Drohnen Gimbals

Auf der Suche nach der richtigen Drohne muss man viele Dinge berücksichtigen: Flugdauer, Reichweite, Kamera- und Übertragungsqualität — und natürlich den Preis. Ein Aspekt, der oftmals bei der Auswahl des Copters vernachlässigt wird, ist das Drohnen-Gimbal, also die stabilisierende Kamerahalterung.

Um Interessierten einen Hintergrund zu bieten, habe ich also diesen Leitfaden geschrieben, der das Thema Drohnen-Gimbals in Grundzügen aufarbeitet.

Die Basics: Was ist ein Gimbal überhaupt?

Ein Gimbal (dt. Kamerahalterung) ist ein mechanisches System zur automatischen Bildstabilisierung. Je nach Art kann ein Gimbal auf einer, zwei oder drei Achsen (X,Y,Z) stablisiert sein. Gimbals finden vorallem bei Spiegelreflexkameras (DSLR) und Drohnen Anwendung.

In jeder Achse des Gimbals befindet sich ein kleiner Motor, der die Kamera ins Lot bringt oder auf das Zielobjekt fixiert.

3 Achsen aber 4 Systeme? Wie soll das denn gehen?

Auf dem Drohnenmarkt gibt es Copter mit 1-Achsen-Gimbal, 2-Achsen-Gimbal und 3-Achsen-Gimbal. Dem vierten System schreibe ich diejenigen Multicopter zu, die überhaupt kein Gimbal haben.

Aber halt! Kein Gimbal bedeutet nicht gleich keine Bildstabiliserung! Mini-Drohnen wie die DJI Tello zeigen eindrucksvoll, dass man auch ohne Gimbal weichere Videoaufnahmen bekommt.

Rein elektronische Bildstabilisierung ohne Gimbal

Günstige Spielzeugdrohne mit elektronsicher Bildstabilisierung aber ohne Gimbal

Im Low-Budget-Bereich gibt es Drohnen, deren Kameras auf keiner Achse per Gimbal stabilsiert werden. Die Vielzahl der Spielzeugdrohnen fällt in diese Rubrik. Die dadurch erstellen Bilder und Videos können je nach Lage des Copters schräg oder verwackelt sein.

Für schöne Luftaufnahmen sind die meisten dieser Einsteigermodelle daher nicht geeignet, mit Ausnahme der DJI Tello. Der kleine Quadrocopter stabilisiert Videomaterial elektronisch, wodurch es weicher und weniger verwackelt ist. Schräglagen (Stichwort Wind) kann ein 0-Achsen-System aber nicht ausgleichen.

Vorteile und Nachteile rein elektronischer Bildstabilisierung

Beste Drohne ohne Gimbal: Ryze/ DJI Tello (Testbericht)

Drohnen mit 1-Achsen-Gimbal

1-Achsen-Gimbal ermöglicht Kamerajustierung auf der Y-Achse. Meist aber problematisch.

Die nächstbeste Variante ist der Kauf einer Drohne mit einem 1-Achsen-Gimbal. Das bedeutet, dass die Kamera zumindest in der Vertikalen (Y-Achse) ausgerichtet werden kann.

Viele günstige Einsteigermodelle haben dieses Feature, das jedoch häufig zwei eklatante Mängel hat:
1.) Es greift nicht autmatisch korrigierend ein
2.) Es ist nicht per Fernsteuerung kontrollierbar.

Zu Punkt 1: Fliegt man mit dem Copter vorwärts (Pitch), neigt sich die Drohne je nach Schub vorn über. Ein automatisch korrigierendes Gimbal würde nun die Kamera etwas weiter nach oben ausrichten, um im Lot zu bleiben. Copter unter 200€ haben dieses Feature in der Regel nicht.
Zu Punkt 2: Natürlich möchte man die Drohnenkamera im Flug nach oben und vorallem nach unten ausrichten. Anders sind schöne Luftaufnahmen ja kaum möglich. Dafür muss jedoch ein Funkkanal zwischen Drohne und Fernsteuerung existieren, der diese Steuerung ermöglicht. Bei den meisten Billig-Coptern ist das nicht der Fall. Man muss also vor dem Start abschätzen, welche Kameraneigung für das geplante Bild passend ist. Oder die Drohne in der Luft entsprechend positionieren. Erfahrene Piloten bekommen das mehr oder weniger gut hin, Anfänger haben hier oftmals Probleme. Im Endeffekt aber also eher suboptimal.

Vorteile und Nachteile von 1-Achsen-Gimbals:

Drohnen mit 2-Achsen-Gimbal

Hybrides Gimbal der Parrot Anafi: 2 Achsen mechanisch, Yaw (X-Achse) elektronisch stabilisiert

Guten Kameradrohnen haben entweder ein 2-Achsen- oder ein 3-Achsen-Gimbal. Doch kann man pauschal sagen, welches System besser ist? Oder vergleicht man da Äpfel mit Birnen? Ein 2-Achsen-Gimbal kann nämlich mit einer guten elektronischen Bildstabilisierung die fehlende Achse ein wenig kompensieren — und ist oftmals günstiger!

