Der Gimbal: Bildstabilisierung bei Drohnen mit Kamera

Einfach nur mit einer Drohne durch die Luft fliegen, macht auf Dauer keinen Spaß. Daher ist für viele eine Drohne mit Kamera die interessantere Alternative, um auch mal spektakuläre Luftaufnahmen selber machen zu können. Eine Drohne bewegt sich aber in der Luft und ist je nach Windstärke nicht immer stabil. Dadurch werden natürlich die Luftaufnahmen durch eine Drohne mit Kamera doch recht wackelig. Doch wie kann man auch bei einer Drohne das Bild stabilisieren? Das Zauberwort heißt hier Gimbal.

Wie funktioniert solch ein Gimbal überhaupt?

Schauen wir hier zuerst mal auf die reine Definition und nehmen dafür das Nachschlagewerk Wikipedia zur Hilfe.

Die kardanische Aufhängung oder kardanische Lagerung (engl. gimbal) ist eine Lagerung in zwei sich schneidenden zueinander rechtwinkligen Drehlagern. Sie wird zum Beispiel auf Schiffen für Messinstrumente oder andere Gegenstände benutzt. Dabei befindet sich der Schwerpunkt des zu lagernden Objektes unterhalb des Schnittpunktes der Drehachsen, so dass das Objekt eine Neigung seiner Umgebung nicht mitmacht.

Kardanische Aufhängung oder kardanische Lagerung – Bautsch/de.wikipedia

Durch dieses Konstrukt bleibt der Schwerpunkt also immer in der Mitte, auch wenn es zu Bewegungen des Objektes kommen sollte. Als gutes Beispiel kann man hier ein Kompass auf einem Schiff anführen. Genau hier findet dieses doch geniale, aber einfach Prinzip bereits lange Anwendung und dadurch wird ganz einfach die Bewegung des Schiffes auf dem unruhigen Fahrwasser ausgeglichen.

Wie wird nun die Drohne mit Kamera stabilisiert?

Bei einer Drohne ist eine Bildstabilisierung der Kamera auf jeden Fall wünschenswert. Bei einer Drohne mit Kamera wird die Kamera nach dem Gimbal-Prinzip montiert und doch reicht dies nicht ganz aus, um wirklich die Luftaufnahmen perfekt gestalten zu können. Denn gerade bei Richtungsänderungen in der Luft kann es schnell zu ruckartigen Bewegungen kommen und je nach Kameramodell wird das Bild auch entsprechend nicht ruckelfrei. Die Kamera kann also aufgrund seiner Masse bei ruckartigen Bewegungen sehr träge sein.

Um diese Probleme bei einer Drohne vermeiden zu können, greifen die Hersteller zu einem kleinen Trick. Der sogenannte Kamera-Gimbal wird an kleinen Elektromotoren aufgehängt. Diese kleinen und extrem schnell reagierenden Elektromotoren nennen sich Brushless-Motoren. Damit der Gimball dann auch bei Flugmanövern immer richtig ausgerichtet ist, wird eine so genannte IMU (Inertial measurement unit) verbaut. Diese IMU kann dann die Bewegungen einer Drohne in Echtzeit berechnen und entsprechend reagieren, damit eine Bildstabilisierung der Kamera auch wirklich gewährleistet werden kann.

Durch die Echtzeitdaten kann also die Drohnenkamera sehr gut in einer Position gehalten werden. Wenn sich nun die Drohne in der Luft befindet und z.B. durch Wind die Lage ändern sollte, so wird die Gimbal-Steuerung über die Elektromotoren dieser Lageänderung schnell entgegenwirken. So bleibt die Kamera also in waage und dies wirkt sich positiv auf die Filmaufnahmen aus.

Da die Technik immer weiter entwickelt wird und somit gibt es heute bei der Gimbal-Steuerung so gut wie keine Verzögerungen mehr. Somit wird sichergestellt, dass das Kamerabild sehr stabil ist. Es werden also schöne Luftaufnahmen erzeugt, obwohl sich die Drohne in der Luft je nach Wetter und Übung des Drohnenpilotes mehr oder minder bewegt.

Hat jede Drohne den gleichen Gimbal zur Bildstabilisierung?

Eine Art universellen Gimball für eine Drohne mit Kamera gibt es so nicht. Der Gimbal muss daher immer auf das jeweilige Modell angepasst werden, da die Kameras ja unterschiedlich schwer sind und auch immer einen anderen Schwerpunkt besitzen. Ein Gimbal muss natürlich an der Drohne irgendwie befestigt werden und passt somit meist nur ein bestimmtes Drohnenmodell. Einige Hersteller haben daher ihre Drohnen schon ab Werk mit einem speziellen Gimbal-System ausgerüstet, um wirklich eine optimale Bildstabilisierung gewährleisten zu können. Dies ist z.B. bei diesen Modellen so: Dji Phantom 2 VISION oder Phantom 2 VISION+* / Dji Inspire 1 / Yuneec Q500.

Gleicht ein Gimbal bei Drohnen immer alle drei Dimensionen aus?

Dies ist leider nicht immer so. Es gibt hier auch Systeme, welche nur ein oder zwei Dimensionen ausgleichen können. Wer aber wirklich eine gute Bildstabilisierung erreichen möchte, sollte darauf achten, das der Gimbal wirklich in 3 Dimensionen die Bewegungen der Drohne ausgleichen kann. Modelle wie Zenmuse H3-3D oder auch H4-3D haben ein sogenannten 3D-Gimbal-System. Das Model Zenmuse H3-2D z.B. gleicht in 2 Dimensionen aus.

Kann zusätzlich die Kamera einer Drohne einzeln gesteuert werden?

Bei vielen Drohnenmodellen lässt sich die Kamera auch einzeln steuern. Damit hier aber nicht extra noch zusätzliche Elektromotoren verbaut werden müssen, wird hier oft das Gimbal-System auch zur aktiven Steuerung der Kamera eingesetzt. Auch hier gibt es dann unterschiede, in wie vielen Dimensionen die Kamera an sich dann gesteuert werden kann.

Gibt es Gimbal-Systeme auch für Kamerasysteme ohne Drohne?

Mitterweile gibt es auch Gimbals für die normale Führung einer Kamera. Dies findet sich oft unter dem Begriff Handheld-Gimbals. Solche Systeme werden zur Zeit überwiegend noch bei Filmproduktionen eingesetzt. Doch so langsam setzen sich diese Systeme auch im privaten Bereich durch. Das nachfolgende Video zeigt solch ein Handheld-Gimbal am Beispiel der Handheld Gimbal Stabilizer for GOPRO 3+.