How Drones Fly
A modern quadcopter can rise vertically, hover in one position, fly forwards, move sideways and rotate almost instantly.
Ein moderner Quadrocopter kann senkrecht steigen, an einer Position schweben, vorwärts fliegen, sich seitwärts bewegen und sich nahezu sofort drehen.
It does this without wings, a traditional aircraft engine or a complicated mechanical control system.
Dies geschieht ohne Tragflächen, einen traditionellen Flugzeugmotor oder ein kompliziertes mechanisches Steuerungssystem.
Instead, several electric motors continuously change the speed of their propellers.
Stattdessen verändern mehrere Elektromotoren kontinuierlich die Geschwindigkeit ihrer Propeller.
A flight controller uses information from sensors to calculate these changes many times every second.
Ein Flugcontroller verwendet Informationen von Sensoren, um diese Veränderungen viele Male pro Sekunde zu berechnen.
On this page, you will learn about lift, thrust, motor speed, pitch, roll, yaw, hovering and the electronic systems that keep a drone stable in the air.
Auf dieser Seite lernen Sie etwas über Auftrieb, Schub, Motordrehzahl, Pitch, Roll, Yaw, Schweben und die elektronischen Systeme, die eine Drohne in der Luft stabil halten.
Drone Flight at a Glance
The Basic Principle of Drone Flight
To understand how a quadcopter flies, we first need to understand what its propellers do.
Um zu verstehen, wie ein Quadrocopter fliegt, müssen wir zunächst verstehen, was seine Propeller tun.
Each motor turns a propeller at high speed.
Jeder Motor dreht einen Propeller mit hoher Geschwindigkeit.
The rotating propeller accelerates air downward.
Der rotierende Propeller beschleunigt Luft nach unten.
As air is pushed downward, an opposite force acts on the drone.
Wenn Luft nach unten gedrückt wird, wirkt eine entgegengesetzte Kraft auf die Drohne.
This upward force contributes to the lift that supports the aircraft.
Diese nach oben gerichtete Kraft trägt zu dem Auftrieb bei, der das Fluggerät trägt.
When the total upward force is greater than the drone's weight, the drone rises.
Wenn die gesamte nach oben gerichtete Kraft größer als das Gewicht der Drohne ist, steigt die Drohne.
When the upward force is smaller than the drone's weight, the drone descends.
Wenn die nach oben gerichtete Kraft geringer als das Gewicht der Drohne ist, sinkt die Drohne.
Key idea: A quadcopter controls its movement mainly by changing the speed of individual motors and therefore changing the forces produced by the propellers.
Grundidee: Ein Quadrocopter steuert seine Bewegung hauptsächlich dadurch, dass er die Geschwindigkeit einzelner Motoren und damit die von den Propellern erzeugten Kräfte verändert.
Why Do Some Propellers Turn in Opposite Directions?
A quadcopter normally has four rotors, but they do not all rotate in the same direction.
Ein Quadrocopter hat normalerweise vier Rotoren, aber sie drehen sich nicht alle in dieselbe Richtung.
Typically, two propellers rotate clockwise and two rotate counter-clockwise.
Typischerweise drehen sich zwei Propeller im Uhrzeigersinn und zwei gegen den Uhrzeigersinn.
This arrangement helps balance the rotational forces produced by the motors and propellers.
Diese Anordnung hilft dabei, die von Motoren und Propellern erzeugten Drehkräfte auszugleichen.
If all four propellers turned in the same direction, their reaction torque would tend to rotate the drone's body in the opposite direction.
Wenn alle vier Propeller in dieselbe Richtung drehen würden, würde ihr Reaktionsdrehmoment dazu führen, dass sich der Körper der Drohne in die entgegengesetzte Richtung dreht.
By using opposite pairs, these rotational effects can largely cancel one another during stable flight.
Durch die Verwendung gegenläufiger Paare können sich diese Dreheffekte während eines stabilen Fluges weitgehend gegenseitig aufheben.
The drone can then deliberately create an imbalance when it wants to rotate.
Die Drohne kann anschließend gezielt ein Ungleichgewicht erzeugen, wenn sie sich drehen möchte.
How Does a Drone Hover?
Hovering means remaining in approximately the same position in the air.