2-Achsen-Gimbals stabilisieren die Kamera auf der Y- und Z-Achse, also vertikal (Pitch) und in der Schräge (Roll). Im Gegensatz zu 1-Achsen-Gimbals funktioniert das immer automatisch und vorallem mechanisch. Es sind also kleine Motoren in den Achsen verbaut, die selbständig Korrekturen vornehmen. Heißt in der Praxis: Die Drohnenkamera bleibt im Lot, selbst bei Schräglagen (Wind, Flugbewegungen).

Interessant wird das besonders für Fans von automatisch folgenden Coptern (Stichwort Selfie-Drohnen). Durch das 2-Achsen-Gimbal bleibt die Kamera stets auf das Zielobjekt ausgerichtet, lediglich in der X-Achse (Yaw) muss sich der Copter drehen. Im Follow-Me-Modus geschieht das in der Regel vollautomatisch.

Vorteile & Nachteile von 2-Achsen-Gimbals

Beste Drohne mit 2-Achsen-Gimbal: Parrot Anafi (Testbericht)

Drohnen mit 3-Achsen-Gimbal

DJI Mavic Mini: Klein, sehr leicht und trotzdem ein 3-Achsen-Gimbal für die 2,7K Kamera

Die Königsdisziplin im Bereich der Kamerahalterungen für Drohnen sind 3-Achsen-Gimbals. Wer eine (semi-)professionelle Kameradrohne kaufen möchte, sollte definitiv ein Modell mit einer derartigen Kamerahalterung wählen.

An der Funke kann man mit dem Rädchen die Neigung der Kamera bestimmen.

Im Gegensatz zu 2-Achsen-Gimbals stabilisieren diese Aufhängungen auch die X-Achse (Horizontale). Heißt in der Praxis: Der Copter muss sich (fast) nicht um sich selbst drehen, um die Yaw-Achse auszurichten. Fast, weil je nach Drohne nur ein eingeschränkter Winkel in jeder Achse zur Verfügung steht. Größere Korrekturen werden weiterhin durch die Rotation dess Copters um die eigene Achse getätigt (geschieht automatisch).

Vorteile und Nachteile von 3-Achsen-Gimbals

Beste Drohne:

• Für Fortgeschrittene: DJI Mavic 2 Pro
• Preis-Leistungs-Sieger: DJI Mavic Mini (399€)
• für Profis (6000€ aufwärts): DJI Inspire 2

Der Prozess: So stabilisiert ein Gimbal die Kameraaufnahmen

Aufbau eines 3-Achsen-Gimbals

Damit butterweiche und verwacklungsfreie Videos entstehen, werden Vibrationen in drei Schritten aus dem Bildmaterial eleminiert.

Schritt 1
Im ersten Schritt ist die Kamera (oder vielmehr das Gimbal, an dem die Kamera hängt) an einer gedämpften Montage an der Drohne angebracht. Im ganz simplen Fall kann das ein einfacher Schaumstoff sein, bei teuren Drohnen der DJI Phantom Reihe kann das schon mal komplizierter werden. Diese Dämpfer verhindern, dass Vibrationen der Drohne (z. B. durch Motoren) die Kamera durchschütteln.

Schritt 2
Im zweiten Schritt kommen die Motoren der Kamerahalterung zum Einsatz.
Nehmen wir das oftmals reale Beispiel an, der Wind nähme während des Fluges zu. Die Drohne würde die Position halten und sich dem Wind entgegenstemmen. Die dadurch entstehende Schräglage der Drohne würde ohne Gimbal auch ein extrem schräges Video nach sich ziehen.
Die Motoren des Gimbals drehen nun aber die Kamera in Echtzeit so, dass das Bild immer schön im Wasser ist.

Auch beim Thema Selfie-Drohnen oder Follow Me Sequenzen ist ein Gimbal existenziell. Durch die mechanische Stabilisierung der Achsen-Motoren kann der Multicopter das Zielobjekt stets im Blick halten, auch wenn sich das Zielobjekt oder die Drohne schnell bewegen.

Schritt 3
Im dritten Schritt wird das nun schon in zweierei Hinsicht stabilisierte Bild noch softwareseitig prozessiert. Wie gut eine rein elektronische Bildstabilisierung schon funktioniert, zeigt für mich die Ryze/ DJI Tello. Ganz deutlich merkt man das fehlende Gimbal der Tell im Wind (Schräglage).

Wie machen das FPV-Piloten?

Im FPV-Racing werden keine Gimbals eingesetzt. Die Piloten montieren ihre FPV-Kameras direkt auf das Copter-Frame. Hintergrund ist, dass es beim FPV-Racing ja um Geschwindigkeit und Wendigkeit geht. Zusätzliches Gewicht ist da ebenso kontraproduktiv, wie sensible Bestandteile, die leicht brechen und umständlich zu reparieren sind.