Drony – od transportu towarów i monitoringu do przewożenia pasażerów

W 1935 roku, bezzałogowy, sterowany radiowo wariant De Havilanda Tiger Moth – model DH.82 Queen Bee, zaczął być stosowany do treningu sił przeciw powietrznych. Przyjmuje się, że jest całkiem prawdopodobne, że to z tamtej nazwy wywodzi się obecna tendencja do nazywania bezzałogowych pojazdów latających dronami.

Od tamtego czasu drony nie tylko znalazły się ważne w zastosowaniach militarnych, ale też są coraz częściej stosowane w aplikacjach rządowych, komercyjnych i konsumenckich. O ile obecnie pracują dla wojska oraz do inspekcji optycznej obiektów lub przenoszenia towarów, firmy takie jak Uber i inne, planują wprowadzić drony zaprojektowane do transportu pasażerów.

W niniejszym artykule przyglądamy się aktualnym i przyszłym technologiom dronów. Pokazujemy różnorodność aplikacji, wskazujemy gdzie są stosowane i omawiamy technologie, na których bazują. Poruszamy także temat państwowych i międzynarodowych przepisów, które wpływają na rynek dronów. Następnie rozważany, w jaki sposób drony mogą posłużyć do rozwinięcia transportu pasażerów i z jakimi nowymi wyzwaniami się to wiąże.

Zastosowania dronów

Drony mogą być wykorzystywane do prowadzenia działań, które za pomocą tradycyjnie pilotowanych samolotów byłoby bardzo trudno wykonać, lub byłoby tu zupełnie niemożliwe. Ponadto pozwalają uzyskać wyraźne oszczędności i korzyści środowiskowe, jednocześnie redukując zagrożenie życia człowieka. Już teraz przewyższają latające pojazdy załogowe w wytrzymałości, wydajności, zasięgu, bezpieczeństwie i koszcie, ale urządzenia kolejnej generacji tym bardziej zwiększa tę przewagę. Będą one bardziej niewykrywalne, wyposażone w więcej czujników, zdolne do przenoszenia większych ładunków na większy dystans; będą się sprawniej poruszać bez potrzeby nadzoru człowieka i lepiej komunikować z otoczeniem. Obecnie opracowywane technologie dronów pozwalają na przeskanowanie 7 milionów kilometrów kwadratowych w trakcie pojedynczego lotu – czyli niemal tyle, ile wynosi łączna powierzchnia 48 przylegających do siebie stanów USA.

Dzięki rosnącym możliwościom, drony są stosowane w coraz to szerszych i bardziej innowacyjnych aplikacjach, z których każda wiąże się z unikalnym zbiorem wyzwań. O ile niektóre z dronów są na tyle uniwersalne, że mogą posłużyć do różnego rodzaju zadań, większość jest bardziej wyspecjalizowana i zaprojektowana pod kątem konkretnego, pojedynczego celu.

Typowe aplikacje obejmują:

• rolnictwo,
• systemy wczesnego ostrzegania lotniczego,
• systemy obrony przeciw łodziom podwodnym,
• transport towarowy,
• przekazywanie informacji w systemach łączności,
• konserwacja,
• imitowanie innych pojazdów,
• akcje ratunkowe,
• monitorowanie środowiska,
• gaszenie i wykrywanie pożarów,

Ilustracja 1. Drony z kamerami mogą wcześnie ostrzegać przed pożarami

• zastosowania wywiadowcze,
• meteorologia,
• wykrywanie i rozbrajanie min,
• praca z zasobami naturalnymi,
• transport osób,
• fotografia,
• inspekcja rurociągów,
• działania rozpoznawcze,
• zdalne wykrywanie,
• poszukiwania,
• monitoring,
• badanie terenu,
• wyznaczanie celów,
• kontrola ruchu,
• monitorowanie dzikich zwierząt.

Zastosowania dronów

Drony produkowane są w oparciu o kilka typów architektury. Można ją podzielić na trzy rodzaje: ze skrzydłami (samoloty), helikoptery oraz drony z wieloma wirnikami. Wybór geometrii i najlepszy sposób montażu oraz wyposażenia drona zależą od docelowej aplikacji. Poniżej prezentujemy niektóre z czynników, które należy rozważyć podczas wyboru drona. Informacje bazują na artykule firmy CMEC, która projektuje i produkuje akumulatory dla elektrycznych, latających pojazdów bezzałogowych.

