RC Anlagen

Die Funktion der Fernsteuerung

Fernsteuerungen im ModellbaubereichDie meisten Sender arbeiten heute mit einem Knüppel bzw. mit einem Kreuzknüppel. Die exakte Position der Knüppel kann auf verschiedene Arten ermittelt werden. Häufig wird diese Aufgabe mittels Potentiometern durchgeführt. Während eine Extremposition (Vollausschlag des Knüppels) mit dem Minuspol der Batterie verbunden wird, so wird die entgegengesetzte extrem Position an eine stabilisierte Spannung (meist etwas tiefer als der Pluspol der eingesetzten Batterie) gelegt. Zwischen diesen beiden Positionen ist ein Wiederstandsbelag aufgetragen. Je nach der Position des Knüppels (analog verhält es sich bei dem Steuerrad der Pistolengriffsender) wird nun eine Spannung zwischen den beiden Extremwerten abgegriffen.

Heutzutage werden auch andere Methoden zur Positionserfassung angewendet, Encoder z.B. messen optische Impulse beim Bewegen der Knüppel. Hall-Sensoren erfassen die Positionen der Knüppel durch Anwendung der Gesetze des Magnetismus. Diese beiden Methoden arbeiten berührungslos und benötigen keinen mechanischen Abgriff, im Vergleich zu den Potentiometern. Allen Methoden ist aber am Ende gemeinsam, dass die Senderelektronik am Ende eine Information über die Knüppelstellung verfügt.

Signalcodierung und Modulation der Fernsteueranlagen

Damit die erhaltenen Informationen über die Knüppelstellung zum Empfänger übermittelt werden kann, muss diese noch in eine spezielle Form umgewandelt werden. Es haben sich mit der Zeit variable Pulslängen zwischen 1 ms und 2 ms durchgesetzt. Ein Signal mit 1 ms bedeutet eine Extremposition (Vollausschlag) bei dem Bedienelement des Senders, während ein Signal von 2 ms die entgegengebrachte Extremposition beschreibt. Dementsprechend werden auch die Servos beim Empfänger, ebenfalls bei 1 ms und 2 ms, in die jeweilige Extremposition gebracht. Ein Signal von 1,5 ms führt demnach dazu, dass die Servos auf der Empfängerseite, in eine mittlere Position gebracht werden.

Diese Signale nennt man auch PWM – Pulsweiten- modulierte Signale. Möchte man nun mehrere Kanäle zeitgleich übertragen, so werden die einzelnen Pulslängen für die jeweiligen Kanäle einfach hintereinander. Dieser Signalstandard wird mit PPM oder auch Puls-Pausen-Modulation bezeichnet.

Nähere Informationen erhält man diesbezüglich auf Wikipedia

Drahtlose Übertragung mittels elektromagnetischer Wellen

Die elektromagnetische Welle, welche die Grundlage sämtlicher drahtlosen Übertragung von Steuerbefehlen darstellt, besteht genauer betrachtet aus zwei Wellen. Wie es der Name bereits vermuten lässt, ist eine elektrisches und ein magnetisches Feld beteiligt. Das elektrische Feld hat die Einheit [Volt pro Meter]. Wenn diese Felder mit der Frequenz die Polarität wechseln, wie es bei Fernsteueranlagen der Fall ist, dann entstehen elektrische Wechselfelder. Diese rufen wiederum magnetische Wechselfelder mit der Einheit [Ampere pro Meter] hervor und umgekehrt. Diese gegenseitige Wechselwirkung wird in der Gesamtheit als elektromagnetische Welle bezeichnet.

Zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle, bedient man sich einem Hochfrequenzgenerators. Dieser generiert auf der Antenne einen sinusförmigen Wechselstrom in der gewünschten Frequenz.

Von der MHz- zur GHz-Technologie

MHz-Fernsteueranlagen

RC Fernsteuerung welche im MHz Bereich sendetDie maximale Reichweite der MHz-Sender beträgt mehrere hundert Meter bis hin zu wenigen Kilometern. Dies hängt von der maximal erlaubten Senderleistung ab. Den Fernsteueranlagen im Modellbau wurden von den Regulierungsbehörden die Frequenzsegmente von 27 MHz, 35 MHz und 40 MHz zugeteilt.

