http://rudolf-fiala.info      Moderne Fernsteuerungen: Adaptierte "alte Hüte"?
    An der Schwelle zu etwas tatsächlich Neuem

     © Rudolf Fiala,  1. 7. 2006, aktualisiert 3.1.2007     

Besuchszahl: 

Seit mehr 40 Jahren sind manche Details derzeit "hochmoderner" Fernsteuerungen erfunden und wurden im Prinzip nur dank modernerer Elektronik für aktuelle kaufbare Produkte adaptiert.

Mit der "Spread Spectrum Technologie" stehen wir in den Startlöchern für etwas für den Fernsteuersektor tatsächlich Neuem und die bis heute  vorliegenden weltweiten Erfahrungen in Amerika mit dem DX6-System, und in Amerika schon mit dem DX7-System lassen vermuten, dass auf dieser Basis endlich ein störsichereres Fernsteuersystem machbar ist. Alle sogenannten "Marktführer" arbeiten an Derartigem, wobei sogar erleichternd dazu kommt, das jener Teil der Fernsteuersender, der die Informationen für die Hochfrequenz-Modulation liefert - also der gesamte vom Piloten bediente Senderteil - gleich bleiben kann. Auch ist die 2.4GHz Empfängertechnologie aus den Verwendungen der Computertechnologie bekannt und birgt keinerlei Geheimnisse mehr.

Wobei nicht einmal feststeht, dass hier nur das 2.4GHz-Band in Frage kommt. Hängt sicher auch damit zusammen, zu welchen lobbyistische Leistungen die Hersteller fähig sind. Wenn es um Umsätze, Gewinne, Steuereinkünfte etc. geht, sollte man bezüglich eines eigenen Gigahertz-Frequenzbereiches für Fernsteuerungen nicht resignieren.

Man kann freilich die Möglichkeiten der Gigahertz-Technologie verwenden, auch gleich etwas ganz Neues zu entwerfen.
Z.B. eine Fernsteuerung mit Übertragungsfehler-Rückmeldung zum Piloten und Ähnliches. Und freilich ein schlagkräftiges Fehler-Korrrekturverfahren im Empfänger, sodass Übertragungsfehler (fast) keine Rolle - ähnlich wie bei der CD -  mehr spielen.

Warum das bei unserer bisher üblichen Technologie auf 35MHz nicht möglich ist, ist in der zulässigen Bandbreite - sprich Anzahl der maximal übertragbaren Informationen pro Sekunde - und dem Kanalabstand von 10kHz begründet. Interessanterweise gibt es da bei den amerikanischen Anlagen der gleichen Hersteller auf 72MHz und 20kHz Kanalabstand die gleichen übertragenen Informationsmengen und kein Bit mehr.

Der Zweck dieses Aufsatzes ist einerseits dem Technikinteressierten einige Informationsquellen zu neuen Technologie zu liefern und andererseits eine geschichtliche Zusammenfassung der bisherigen Technik zu liefern.

Informationen zur "Spread-Spectrum" Technologie, inkl.2006 kaufbarer DX6:

Grundlagen für 2.4GHz-Neulinge, Mein DX6-Erfahrungsbericht

Hier findet man so ziemlich Alles, wie bei fast jeder Internetdiskussion ist das Aktuellste hinten: RC-Line 2.4GHz
Da geht es aber seit ca. 1 Jahr sehr bunt zu, eine Durchmusterung der Fernsteuersparte bringt hier Vieles, auch über kommende Geräte wie von Futaba und anderen.
Eine gut fundierte Spekulation aus eigener Feder, hier in der Mitte: Neue Fernsteuerungstechnologie bei Graupner?

  
Moderne Fernsteuerungen: Adaptierte alte Hüte aus den letzten 50 Jahren.
Klingt doch ziemlich brutal, nicht wahr? In ein paar Minuten pflichten Sie mir sicher bei, vermute ich:

1950-1960:

Einkanal-Proportionalsteuerung mittels eines Gebers, der verstellbar an einer drehenden, entsprechend teilisolierten Scheibe unterschiedlich lange Sendesignale und Sendepausen auslösen konnte. Am Ruderservo war eine Feder, die das Ruder bei nicht vorhandenem Hochfrequenzsignal gegen eine Endlage zog, der Motor bei Strom in die andere. Je nach Verhältnis von "Impuls" und "Pause" ergab sich ein bestimmtes mechanisches Gleichgewicht und somit eine bestimmte Ruderstellung. Selbige flatterte leicht ("Flattersteuerung"), da die Wiederholfrequenz (=mechanische Drehzahl) des Impulsgenerators bei wenigen Hertz lag.

