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© Rudolf Fiala,  1. 10. 2004

Failsafe-Vergleich PPM und (S)PCM

Teil1: Funkverbindung (S)PCM

Teil2: Funkqualitätserkennung PPM

Teil 3: Realisierbare Rettungssystem-Vision


Von  PPM-Empfänger erzeugenden Herstellern wird seit einiger Zeit auch eine "Failsafe"-Funktion und/oder "HOLD"-Funktion in deren Empfängern angeboten. Es besteht eine bestimmte Ähnlichkeit zu (S)PCM, die Unterschiede sind allerdings nicht nur für den Techniker gravierend, sondern haben auch prinzipielle Auswirkungen auf den Flugbetrieb.

Der Sinn von Failsafe-Prozeduren ist, schlechte Funkverbindungen ohne gefährliche, zufällige "Flugfiguren" zeitlich zu überbrücken, Störungen produzierende Motoren zuzuregeln - damit bei dann verringertem Störpotenzial wieder eine modellrettende Funkverbindung vorhanden ist - bis zum gewollten Absturz zum Schutz von Menschen vor unkontrolliert weiterfliegenden Modellen.

Teil1: Wie erkennt ein (S)PCM-Empfänger eine schlechte Verbindung:

 
(Alles das, was weiter unten unter 1)-5) angeführt ist, betrifft auch einen (S)PCM-Empfänger, hat aber keinen Bezug auf die  empfängerinterne Qualitätsbeurteilung der SPCM-Funkverbindung.)

Mit (S)PCM geht das auf eine im Prinzip bestechend einfache Art:
Es wird mit dem binär gesendetem Zahlenpaket der einzelnen Servostellungs-Sollinformationen eine aus diesen Zahlen errechnete Prüfsumme beliebiger Methode mitgesandt. Bei JR/Graupner-SPCM in Gruppen von je zwei Servos.
Der Empfänger errechnet jetzt aus der Servo-Sollinformation auch eine Prüfsumme und wenn die mit der gesendeten übereinstimmt, werden die Servo-Sollinformationen an die 2 Gruppenservos FREIGEGEBEN und an die Servos weitergegeben. "Freigegeben" ist aus später erkennbaren Gründen hervorgehoben.
Damit ist auch sofort offensichtlich, dass es bei SPCM nicht nur als Wirksamstes ein Total-Failsafe gibt, sondern je nachdem auch ein Gruppen-Failsafe von nur 2 Servos. Wobei auch der funkverbindungsabhängige Failsafewechsel zwischen den jeweiligen 2-Servogruppen nicht nur möglich ist, sondern auch den Regelfall darstellt.
Gerade dadurch ist aber verursacht, dass sich "leichte" Failsafe-Erscheinungen bei SPCM nicht unbedingt am Gasservo bemerkbar
machen. Leider.

Warum betone ich "freigegeben": Bei SPCM ist der Empfänger praktisch dauern gesperrt und nur bei Eintreffen von korrekten Prüfsummen pro Servogruppe arbeitet er so, wie wir das fliegerisch gerne haben.
Keine korrekte Prüfsumme(n) >>  keine Impulsweitergabe der NEUEN Stellung(en) an die Servos. Pech gehabt, sozusagen.

Die "alten", vorherigen, nicht vergessenen Impulslängen werden aber dank HOLD an die Servos weitergegeben, oder die entsprechenden Impulslängen bei einprogrammierten Failsafe-Servostellungen. Z.B. eben Leerlauf, "Motor aus" o.Ä.

Interludium:

Beim Frequenzmodulationsverfahren werde freilich keine Hochfrequenz-Impulse übertrage sondern Änderungen zwischen zwei Frequenzen. Ich bitte den geneigten Leser unbedingt den PPM-(S)PCM-Vergleich  hier zu lesen, er macht das Verständnis der folgenden Zeilen viel  leichter. Und begründet auch, warum manche der bei PPM lästigen Funkeinflüsse -  ergeben eben die unerwünschten Servobewegungen -  bei  (S)PCM  systembedingt gar keine Wirkung haben.