Für Flugmodelle wurde in vielen europäischen Ländern der Frequenzbereich von 35,010 MHz bis 35,200 MHz zugelassen. Im Abstand von 10kHz bzw. 0,010 MHz werden sie noch in Kanäle unterteilt. 35,010 MHz entspricht dabei dem Kanal 61. Zählt man nun in 10 kHz-Schritten hoch, so erhält man für 35,200 MHz, den Kanal 80.

Für ferngesteuerte Autos, sowie für ferngesteuerte Boote, verhält es sich genauso mit dem Frequenzbereich von 26,995 MHz bis 27,255 MHz (Kanal 4 bis Kanal 30) sowie den Frequenzbereich von 40,665 MHz bis 40,695 MHz, was den Kanälen 50 – 53 entspricht.

Alle Kanäle auf 27 MHz sowie auf 40 MHz sind grundsätzlich für den gesamten Modellbaubereich vorgesehen, dass 35 MHz-Band dagegen, ist ausschließlich für den Flugmodellbau reserviert.

2,4 GHz-Fernsteueranlagen

Fernsteuerung von Carson im 2,4 GHz BereichAnders als bei den genannten MHz-Frequenzen, sind bei den 2,4 GHz-Frequenzen, RC Fernsteueranlagen bei weitem nicht alleine aktiv. 2,4 GHz-Frequenzen gehören zum ISM- (Industrial Scientific Medical) Band. Eine Vielzahl moderner Kommunikationstechniken sind auf diesem Band vertreten, wie zum Beispiel auch das uns allen bekannte WLAN (Wireless Local Area Network).

In den frühen 2000er-Jahren wurden von einigen Herstellern 2,4 GHz-Umrüstsätze für die Fernsteueranlagen angeboten, welche die MHz-Technologie nach und nach ersetzte. Dazu wurden einfach die Hochfrequenzteile von Sender und Empfänger ausgetauscht.

Der große Vorteil der 2,4GHz-Technologie

Um bei der Vielzahl an Kommunikationsmitteln auf dem 2,4 GHz-Band, eine störungsfreie Übertragung der Daten gewährleisten zu können, ist es zwingend notwendig, dass der Sender und der entsprechende Empfänger, die gleiche Codierung verwendet. Man nennt diese Abstimmung zwischen dem Sender und dem Empfänger „Binding“ (auch Pairing genannt). Es entspricht im Großen und Ganzem dem, was bei der MHz-Technologie, dass Stecken der Quarze entsprach.

Dieses „lästige“ Stecken der Quarze entfällt bei der 2,4GHz-Technologie komplett und es wird durch die Codierung möglich, nahezu unendlich viele Sender und Empfänger parallel zur gleichen Zeit und am gleichen Ort, miteinander störungsfrei zu kommunizieren. Es ist also (beinahe) unmöglich, dass ein Sender und ein Empfänger sich nicht verstehen, obwohl z.B. auf der Rennstrecke extrem viele andere Sender und Empfänger zeitgleich „in Ihrer eigenen Sprache“, nebenher Kommunizieren.

Verschiedene RC-Sender

Handsender

Handsender von GraupnerWie der Name es bereits vermuten lässt, handelt es sich bei dem Handsender um den gebräuchlichsten Sender, welchen man in beiden Händen hält. Häufig findet ein Steuern der entsprechenden RC-Modelle, lediglich mit beiden Daumen am Handsender statt. Eine andere Möglichkeit der Steuerung ist es die Steuerknüppel zwischen Daumen und Zeigefinger zu nehmen und den Sender lediglich mit der Handfläche einzuklemmen. Einige erfahrene Modellsportler ziehen diese Nutzung des Senders vor, da diese Variante eine feinfühligere Steuerung ermöglicht. Ein Trageriemen, welcher unter dem Nacken getragen wird, sorgt hier für eine zusätzliche Fixierung. Gerade bei hochpreisigen Modellen, ist es beruhigend über diese Methode die Sicherheit zu erlangen, welche es verhindert, dass der Sender zu Boden fallen kann.