Mehrkanal-Fernsteuerung mittels "Tonkreisen" (resonanzfähige Frequenzfilter ab Erfindung des Transistors) oder mechanisch Resonanz-fähigen "Zungenfiltern" (alle Zungen unterschiedlich lang = unterschiedliche Resonanzfrequenz mit Kontaktbetätigung)

ca. 1962: Der Höhepunkt dieser Entwicklung war dann die pneumatisch betriebene "Kastner"-Anlage für Flugmodelle, die die beiden obigen Methoden erfolgreich kombinierte.

In dieser Zeit war auch der Höhepunkt der Tip-tip-Tonkreisanlagen wie Bellaphon und 10 Kanal Metz-Mecatron.

Also: Töne wurden für die Übertragung bestimmter Informationen zugeordnet, gesendet und im Empfänger ausgewertet. Im Modell betätigten sie dann Feder-neutralisierte Servos oder unneutralisierte Servos für zB. die Höhenrudertrimmung.

Ab etwa 1965 gab es die ersten kaufbaren AM-Proportionalanlagen, die bereits eine Impulskette in Rechteckform übertrugen, wobei das Verhältnis von Impuls "EIN" und Impuls "Pause" die Steuerlage ergab. War der Rechteckimpuls symmetrisch, stand das Servo in der Mitte.
Die Stellgenauigkeit war damals um vieles schlechter als heute, bei den damals Tip-tip-üblichen Rudergrößen und Ausschläge war das aber zu verschmerzen. Das Alles noch auf 27MHz.

Nicht zu verschmerzen war allerdings die Qualität der damals aufkommenden NiCd-Akkus, wegen Ihres Aussehens "Blaustrumpf" genannt, deren Neu-Kapazität 450mAh bezogen auf einen Strombelastung von 45mA war. Selbige waren auch nur in der Folie ohne Lötung eingeschrumpft.

Damals kostete eine 4-Kanal-Steuerung mit 4 handgefertigten Servos 12.500.- öS, was im Vergleich zu Gehältern und Lebenskosten heute mit etwa EURO 10.000 gleichgesetzt werden kann. Ein Blaustrumpf öS 350.-, also nach heutiger Kaufkraft mehrere 100 Euro.

Im nächsten Jahrzehnt ab ca.1970 kam dann der Durchbruch der störungssichereren Frequenz-Modulation, das neue Frequenzband war schon 35 MHz, zuerst mit 300kHz Frequenzabstand und dann mit 10kHz Frequenzabstand.
Impulskette
Weiters wurden für die Informationsübertragung nicht mehr das "Puls-Pausen Verhältnis" eines Rechteckimpulses verwendet, sondern die Länge eines für ein Servo zuständigen Impulses, wobei die Übertragung des Pulslängen-Endes für ein Servo der Startzeitpunkt für die Längenauswertung des nächsten Servos war. Ist, denn genau so ist es noch immer.
    

In dieser Zeit gab es schon Sender, die Werte für Servomitte, Servoweg, Mischfunktionen etc. für EIN Modell in Form von Potentiometerstellungen speichern konnten. Aber eben auf analoger Basis. Was den Vorteil hatte, dass diese Anlagen auch noch heute bezüglich der Weitergabe der Steuerbefehle an die Servos unerreicht schnell waren. Sie hatten eine wesentlich kleinere Antwortzeit ("Responsetime","Delaytime",etc.) als heutige Anlagen, weil keine digital gespeicherten Werte abgefragt und im Sender vor dem Senden verarbeitet werden mussten.
Der diebezügliche Analog-Höhepunkt war die Webra-Expert 9.

Dann begann der Siegeszug der Digitaltechnologie mit vielen speicherbaren Werten und folgerichtig speicherbaren Modellen.
Eigentlich zwangsläufig ergab sich auch dadurch der Schritt zur Datenübertragung mittels PCM-Codierung. Beginnend mit 256 Stufen, dann 512 und ab Ende des vorigen Jahrhundertes mit 1024 Stufen. Seit 2005 gibt es auch schon 2048 Stufen beim Futaba-G3-Modulationsverfahren. Was freilich für die Knüppelbetätigung kaum relevant ist, bei den derzeit großen Ruderflächen bei 3D-Modellen und ihren großen Ausschlagswinkeln allerdings eine genauere Trimmung ermöglicht.
So genau, wie es mit der PPM-Modulationsform, siehe obige Skizze und guten Servos schon mehrere Jahre möglich ist. Und schneller möglich ist, da das PCM-Management samt seiner Übertragungs-Prüfroutinen zusätzliche Zeit - zusätzlich ca. 10-20msec - verbraucht.

Reaktionszeiten 

Warum derartige Zeitverluste NICHT unwesentlich sind, ist hier nachzulesen: reaktion.html

Modernere und sicherere Datenübertragungsverfahren - zB "Quadraturmodulation" -  fallen weg der benötigten Bandbreite im 35MHz-Band leider unbenützbar weg.