Da Störungen bei (S)PCM weiters auch keinen Einfluss auf die endgültige Servoimpuls-Länge haben, stehen die Servos bis zur Reichweitengrenze und darüber ruhig. Hie und da merkbare "Shots" sind im Nachregeln der Stellung wegen Kompensationsvorgängen (Temperatur, Akkuspannung, Beides aber auch u.U. vom Sender her) begründet.

Die "übliche" 1-Antennenglied-Reichweitenprobe am Platz MUSS bei (S)PCM freilich anders sein und bedarf einfachheitshalber zweier Leute:
Der "Sendermann" geht die üblichen, von PPM gewohnten ca.50m weg. Werden dabei die Knüppel zügig, nicht zu schnell betätigt, ist der ERSTE kritische und wichtige Punkt dort erreicht, bei dem der "Empfängermann" einen ruckartigen Ruder/Servolauf feststellt.       
Der ZWEITE Punkt wäre erreicht, wenn die Servos in Dauer-HOLD gehen. Im Unterschied zu PPM-Empfängerkonzepten aus dem vorigen Jahrhundert, gibt es da eben kein immer mehr zunehmendes Servogezucke.
Wenn man bei dieser Entfernung einen (S)PCM-Empfänger ausschaltete, die Servos verdreht und dann wieder einschaltet, werden sie nicht mehr in die bei einer korrekten Funkverbindung vorgegebene Stellung laufen.

Die (S)PCM Reichweitenprobe wird etwa um ca. 30%-50% weiter gehen.

Teil 2: Wie erkennen PPM-Empfänger Verbindungsfehler:

Es gibt da mehrere methodische Ansätze, was beweist, dass es keine mathematisch begründete Methode mit allein seeligmachendem Vorgang wie bei (S)PCM gibt. Diese Methoden sind auch kombinierbar.
Es würde hier zu weit führen, auf die Möglichkeiten in neueren PPM-Empfängern dank Einführung von Prozessoren und Digitaltechnik
im Detail einzugehen. Das "Blackbox"-Prinzip reicht zur Information.
Mit einer für diesen Aufsatz wichtigen Ausnahme allerdings: Durch die Speicherung der aktuellen Impuls-Längen pro Senderzyklus (Frame), stehen diese beim nächsten Zyklus ca. 22msec später für Vergleiche, als Ersatz, als Rechenwerte für Mittelwertbildungen - möglich und sinnvoll durch die beschränkte Servolaufgeschwindigkeit! - etc. zur Verfügung.

Was ändert sich in einem Empfänger bei immer schlechter werdender Funkverbindung:

1) Die Feldstärke des empfangenen Signals
2) Das Nutzsignal/Bandstörungsverhältnis (HF-Hintergrundlevel praktisch konstant)
3) Diverse Regelspannungen im Empfänger und Rauschanteile auf Signalleitungen
1)-3) gilt auch für (S)PCM-Empfänger

4) Nach der HF-Dekodierung: Die rauschbedingten-Abweichungen zwischen "sauberem" Sendersignal und vom Empfänger "verstandenem". Hier kann "sich" aber ein (S)PCM-Empfänger viel mehr Toleranz "leisten" als ein PPM-Empfänger, siehe obigen Link.
 
