Von Lauren Nagel
Übermäßige Vibrationen beeinträchtigen die Leistung von UAVs, führen zu vorzeitigem Verschleiß von Komponenten, verkürzter Flugzeit, instabilen Videoaufnahmen und anderen negativen Folgen.
Eine der Hauptursachen für diese Vibrationen sind unbalancierte Propeller, bei denen die Masse ungleichmäßig auf die Rotorblätter verteilt ist. Diese Unwucht kann bereits ab Werk vorhanden sein oder durch Beschädigungen während des Transports oder Betriebs entstehen.
In diesem Artikel betrachten wir Studien, die den Zusammenhang zwischen Propellerunwucht und Vibrationen untersuchen, und geben eine Empfehlung zur Begrenzung von Vibrationen bei UAVs.
Inhaltsverzeichnis
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Vibrationen im Verhältnis zu Drehzahl und Propellerdurchmesser
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Entwicklung eines Modells zur Erkennung von ungleichgewichtsbedingten Vibrationen
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So reduzieren Sie Propeller-Vibrationen bei UAVs
Abbildung 1: Am UAV montierter Propeller
1. Vibrationen im Verhältnis zu Drehzahl und Propellerdurchmesser
Im Bereich der Multirotor-Drohnen haben mehrere Studien bestätigt, dass der ursächliche Zusammenhang zwischen Propellerunwucht und Vibrationen auch für UAVs gilt. Solche Studien haben dazu beigetragen, dieses Phänomen besser zu verstehen, einschließlich der Frage, wann es Anlass zur Sorge gibt.
In Kuantama (2019) wurde ein Laserdoppler-Vibrometer eingesetzt, um die Vibrationen von ausbalancierten und unbalancierten UAV-Propellern zu messen. In der Studie wurde ein Laserstrahl auf drei Bereiche der Propeller gerichtet – die Spitze, die Mitte des Rotorblatts und die Nabe –, um die dynamische Bewegung des Propellers zu überwachen und die Vibrationsgeschwindigkeit abzuleiten.
Ein 13-Zoll- und ein 14-Zoll-Propeller wurden miteinander verglichen.
Vor den Experimenten verwendeten die Autoren ein statisches Wuchtsystem, um die Propeller in zwei Bereichen auszuwuchten: der Mitte der Rotorblätter und der Nabe. Die Propeller wurden anschließend auf einem Rotorständer montiert und auf 7000 U/min beschleunigt.
Abbildung 2: Aufbau des Laservibrometer-Tests von Kuantama (2019) (Reproduziert aus Kuantama, 2019, lizenziert unter CC BY 4.0.)
Interessanterweise zeigte der 14-Zoll-Propeller bei höheren Drehzahlen im Vergleich zum 13-Zoll-Propeller einen deutlich größeren Unterschied der Vibrationsgeschwindigkeit zwischen den ausbalancierten und unbalancierten Modellen.
Bei 5000 U/min wies der unbalancierte 13-Zoll-Propeller eine um 12 % bzw. 0,4 m/s höhere Vibrationsgeschwindigkeit auf als der ausbalancierte Propeller. Im Vergleich dazu betrug dieser Unterschied bei den 14-Zoll-Propellern 33 % bzw. 2,3 m/s. Die Autoren stellten fest, dass „über 4000 U/min eine drastische Zunahme der Vibrationsgeschwindigkeit auftrat.
Abbildung 3: Vibrationsgeschwindigkeit eines 13-Zoll-Propellers (links) und eines 14-Zoll-Propellers (rechts) (Reproduziert aus Kuantama, 2019, lizenziert unter CC BY 4.0.)
Diese Ergebnisse stützen frühere Erkenntnisse, wonach Vibrationen durch Propellerunwucht bei höheren Drehzahlen stärkere Auswirkungen haben und darauf hindeuten, dass sie bei UAVs mit größeren Propellern gravierendere Folgen haben können.
Weiterführende Literatur: Standards zur Auswuchtung von Drohnenpropellern
2. Entwicklung eines Modells zur Erkennung von ungleichgewichtsbedingten Vibrationen
Eine neuere Studie von Salem et al. (2025) zielte darauf ab, die Herausforderungen bei der Erkennung von Rotorunwuchten in dynamischen Umgebungen zu bewältigen, wie etwa bei Windturbulenzen und Umgebungsgeräuschen.
Die Unwucht wurde in das System eingebracht, indem eine der Propellerschrauben gelöst wurde. Die Vibrationsmuster wurden mithilfe eines an der UAV-Hülle montierten mikroelektromechanischen Systems (MEMS) aufgezeichnet, und die erfassten Daten wurden zur Schulung ihres Multi-Layer-Perceptron-MLP-Neuronennetzmodells verwendet, das anschließend auf einen Testdatensatz angewendet wurde.
In ihren Ergebnissen stellten sie fest, dass das Vibrationsprofil des unbalancierten Rotors in allen drei Achsen (X, Y, Z) deutlich stärkere Vibrationen aufwies als das des ausbalancierten Rotors. Die Abweichung war in der X-Achse am stärksten ausgeprägt, mit Spitzenwerten von über 2 g, doch die unregelmäßigen Muster in den Y- und Z-Achsen deuten darauf hin, dass die Unwucht sekundäre Vibrationen im gesamten System verursachte.
Der Autor merkt an: „Diese Schwankungen könnten nicht nur die Stabilität der UAV beeinträchtigen, sondern bei Nichtbeachtung auch das Risiko eines mechanischen Versagens erhöhen.“
Abbildung 4: Vibrationsbeschleunigung für a) ausbalancierte und b) unbalancierte Propeller (Salem, 2025) (Reproduziert aus Salem, 2025, lizenziert unter CC BY 4.0.)
Ihr neuronales Netz konnte bei Testdatensätzen einen Korrelationskoeffizienten von 0,9224 erreichen, was darauf hindeutet, dass das Modell verwendet werden kann, um spezifische Unwuchten in anderen Antriebssystemen mithilfe ähnlicher Daten zu identifizieren.
Es ist unerlässlich, dass Vibrationen in UAV-Systemen präzise charakterisiert werden, da sie zu den in den folgenden Abschnitten besprochenen Faktoren beitragen.
Empfohlen für Sie: Optionen für Windkanaltests (im Vergleich)
3. So reduzieren Sie Propeller-Vibrationen bei UAVs
Solche Studien werfen mehrere Fragen auf: Ab welcher Drehzahl verursachen die Auswirkungen einer Unwucht bei einem gegebenen Propeller übermäßige Vibrationen? Können Propeller-Vibrationsmodelle dabei helfen, Unwuchten in anderen Flugzeugen zu identifizieren? Wie können Propeller-Vibrationen reduziert werden?
Um beide Fragen zu beantworten, benötigen wir robuste Daten, um die betreffenden Propeller zu charakterisieren.
Bei Tyto Robotics haben wir ein dynamisches Propeller-Auswuchtsystem entwickelt, mit dem Benutzer Unwuchten in ihren Propellern quantifizieren und korrigieren können.
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Abbildung 5: Hinzufügen von Gewichten zu den Rotorblättern eines Propellers, um eine gleichmäßige Massenverteilung zu erreichen
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