am Boden.

• Es verbessert die Stabilität beim Indoor-Flug und beim niedrigen Outdoor-Flug.

• Es hilft Anfängern, leichter zu schweben – mit weniger Stick-Korrektur.

Ohne Optical Flow „rutscht“ eine Drohne in Bodennähe eher über den Boden oder driftet unvorhersehbar – z. B. durch kleine Luftbewegungen, verzögerte Eingaben oder schwache GPS-Positionierung.

Die nach unten gerichtete Kamera nimmt fortlaufend Bilder der Oberfläche unter der Drohne auf. Das System vergleicht, wie sich Merkmale am Boden von einem Bild zum nächsten bewegen, um die horizontale Bewegung abzuschätzen.

Beginnt die Drohne zu driften, sendet Optical Flow diese Drift-Information an den Flight Controller. Der Flight Controller passt die Motorleistung minimal in die Gegenrichtung an, um „zurückzudrücken“ und die Drohne an Ort und Stelle schweben zu lassen.

Optical Flow ist am effektivsten in geringer Höhe und dort, wo die Kamera genügend Textur erkennt. Ein typischer Arbeitsbereich liegt etwa bei 1,6–9,8 ft. In dunkleren Räumen kann das Einschalten der Drohnenlichter helfen, das Bodenmuster zuverlässiger zu erkennen.

Sicherheitstipp – Wann Optical Flow nicht zuverlässig arbeitet

GNSS = Das Standort-System der Drohne im Freien

GNSS (Global Navigation Satellite System) ist das System, mit dem eine Drohne beim Outdoor-Flug weiß, wo sie sich auf der Erde befindet. Es funktioniert, indem die Drohne Zeitsignale mehrerer Satelliten im All empfängt.

Aus der Laufzeit der Satellitensignale kann die Drohne berechnen:

• Ihre geografische Position.

• Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit über Grund.

• Ob sie sicher zum Home Point zurück navigieren kann.

Einfach gesagt: GNSS beantwortet für die Drohne die Frage: „Wo bin ich – und wo ist ‚Zuhause‘?“

Sicherheitstipp – GNSS-Fix vor dem Start

Sicherheitstipp – Umgebungen, in denen GNSS unzuverlässig ist

Häufige GNSS-Satellitensysteme, die Drohnen nutzen

Multi-GNSS-Positionierung

Viele moderne Drohnen nutzen Multi-GNSS – also mehrere Satellitensysteme gleichzeitig (z. B. GPS + Galileo + BeiDou).

• Schnellere Satellitenverbindung (Fix).

• Stabilere Positionierung.

• Bessere Widerstandsfähigkeit bei Signalabschattung.

• Zuverlässigere Return-to-Home-Genauigkeit.

GNSS ist die Grundlage für sicheren Outdoor-Flug. Es ermöglicht der Drohne, ihre Position gegen Wind zu halten und anhand realer Standortdaten zu navigieren.

• Ermöglicht präzises Schweben im Freien.

• Unterstützt zuverlässiges Return-to-Home bei Signalverlust oder per Knopfdruck.

• Macht Wegpunktflug und intelligente Flugmodi möglich.

Ohne GNSS würde eine Drohne im Freien langsam mit dem Wind abdriften und könnte den Startpunkt nicht sicher wiederfinden.

Der GNSS-Empfänger hört auf Zeitsignale mehrerer Satelliten am Himmel. Aus den Signal-Laufzeiten berechnet die Drohne ihre Position über Triangulation.

Der Flight Controller kombiniert anschließend GNSS-Positionsdaten mit Informationen aus IMU und Kompass. Diese Fusion ermöglicht stabile Positionshaltung, sauberes Folgen einer Route und präzises „Nach Hause“-Zurückkehren.

Damit GNSS gut funktioniert, braucht die Drohne freie Sicht zum Himmel, genügend Satelliten und einen stabilen Satelliten-Fix vor dem Start.

Sicherheitstipp – Was beeinflusst die GNSS-Genauigkeit?

Bei instabilen GNSS-Bedingungen sollten Piloten vorsichtig fliegen, die Drohne nahe halten oder warten, bis sich der Satellitenempfang verbessert.

Flight Controller = Das Entscheidungszentrum der Drohne

Der Flight Controller ist der zentrale Computer in der Drohne. Er „spürt“ die Welt nicht direkt – stattdessen liest er alle Sensoren, nimmt die Befehle des Piloten auf und entscheidet, wie sich die Drohne bewegen soll.

In jedem Moment berechnet der Flight Controller, wie schnell jeder Motor drehen soll, damit die Drohne stabil bleibt, sauber reagiert und sicher fliegt.

Ohne Flight Controller würden Sensoren und Motoren isoliert arbeiten – die Drohne wäre praktisch nicht steuerbar. Erst der Flight Controller macht aus einzelnen Bauteilen ein koordiniertes Flugsystem.

• Er verbindet Informationen aus IMU, Kompass, Barometer, Optical Flow und GNSS zu einem klaren Gesamtbild des Drohnenzustands.

• Er wandelt Stick-Bewegungen und App-Befehle in ruhige, kontrollierte Flugbewegungen um – statt ruckiger oder instabiler Reaktionen.

• Er steuert Sicherheitsfunktionen wie Return-to-Home, Low-Battery-Schutz und Fail-Safes bei Signalverlust.

Kurz gesagt: Der Flight Controller ist der Grund, warum moderne Drohnen stabil, vorhersehbar und anfängerfreundlich fliegen – selbst bei Wind oder wechselnden Bedingungen.

Der Flight Controller läuft in einer schnellen Entscheidungs-Schleife, viele Male pro Sekunde. Jede Schleife folgt derselben Logik:

• 1. Lesen – Aktuelle Sensordaten und die neuesten Pilotenbefehle erfassen.

• 2. Entscheiden – Berechnen, wie stark die Drohne kippen, steigen, drehen oder abbremsen muss, um stabil zu bleiben und dem gewünschten Kurs zu folgen.

• 3. Ausführen – Präzise Drehzahländerungen an die Motoren senden, damit die Korrektur passiert.

Weil diese Schleife hunderte Male pro Sekunde läuft, kann der Flight Controller auf Windböen, plötzliche Stick-Eingaben oder kleine Störungen reagieren, bevor der Pilot es überhaupt bewusst wahrnimmt.

Selbst der beste Flight Controller braucht gute Bedingungen und saubere Eingaben. Einfache Gewohnheiten verbessern Stabilität und Sicherheit deutlich.

• Vor dem Flug Basics prüfen: Propeller fest, Akku eingerastet, Sensoren und Linsen sauber.

• Erforderliche Kalibrierungen (IMU, Kompass usw.) bei App-Hinweisen in geeigneter Umgebung durchführen.

• Vor Outdoor-Start auf einen stabilen GNSS-Fix mit genügend Satelliten warten.

• Umgebungen mit starken magnetischen oder Funk-Störungen vermeiden, die Sensordaten verfälschen können.

Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, kann der Flight Controller alle Kernsysteme optimal nutzen – für einen ruhigen, stabilen und sicheren Flug.