5) In Extremfällen: Die prinzipielle Sinnhaftigkeit (Plausibilität) der als scheinbar richtig erkannten Impulslängen

Genau diese Extremfälle 5) behandeln die modernen Failsafe-Prüfmethoden in PPM-Empfängern, die zwar PPM-codierte Informationen erhalten, aber mit heutiger (2004) Technologie große Schaltungsbereiche mit lupenreiner ADA-Digitaltechnik beinhalten können.
Analog-Digital-Analog wegen der noch immer nicht direkt mit Binärzahlen direkt versorgten Servos. Wobei Digitalservos das D-A-Spiel jetzt nochmals machen, siehe "Wie funktionieren Digitalservos." (JR/Graupner und Futaba)

Ungeprüfte Impulsketten schauen so wie blau bezeichnet aus, aber nur wenn es keine Störeinflüsse gibt:

Impulskette

Bei Störeinflüssen, auch von Bord!, kann ein Impuls "gespaltet" werden, wobei zB. K2 in 2 Teilimpulse zerlegt wird. Was aber ein Empfänger ohne Impuls-Plausibilitätsprüfung nicht erkennen kann und die jetzt außer Tritt gekommene Impulskette mit für das jeweilige Servo völlig falschen Impulslängen an die Impulsformung für die Servos weitergibt. Chaos pur. Siehe Kanal 5, der seinen kurzen K5-Impuls bekommen sollte, aber jetzt das Servo mit dem langen, für K5 falschen K4-Impuls lospreschen lässt. Und das dann beim nächsten korrekten Durchgang ohne Störung erst wieder zurückpreschen muss!

ABER: bei Normalflug-Impulslängen bis ca. 1,8 msec ist einer der beiden Impulsreste ZWANGLÄUFIG kürzer als 0,9 msec, somit außerhalb der zulässigen Impulsbreite. Über 1,8msec ist zwar das "Kürzer als 0,9" nicht mehr zwangsläufig, aber nach statistischen Gesetzen oft genug vorhanden.
Der kurze Teilimpuls "ist somit nicht plausibel" und das kann man dazu verwenden, derartige Impulse zu unterdrücken UND die Impulskette nicht außer Tritt kommen zu lassen.

Allerdings ergeben alle Plausibilitäts-Kontrollmethoden eine geringe Zeitverzögerung der Befehlsweitergabe an die Servos:
• Es soll ja nur ein geprüft als richtig interpretierter Impuls weitergegeben werden. "Interpretierter" als Wort ist meine Absicht und der wesentliche Unterschied zum (S)PCM-Prüfsummenverfahren. Es wird ja vom PPM-Sender keinerlei Datenredundanz mitgesendet.

• Wenn einzelne Impulse der Kette als fehlerhaft interpretiert werden, sollen sie durch die zuletzt gültigen (entspricht HOLD!) ersetzt werden=Methode 1. 
Methode 2 ersetzt die ganze Kette ab dem gestörten Impuls durch die vom vorigen Durchgang vorhandene Restkette.
Mehode 3, die prinzipiell langsamste mit generell ca.22msec Zeitverzögerung: bei Erkennen einer Störung prinzipiell die ganze Kette durch die alte ersetzen. Da man erst am Ende der empfangenen Kette die Kettenplausibilität erkennt, kann man sie erst dann weitergeben oder durch die vorherige ersetzen, statt die Impulse direkt an die Servos durchzureichen, wie ohne Plausibilitätskontrolle.

Wenn man das schlau wie ACT beim neuen DDS10-Empfänger macht, kommt man mit einer ganz geringen Prüfzeit aus, beim DDS10 sind das etwa 7,5msec, weniger Zeitverlust als durch das Prüfsummenmanagement bei PCM. Und funktioniert natürlich bei jedem PPM-Sender, sogar bei den einfachsten und billigsten.

Das ist im Prinzip bereits die HOLD-METHODE bei "intelligenten" modernen PPM-Empfängern.
Während ein SPCM-Empfänger aber immer quasi geschlossen ist und nur bei passender Prüfsumme weitergibt, ist ein Impulsmanagement-fähiger PPM-Empfänger immer komplett offen und prüft bezw. verwirft Impulse außerhalb der zulässigen Breite. Alles was nur irgendwie hineinpasst geht an die Servos weiter. Ein eklatanter Unterschied zu (S)PCM.
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Noch kurz zu schönrechnenden Impulsmanagements. siehe auch Empfängertaktik.