Schweben bedeutet, ungefähr an derselben Position in der Luft zu bleiben.
For a drone to hover, the total upward force must approximately balance its weight.
Damit eine Drohne schwebt, muss die gesamte nach oben gerichtete Kraft ungefähr ihrem Gewicht entsprechen.
If the motors produce too much lift, the drone begins to climb.
Wenn die Motoren zu viel Auftrieb erzeugen, beginnt die Drohne zu steigen.
If they produce too little, the drone begins to descend.
Wenn sie zu wenig erzeugen, beginnt die Drohne zu sinken.
In perfectly calm air, this might sound simple.
Bei vollkommen ruhiger Luft klingt dies möglicherweise einfach.
In reality, wind and small movements continuously disturb the aircraft.
In Wirklichkeit stören Wind und kleine Bewegungen das Fluggerät kontinuierlich.
The flight controller therefore makes constant corrections to individual motor speeds.
Der Flugcontroller nimmt daher ständig Korrekturen an den Geschwindigkeiten einzelner Motoren vor.
A drone that appears to be completely still is actually making many tiny corrections every second.
Eine Drohne, die vollkommen still zu stehen scheint, nimmt tatsächlich jede Sekunde viele kleine Korrekturen vor.
The Main Drone Movements
A quadcopter controls its direction by changing the balance of forces produced by its rotors.
Climb and Descend
All motors increase speed to create more lift and climb. Reducing the total lift allows the drone to descend.
Pitch
Pitch tilts the drone forwards or backwards. The direction of the total rotor force then changes and moves the aircraft horizontally.
Roll
Roll tilts the drone to the left or right by changing the balance of lift between the two sides.
Yaw
Yaw rotates the drone around its vertical axis by creating an imbalance between clockwise and counter-clockwise rotor torque.
Pitch – Moving Forwards and Backwards
To move forwards, a quadcopter normally tilts its body forwards.
Um sich vorwärts zu bewegen, neigt ein Quadrocopter normalerweise seinen Körper nach vorne.
The flight controller creates this tilt by changing the relative speeds of the front and rear motors.
Der Flugcontroller erzeugt diese Neigung, indem er die relativen Geschwindigkeiten der vorderen und hinteren Motoren verändert.
When the drone is level, most of the total rotor force acts vertically upward.
Wenn die Drohne waagerecht ist, wirkt der größte Teil der gesamten Rotorkraft senkrecht nach oben.
When the aircraft tilts forwards, part of this force points forwards.
Wenn sich das Fluggerät nach vorne neigt, zeigt ein Teil dieser Kraft nach vorne.
The drone therefore begins to accelerate horizontally.
Die Drohne beginnt sich daher horizontal zu beschleunigen.
Tilting backwards produces movement in the opposite direction.
Eine Neigung nach hinten erzeugt eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung.
Roll – Moving Sideways
Roll is similar to pitch, but the drone tilts sideways instead of forwards or backwards.
Roll funktioniert ähnlich wie Pitch, aber die Drohne neigt sich seitwärts statt nach vorne oder hinten.
To move to the right, the flight controller changes the relative lift on the left and right sides of the aircraft.
Um sich nach rechts zu bewegen, verändert der Flugcontroller den relativen Auftrieb auf der linken und rechten Seite des Fluggeräts.
This causes the drone to tilt.
Dadurch neigt sich die Drohne.
The total rotor force now has a sideways component, so the drone begins to move horizontally.
Die gesamte Rotorkraft hat nun eine seitliche Komponente, sodass sich die Drohne horizontal zu bewegen beginnt.
The process happens very quickly because the electronic speed controllers can change motor speed rapidly.
Der Prozess geschieht sehr schnell, weil die elektronischen Drehzahlregler die Motorgeschwindigkeit schnell verändern können.
Yaw – How a Drone Turns
Yaw means rotation around the drone's vertical axis.
Yaw bedeutet die Drehung um die vertikale Achse der Drohne.
This movement is produced differently from pitch and roll.
Diese Bewegung wird anders erzeugt als Pitch und Roll.
Two rotors normally turn clockwise and two turn counter-clockwise.
Zwei Rotoren drehen sich normalerweise im Uhrzeigersinn und zwei gegen den Uhrzeigersinn.