Pultsender

Fernsteuerung in Form eines PultsendersAuf dem Bild links neben diesem Text ist ein sogenannter Pultsender abgebildet. Meistens sind diese Sender so geformt, dass sie sich angenehm an den Bauch anlehnen lassen. Weitere Trageriemen sorgen hier für zusätzlichen Halt bei der Bedienung. Gesteuert wird meist mit Daumen und Zeigefinger, während die Hand auf der Steuerung abgelegt wird. Bedingt durch die Trageriemen, bleibt der Sender auch ohne Mithilfe der Hände, immer in der selben Position. Hochwertige-Handsender bieten häufig die Möglichkeit durch Erweiterungsmodule, auch als Pultsender genutzt werden zu können.

Ob man nun einen Pult- oder einen Handsender für sein Hobby bevorzugt, hängt natürlich auch von den persönlichen Vorlieben ab. Häufig finden Handsender ihren Einsatz bei Piloten, welche nur die vier Funktionen der beiden Kreuzknüppel benötigen. Werden dagegen mehr Funktionen zum Steuern benötigt, kommt meist doch der Pultsender zum Einsatz. Beispielsweise bei großen Modellflugzeugen oder auch in vielen Bereichen des Schiffsmodellbau, werden neben den beiden Knüppeln noch weitere Schalter und Drehgeber benötigt.

Colt-Sender

Fernsteuerung in From eines ColtsendersBei ferngesteuerten Autos hat sowie bei schnellen RC-Booten hat sich aber mehr und mehr der Colt-Sender durchgesetzt. Wie man dem Namen entnehmen kann, hat man es bei dieser Form mit etwas Pistolenähnliches zu tun, konkret einer Art von Pistolen- oder auch Revolver-Griff. Als Rechtshänder nimmt man den Griff des Senders in die linke Hand und betätigt das Steuerrad mit der rechten Hand. Ähnlich wie bei einer Pistole, kann der „Abzug“ beidseitig betätigt werden. Im Falle des Colt-Senders bedeutet das ziehen des Abzugs „Gas geben“, während ein Zurückziehen „Bremsen“ bedeutet.

Häufig ist bei modernen Anlagen noch ein dritter Kanal vorhanden, welcher für mechanisches Bremsen vorgesehen ist. Mit einem vierten Kanal ist es sogar möglich, das Bremsen der Hinterachse, separat  von der Vorderachse auszuführen. Damit lässt sich ein ferngesteuertes Auto sehr viel realistischer steuern, als nur mit den beiden Kreuzknüppeln. Die Anzahl der Funktionen ist aber natürlich begrenzt, mehr als 4 Kanäle sind beim Colt-Sender dann doch eher selten.

Empfänger der Fernsteuerung

Empfänger einer Fernsteueranlage von CarsonDen Empfänger könnte man auch als das Gehirn oder das Herzstück, auf der Empfängerseite bezeichnen. Über eine Antenne werden die vom Sender übertragenen Signale aufgenommen, verarbeitet und letztendlich an die zuständigen Peripheriegeräte, wie Servos und Motorregler, weitergegeben. Jeder Kanal verfügt über einen eigenen Steckplatz für das jeweilige Steuerelement. Jeder Steckplatz hat drei Pins, wovon einer an Masse (Ground) und einer an die Spannangsversorgung, welche generell zwischen 4,8 Volt und 7,4 Volt liegt, angeschlossen wird. Der dritte Pin ist für das übermittelte Signal vorgesehen. Wie bereits früher in diesem Artikel erwähnt, werden die Signale heute meist in der 2,4 GHz-Technologie vom Sender zum Empfänger übertragen. Vom Empfänger zu den verschiedenen Peripheriegeräten wird meist ein Pulsweitenmoduliertes- (PWM-) Signal übertragen. Hierbei werden etwa alles 20 ms ein Puls mit der länger zwischen 1,0 ms und 2,0 ms an die Servos oder den Motorregler übertragen. Dieser Standard wird von allen Herstellern unterstützt, weshalb die Peripheriegeräte auch austauschbar sind. Dank der modernen Mikroprozessortechnologie, sind auch einige Zusatzfunktionen leicht einprogrammierbar. So ist zum Beispiel gängig, das moderne Servos eine sogenannte „Fail-Safe-Funktion“ ausüben. Bei einem ferngesteuerten Auto zum Beispiel, ist es ratsam die Servos so einzustellen, dass im Falle eines Funkabriss, das Fahrzeug nicht mit Vollgas weiterfährt, sondern in eine sichere Position (Neutralstellung oder betätigen der Bremse) automatisch übergeht.