Billige Sender zeichnen sich u.U. durch "wackelnde" Impulse ("Impuls-Jitter") aus.
Die Auswirkung, nämlich ein ununterbrochenes leichtes Servogewackel und/oder Gebrumme samt Stromverbrauch kann man mit einem gleitenden  Mittelwert-Bildungsverfahren schönrechnen. Es wird zB. immer der Mittelwert aus den 3 letzten empfangenen Werten errechnet und an das Servo weitergegeben.
Dass das bei größeren Servoausschlägen funktioniert hat einen einfachen Grund: Die beschränkte Laufgeschwindigkeit der Servos.

Ein schnelles 0,1sec/45° Servo braucht eben für diese 0,1sec ca. 4 Senderzyklen (Frames), eher mehr, wenn man den Anlauf und die Trägheit dazurechnet. Was bedeutet, dass das Servo auf seinem Lauf trotz der Mittelwertbildung immer ausreichend schnell mit den  anzusteuernden Positionen - halt in 3 nicht merkbaren Stufen -  versorgt wird.

Bei sehr kleinen Knüppelausschlägen oder Trimmveränderungen kann es allerdings zu minimalen "Loskriechen"-, "Hinkriechen"- und "Einkriechen"-Erscheinungen kommen. Wer die uralten MC-Servos ohne "V2" in seinem Besitz hat, kann diese Erscheinung dort intensiv beobachten.

Dieses Schönrechnen hat freilich einen Vorteil: wenn der Mittelwert aus 3 Werten gebildet wird, sind auch die Auswirkungen eines einzelnen Fehlwertes nur ein Drittel so groß als bei direkter Verwendung. Aber dafür durch das durchgleitende Rechnen etwas länger, nämlich 3 Zyklen lang bei eben 3 Mittelwert-Rechenteilwerten.
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A) Plausibilitätskontrolle samt HOLD und schönrechnende Impulsmanagements kann man natürlich sinnvoll kombinieren.
B) Bei einer Programmiermöglichkeit des Empfängers, wie beim ACT-DDS10, kann man auch Failsafe zB. für den Antriebsmotor
ähnlich wie bei (S)PCM einrichten.

Die in Prospekten auffindbare Anmerkung, dass IPD doppelt so schnell sei als PCM, kann Graupner-seitig gar nicht widersprochen werden. Das alte 9-Bit mc20-PCM war tatsächlich langsam.
Spätestens seit dem mc22-Sender mit SPCM, somit seit ca. 2000, ist diese generelle Behauptung obsolet, irreführend und somit hochgradig verwerflich. Besonders bei Gegenüberstellung einer SPCM-mc22-Fernsteuerung und üblichen PPM-Fernsteuerungen mit um einen Zyklus langsameren Sendern.

Zeitwerte nachzulesen bei meinem mc22-Bericht mit diesem Link.

Impuls-Abhandlung und Zeit-Vergleichswerte: mein ACT-DDS10-Bericht


Teil 3: Zukunftsvision  Rettungssysteme:

Failsafe-fähigen Empfänger sind die absolute Notwendigkeit für den Einsatz OPTISCHER Autopiloten (Horizontfindern), deren Fluglage-Korrektursignale ein Modell in Bezug auf Höhenruder und Querruder horizontalfliegend in der Luft halten können. Solange der momentan erkennbare Horizont nicht durch Geländeunebenheiten oder - beim Tieferkommen - durch Bebauung oder Pflanzen verfälscht ist. Dann steuert ein optischer Horizontfinder konzeptgemäß freilich derart, dass er die momentane Hell-Dunkellinie als Referenz nimmt, was in Bodennähe zu unerwünschten Flugzuständen führen MUSS.