During stable flight, the rotational effects largely balance each other.
Während eines stabilen Fluges gleichen sich die Dreheffekte weitgehend gegenseitig aus.
To create yaw, the controller changes the relative speeds of the clockwise and counter-clockwise rotor groups.
Um Yaw zu erzeugen, verändert der Controller die relativen Geschwindigkeiten der im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn drehenden Rotorgruppen.
This creates an imbalance in torque and causes the body of the drone to rotate.
Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht des Drehmoments, und der Körper der Drohne dreht sich.
From Pilot Command to Drone Movement
The pilot does not normally control the motors directly. The flight-control system translates commands into motor-speed changes.
The Flight Controller – The Automatic Stabiliser
Flying a quadcopter would be extremely difficult if a pilot had to control the speed of every motor separately.
Das Fliegen eines Quadrocopters wäre äußerst schwierig, wenn ein Pilot die Geschwindigkeit jedes Motors einzeln steuern müsste.
This task is handled by the flight controller.
Diese Aufgabe übernimmt der Flugcontroller.
The flight controller is a small onboard computer that receives commands from the pilot or autonomous navigation system.
Der Flugcontroller ist ein kleiner Bordcomputer, der Befehle vom Piloten oder vom autonomen Navigationssystem erhält.
At the same time, it receives information from sensors measuring the movement of the aircraft.
Gleichzeitig erhält er Informationen von Sensoren, die die Bewegung des Fluggeräts messen.
It compares the desired movement with the actual movement.
Er vergleicht die gewünschte Bewegung mit der tatsächlichen Bewegung.
If the drone begins to tilt unexpectedly, the controller changes motor speeds to correct the movement.
Wenn sich die Drohne unerwartet neigt, verändert der Controller die Motorgeschwindigkeiten, um die Bewegung zu korrigieren.
The pilot tells the drone what movement is wanted. The flight controller calculates how the motors must respond.
Der Pilot sagt der Drohne, welche Bewegung gewünscht ist. Der Flugcontroller berechnet, wie die Motoren reagieren müssen.
Gyroscopes and Accelerometers
The flight controller needs to know how the drone is moving.
Der Flugcontroller muss wissen, wie sich die Drohne bewegt.
Two important sensors are the gyroscope and the accelerometer.
Zwei wichtige Sensoren sind das Gyroskop und der Beschleunigungssensor.
A gyroscope measures rotational movement.
Ein Gyroskop misst Drehbewegungen.
It helps the controller determine how quickly the drone is rotating around its axes.
Es hilft dem Controller zu bestimmen, wie schnell sich die Drohne um ihre Achsen dreht.
An accelerometer measures acceleration.
Ein Beschleunigungssensor misst Beschleunigung.
Combining information from these sensors allows the flight controller to estimate the orientation and movement of the aircraft.
Durch die Kombination der Informationen dieser Sensoren kann der Flugcontroller die Ausrichtung und Bewegung des Fluggeräts einschätzen.
More advanced drones can combine this information with GPS, barometers, magnetometers, cameras and other sensors.
Fortschrittlichere Drohnen können diese Informationen mit GPS, Barometern, Magnetometern, Kameras und anderen Sensoren kombinieren.
What Happens When Wind Pushes a Drone?
Wind creates a useful example of how automatic stabilisation works.
Wind ist ein gutes Beispiel dafür, wie automatische Stabilisierung funktioniert.
Imagine that a gust of wind pushes the drone to one side.
Stellen Sie sich vor, eine Windböe drückt die Drohne zu einer Seite.
The sensors immediately detect a change in movement or orientation.
Die Sensoren erkennen sofort eine Veränderung der Bewegung oder Ausrichtung.
The flight controller compares the new position with the position or attitude it is trying to maintain.
Der Flugcontroller vergleicht die neue Position mit der Position oder Fluglage, die er beibehalten soll.
It then increases or decreases individual motor speeds.
Anschließend erhöht oder verringert er die Geschwindigkeit einzelner Motoren.
These changes create forces that push the drone back toward the desired condition.
Diese Veränderungen erzeugen Kräfte, die die Drohne wieder in Richtung des gewünschten Zustands bewegen.
This feedback process continues throughout the entire flight.
Dieser Rückkopplungsprozess läuft während des gesamten Fluges kontinuierlich weiter.
