Was ist ein Gimbal beim Quadrocopter?

„Gimbal“ ist das Zauberwort bei Drohnen, Quadrocopter und Multicoptern – speziell im Bereich Foto-Drohnen. Was verbirgt sich hinter dem Begriff Gimbal? Laut Wikipedia wird ein Gimbal als kardanische Aufhängung oder Lagerung bezeichnet. Diese Lagerung erfolgt in zwei Höhen mit zwei zueinander positionierten Lagern im rechten Winkel. Diese gesonderte Positionierung und ein ausgeglichener Schwerpunkt erlaubt dem Gegenstand eine dreidimensionale Positionsänderung in der Mitte. Ist der Schwerpunkt einheitlich eingestellt, erfolgt eine automatische Angleichung der Bewegung des Umfeldes.

Dieser Vorgang wird auch in der Schifffahrt angewandt, um auf diese Weise einen Kompass zu deponieren. Dadurch bleibt der Kompass trotz Wellengangs jederzeit in der Waage. Das gleiche Verfahren wird für die Kameraaufhängung bei RC-Drohnen angewandt. Dabei reicht keinesfalls nur der Schwerpunkt aus, um eine vernünftige Stabilisierung des Videobildes der Kamera vorzunehmen. Elegante Bewegungen und das Ruckeln des Quadrocopters sind viel zu flott und die komplette Kamera ist viel zu unbeweglich. Dadurch würden Bewegungen und das Schaukeln zwar abgeschirmt aber nicht entfernt werden.

Genaue Messung durch Sensor und Lagedaten

Eine Kamera-Gimbal wird an Elektromotoren befestigt. Diese bürstenlosen Motoren besitzen eine hohe Geschwindigkeit. Zusätzlich wird ein IMU Sensorpaket an der Kameraaufhängung installiert, die eine Messung der Temposteigerung der Kamera und deren Position in Echtzeit vornehmen kann. Normalerweise verfügen Gimbal-Systeme über eine eigene IMU (Inertial measurement unit). Die bereits vorhandene IMU der Drohne wird in manchen Fällen mit eingesetzt bzw. benutzt. Die Drohne benötigt eine eigenständige IMU für ihre Flugstabilisierung. Die bereitgestellten Sensor- und Lageinformationen werden benötigt, um die Kamera in ihrer Position zu verankern. Durch die Sensorenerkennung können kleinste Positionsänderungen mit den Motoren der Gimbal-Lagerung bewegt werden, um die Kamera andersherum zu bewegen und den gleichmäßigen Blickwinkel zu halten.

Arbeitsweise und Merkmale des Gimbals

Der Ausgleich von Bewegungen wird von einigen Gimbals in ein oder zwei Dimensionen ausgeführt. Die komplette Stabilisierung erfolgt nur, wenn die Ausgleichung durch den Gimbal in allen drei Dimensionen vollzogen wird. Diese Gimbals werden als 3D-Gimbals bezeichnet. Eine weitere entscheidende Eigenschaft ist die eigene lenkbare Kamerabewegung. Durch die Motoren an der Kamera bzw. am Gimbal können die Bewegungen der Kamera darüber hinaus ferngesteuert werden. Der Gimbal dient jetzt nicht nur zur Festigung des Bildes, sondern auch zur aktiven Anpassung der Kamera per Fernbedienung.