Modernisierte Empfängersysteme könnten noch wesentlich mehr bieten, wie ich es schon im vorigen Jahrhundert prognostiziert habe. Nämlich eine Empfänger-Schnittstelle zwischen Demodulation und Impulsaufbereitung für zB. Doppelempfänger-Systeme.

Bahnbrechend wurde das 2004 von ACT mit dem neuen DDS-10 Konzept verwirklicht (siehe obige ACT-DDS10-Link):

Zwischen dem Empfangsteil und dem leistungsfähigen Servoimpuls-Formungsteil befindet sich ja die große ACT-Neuheit, nämlich eine auch von Außen - von dem anderen Diversityempfänger - ansteuerbare Schnittstelle. Es gibt allerdings überhaupt keine Grund anzunehmen, dass dieser "Außeneinfluss" ausschließlich von einem Fernsteuer-Funkempfänger kommen muss.

Beispielsweise bietet sich hier als Steuerungsquelle bei erkanntem Funkverbindungsverlust GPS (Global Positioning System) an, mittels dem das Modell durch eine schlaue Elektronik, eventuell verstärkt durch Kreisel und/oder opto-elektronische Horizontfinder, wieder zum Startort - und somit in den guten Funkverbindungsbereich -  zurückgeführt werden kann. Gemütlich mit zB 80km/h, statt +300-Turbinen-km/h, in etwa 100m Höhe über dem beim Empfängereinschalten gespeicherten Startort.
Wenn dann in Startortnähe nach ein paar Minuten noch immer keine Verbindung zu Stande kommt, könnte der Motor/Turbine abgeschaltet und ein Rettungsfallschirm ausgestoßen werden.
 
Oder noch besser mit einer Eingreif-Chance bis zur letzten Minute: der Sprit könnte in konstanter Höhe - in sich automatisch ergebenden Schleifen beim Überschießen - in Startpunktnähe verflogen werden. Wenn der Motor steht, würde die Automatik nur mehr ein paar Sekunden noch die Höhe halten können und das Modell immer langsamer werden und letztendlich durchsacken. Dieses Ereignis wäre mittels GPS erkennbar und könnte den Fallschirm-Ausstoß auslösen. Alles ohne bestehender Funkverbindung!

Spintisiererei? Mag sein, aber bei Modellwerten bis zu 10.000.- Euro und darüber, und dem Gefährdungspotential schneller, schwerer und treibstoffgefüllter Modelle hat sich garantiert schon manch Betroffener ein zuverlässiges Rettungssystem statt des erfolgten Absturzes gewünscht. Ein derartiges Rettungssystem würde nämlich auch bei Frequenz-Doppelbelegungen oder ungewolltes Hijacking bei lokal stärkerem Sender (erkennbar durch Ausbleiben eines persönlichen Erkennungs-Impuls des Senders auf zB. K11) funktionieren. Nämlich bis zum Verlassen des Bereichs einer nur lokalen Doppelbelegung  - Bastler in nächster Ortschaft, Wildflieger etc. - oder Enttarnen des Missetäters am eigenen Flugplatz. Wozu ja bei den ziemlich langen Spritausflugzeiten eine gute Chance bestünde.

Dass das Rückkehr- und Rettungsfallschirm-Konzept auch schon in der Dronen-, Ultralight-(nur Fallschirm) und Weltraum-Fliegerei bewährt ist, ist ein weiterer Grund über ähnliche Systeme  zielführend , nämlich Absturz-verhindernd und Personenschaden-verhindernd nachzudenken. 
Zivile, vergleichsweise billig Komponenten sind jetzt besonders mit dem DDS-10 bereits vorhanden. In Modellsegelflugzeugen mitfliegende GPS-Empfänger mit 23 Gramm gibt auch es bereits (FMT) zu Wendemarkenbeurkundung. Details www.skynavigator.ch
Es fehlt "nur" mehr die funktionelle Verknüpfung.


Rudolf Fiala
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