2,4 GHz Reichweite und sichere Übertragung der Signale

Die Reichweite einer Fernsteuerung mit 2,4 GHz hängt im wesentlichen von der gesendeten Energie ab. Wie es ja allgemein bekannt ist, nimmt der empfangene Signalpegel mit zunehmenden Abstand zum Sender ab. Erklären lässt sich dies einfach, in der Veranschaulichung, kugelförmiger Wellenfronten, welche sich stetig weiter ausbreiten, je weiter entfernt sie sich vom Sender entfernen. Demnach befindet sich die Antenne des Senders, im Mittelpunkt dieser kugelförmigen Wellenfronten. Beim Ausbreiten der Wellen in der Luft, erfahren sie nur einen geringen Energieverlust, würde man die Ausbreitung im Vakuum betrachten, so gäbe es überhaupt keinen Energieverlust. Vor diesem Hintergrund könnte man mutmaßen, dass die Reichweite von Fernsteuerungen mit 2,4 GHz extrem groß sei.  Jedoch ist die Empfangsantenne immer gleich groß, unabhängig vom Abstand zum Sender. Dadurch wird bei einem größeren Abstand zum Sender, prozentual gesehen, immer kleinere Energiestücke einer Welle abgegriffen, da die Energie der Wellen zwar gleich bleiben, sich diese aber auf einer immer größer werdenden Fläche verteilt.

In diesem Zusammenhang gilt es folgenden Merksatz zu berücksichtigen:

Verdoppelt man den Abstand zum Sender, reduziert sich der Pegel des Empfangssignals auf ein Viertel.

Empfänger können auch sehr kleine Nutzsignale entsprechend verstärken. Allerdings liegen eine Vielzahl an zusätzlichen elektromagnetischer Wellen, neben dem gewünschtem Signal, zeitgleich vor. Zum einen gibt es natürliche elektrische und magnetische Felder, welche von der Erde, der Sonne oder auch von weiteren Galaxien abstammen. Deren Pegel sind bei den Frequenzen sehr unterschiedlich stark ausgeprägt, es sind aber durchaus welche bei 2,4 GHz vorhanden.

Desweiteren gibt es aber auch noch viele künstliche Strahlungsquellen, wie z.B. WLAN -Netzwerke oder auch die Signale von anderen Fernsteuerungen. Ab einer gewissen Distanz zwischen Sender und Empfänger, kann der Empfänger das Nutzsignal nicht mehr erkennen, da dieses Signal im Rauschen der anderen „Störsignale“ untergeht. In der Fachsprache wird dies auch als „Signal-Rausch-Abstand“ bezeichnet. Beide Störsignale haben auch einen Einfluss auf die Reichweite einer Fernsteuerung. Generell kann man aber bei ferngestuerten Autos bzw. beim RC Modellbau generell sagen, dass die Reichweite der Fernsteueranlagen sich mit der Sicht zum gesteuerten RC Modell ganz gut deckt. Moderne 2,4 GHz Sender erreichen bei freiem Sichtfeld, eine Reichweite von über einem Kilometer, was normalerweise ja auch völlig ausreichend seine sollte, da man sein RC Fahrzeug ja bereits nach wenigen 100m (wenn überhaupt), aufgrund von unzureichender Sicht, kaum noch Steuern kann.

Nähere und tiefgreifendere Informationen bietet dieses Buch über 2,4 GHz – Fernsteueranlagen