Es wurde schon das Stichwort Futaba-G3-PCM-Modulationsverfahren erwähnt.
Und im oberen Diagramm kann man den Responsetime-Gewinn gegenüber SPCM und PCM erkennen.

Der Treppenwitz der Technikgeschichte, der in den Restriktionen des 35MHz-Bandes begründet ist, ist folgender:

Dieses aktuell modernste Fernsteuerungs-Modulationsverfahren ist im Prinzip wenig mehr als das bereits seit Jahrzehnten benutzte digitale übertragungsverfahren namens "PCM" aber kombiniert mit mehreren Frequenzen, wie wir es schon vor mehr als 40 Jahren hatten! Im Unterschied zu älteren Ton-Modulationsverfahren wird hier aber quasi zwischen 4 Hochfrequenzen umgeschaltet. 

Bei bisherigen PCM-Verfahren gab es die Grundfrequenz und einen Hub.
Futaba-G3 verwendet 4 Frequenzen: Die Sende-Grundfrequenz zB. 35.100 MHz und schaltet auf 3 weiter Frequenzen je nach Detaildaten um.

Allerdings gibt es dabei ein prinzipielles Problem: diese "Frequenzhübe" müssen ziemlich genau erkannt werden. Trotz zB massiver Bordstörungen durch starke Elektromotoren, getakteten Spannungsreglern und was es noch an sonstigen "Elektro-Smog-Erzeugern" an Bord gibt

Beim "alten" SPCM oder PCM1024 reichte theoretisch die Grundfrequenz zu verarbeiten und zu erkennen, wenn und wann diese Grundfrequenz per Hub verlassen wurde. Quasi pures "Ja" oder "Nein". Das gilt natürlich bei PCM-G3 nicht mehr.

Zum prinzipiellen Unterschied PPM zu 2-Frequenz PCM, und warum PCM die sicherere Übertragungsart ist, siehe: PPMPCM.html

Die Verlässlichkeit des PCM-G3 ist derzeit seit 2005 in Praxiserprobung. "Wunder" wie Absturzfreiheit kann man auch mit diesem System nicht erwarten.

Aber: Ich möchte ausdrücklich festhalten, dass der bewusste G3-"Test"-Betrieb eines stark elektrifizierten ca. 1.5Meter Funflyers in 500m Entfernung und 80m Höhe (laut Pilotenbericht) aus mehreren technischen(!) Gründen einen absoluten Leichtsinn darstellt. Der daraus tatsächlich resultierende Absturz ist keine Überraschung und hatte eine hohe Eintrittswahrscheinlichkeit.

Apropos Eintrittswahrscheinlichkeit: auch bei bester Ausrüstung steigt die statistische Wahrscheinlichkeit von technischen Fehlern mit der Anzahl der Komponenten und/oder Subsystemen an Bord.
Trivial, aber nur zuuu wahr: "Was nicht an Bord ist, kann keinen Fehler verursachen": komplex.html

PPM: Impulsbehandlungen wie Plausibilitätskontrolle, Mittelwertbildungen und Glättung gegen "Ausreißer": auch nichts Neues, gab es schon bei den ersten Multiplex-"mc"-Servos mit Mikroprozessor in den frühen 90iger Jahren. Mit großen Antwortzeitverlusten verbunden.

Leider wieder aufgegeben:

Bei den ersten Multiplex-PCM-Empfängern, irgendwann in den 80iger Jahren, war am 4. Servosteckerstift das PCM-Signal vorhanden. Prinzipiell hätte man damit schon ein "Digital"-Servo ansteuern können und sich bei Verwendung von Digiservos die Umwandlung der PCM-Signale im Empfänger auf die üblichen Servo-Impulse und dann im Servo die Rückumwandlung ("Sampling") in Binärwerte ersparen können.

Fazit:
Unsere "moderne" Fernsteuerungstechnik beruht auf 50, 40, 30, 20 Jahre alten und antiqierten Methoden mit jenen Verbesserungen, die die Entwicklung der Bauteile brachte. Und kaum mehr. Im Unterschied zu Telefon, PC oder Funkamateuertechnik.
"Ja, wenn das ohnedies genügt?" könnte man fragen, wozu der Wunsch nach etwas wirklich Besserem mit einer weniger anfälligen Übertragungstechnik: Es genügt eben nicht, wie unzählige Modellabstürze weltweit beweisen, die nicht in Pilotenfehlern begründet sind.

Mit der 2.4GHz-Technik sind allerdings potentiell sicherheitsverbessernde Systeme in Aussicht, die zumindest das Problem der Gleichkanalstörung massiv verringern können.

  
Rudolf Fiala
Hauptseite ........... Hauptseite ohne Vorwort