Why Does Flying Faster Use More Energy?
A drone uses electrical energy to turn its motors and propellers.
Eine Drohne verwendet elektrische Energie, um ihre Motoren und Propeller anzutreiben.
When the motors have to produce more thrust, they generally require more electrical power.
Wenn die Motoren mehr Schub erzeugen müssen, benötigen sie im Allgemeinen mehr elektrische Leistung.
Fast climbing, rapid acceleration and strong corrections can therefore increase power consumption.
Schnelles Steigen, starke Beschleunigung und kräftige Korrekturen können daher den Stromverbrauch erhöhen.
Forward flight also requires the drone to tilt, which means some of the rotor force is used for horizontal movement instead of supporting weight vertically.
Beim Vorwärtsflug muss sich die Drohne außerdem neigen, wodurch ein Teil der Rotorkraft für die horizontale Bewegung statt für das vertikale Tragen des Gewichts verwendet wird.
The motors may therefore need to produce more total thrust to maintain altitude while moving quickly.
Die Motoren müssen daher möglicherweise mehr Gesamtschub erzeugen, um die Flughöhe während einer schnellen Bewegung zu halten.
Wind, payload weight, temperature and propeller design also influence energy consumption and flight time.
Wind, Nutzlastgewicht, Temperatur und Propellerdesign beeinflussen ebenfalls den Energieverbrauch und die Flugzeit.
Key Vocabulary – How Drones Fly
| English | German | Meaning |
|---|---|---|
| lift | Auftrieb | an upward aerodynamic force that helps support an aircraft |
| thrust | Schub | a force produced to move or support an aircraft |
| propeller | Propeller | a rotating device that accelerates air |
| rotor | Rotor | a rotating assembly that produces aerodynamic force |
| hover | schweben | to remain approximately stationary in the air |
| pitch | Nicken / Pitch | rotation that tilts the aircraft forwards or backwards |
| roll | Rollen / Roll | rotation that tilts the aircraft to the left or right |
| yaw | Gieren / Yaw | rotation around the aircraft's vertical axis |
| torque | Drehmoment | a turning force |
| flight controller | Flugcontroller | the onboard computer that controls and stabilises the aircraft |
| electronic speed controller | elektronischer Drehzahlregler | an electronic device that controls motor speed |
| gyroscope | Gyroskop | a sensor used to measure rotational movement |
| accelerometer | Beschleunigungssensor | a sensor used to measure acceleration |
| stabilisation | Stabilisierung | the process of keeping an aircraft controlled and stable |
| feedback | Rückkopplung | information about the result of an action that is used for correction |
| payload | Nutzlast | equipment or material carried by the drone |
Knowledge Quiz
Test how well you understood the principles of drone flight.
1. What do a drone's propellers do?
2. What happens when total upward force becomes greater than the drone's weight?
3. Why do quadcopters normally use propellers rotating in opposite directions?
4. What is hovering?
5. What movement tilts a drone forwards or backwards?
6. What movement tilts a drone sideways?
7. What is yaw?
8. What does the flight controller do?
9. What does a gyroscope measure?
10. Why does a hovering drone still need constant control?
English Quiz – Drone Flight Vocabulary & Grammar
Practise the English used to explain movement, forces and drone control.
1. The propellers push air _____.
2. Increasing motor speed can _____ more thrust.
3. The flight controller responds _____ information from the sensors.
4. Two propellers rotate _____ and two rotate counter-clockwise.
5. The drone is kept stable _____ automatic corrections.
6. If total lift increases sufficiently, the drone _____.
7. Pitch causes the drone _____ forwards or backwards.
8. The controller continuously compares the desired movement _____ the actual movement.
9. Modern drones _____ become much easier to stabilise electronically.
10. Strong wind can _____ the drone's stability.
Talk About How Drones Fly
Try to explain the processes in your own English rather than simply repeating the text.
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Learn English by Understanding How Drones Fly
A quadcopter looks simple from the outside, but stable flight depends on many processes happening at the same time.
Motors create force, sensors measure movement and the flight controller continuously decides how each motor should respond.
That gives us useful English for talking about forces, movement, direction, cause and effect, automatic control and engineering systems.
Change the forces.
Change the movement.