Drony z wieloma wirnikami to prosty i tani sposób na utrzymanie małej kamery w powietrzu przez krótki czas. Umożliwiają łatwe sterowanie pozycją i kadrowaniem, czyniąc je idealnymi do wykonywania zdjęć z powietrza. Jednakże mają ograniczony czas pracy i szybkość, w efekcie czego nie nadają się do mapowania ziemi z powietrza, długotrwałego monitorowania i inspekcji na dużych dystansach, co jest wymagane w przypadku pracy z rurociągami, drogami i sieciami elektrycznymi.

O ile ich technologia jest stale ulepszana, drony z wieloma rotorami są zwyczajnie nieefektywne i potrzebują dużo energii, gdyż muszą ciągle przeciwstawiać się grawitacji, by utrzymać się w powietrzu. Obecne technologie baterii ograniczają pracę takich elektrycznych dronów do ok. 20 - 30 minut, jeśli podczepiona jest jedynie lekka kamera. Natomiast silniki spalinowe nie nadają się do tych zastosowań, gdyż nie są w stanie tak szybko i precyzyjnie reagować na zmiany pozycji przepustnicy, co jest niezbędne dla utrzymania stabilności.

Zupełnie inną charakterystykę mają drony ze skrzydłami, które podobnie jak samoloty, korzystają ze skrzydeł a nie z pionowo umieszczonych wirników, by utrzymać się w powietrzu. Potrzebują energii jedynie do poruszania się do przodu, dzięki czemu są znacznie bardziej ekonomiczne niż modele z wieloma wirnikami. Ponadto można w nich stosować silniki spalinowe, co oznacza że wiele z nich może z powodzeniem unosić się w powietrzu przez długi czas – nawet do 16 godzin. Świetnie sprawdzają się podczas lotu na długie dystanse, mapowania dużych powierzchni i włóczenia się nad określonymi punktami do monitorowania.

Jednakże drony ze skrzydłami mają też swoje wady. Nie mogą tak po prostu unosić się w powietrzu w jednym miejscu. Nie nadają się do wykonywania zwykłych zdjęć z lotu. Dużo trudniej jest je wystartować i wylądować nimi, gdyż wymagają albo pasa startowego, albo katapulty do startu, a do lądowania także pasa startowego, albo spadochronu lub siatki. Tylko najmniejsze drony tego typu można startować z ręki i lądować nimi tak po prostu na otwartej przestrzeni. Takie drony są także droższe i trudniej nauczyć się nimi posługiwać.

Kolejną opcją są helikoptery z jednym wirnikiem. W odróżnieniu od modeli z wieloma wirnikami, drony o budowie helikopterów mają tylko jeden główny wirnik, który służy do utrzymywania maszyny w powietrzu i dodatkowy wirnik na ogonie, do określania kierunku ruchu. Helikoptery są bardziej efektywne energetycznie niż modele z wieloma wirnikami, a co więcej można w nich stosować silniki spalinowe, dzięki czemu ich efektywność jeszcze bardziej wzrasta. Jedna z zasad aerodynamiki mówi, że zwiększanie rozmiaru i redukcja prędkości obrotowej pozytywnie wpływa na sprawność wirnika. To dlatego drony z 4 wirnikami są bardziej energooszczędne niż drony z ośmioma wirnikami oraz dlatego quadrocoptery o dużym zasięgu mają większe łopatki wirnika. Helikoptery z pojedynczym wirnikiem mogą mieć jeszcze większe łopatki, dzięki czemu działają one bardziej jak obracające się skrzydła niż wirniki napędowe, zwiększając tym samym ich sprawność.

Jednowirnikowe helikoptery są idealne do unoszenia się w jednym miejscu z dużym obciążeniem – np. w postaci skanera laserowego typu LIDAR lub do naprzemiennego unoszenia się w jednym miejscu i poruszania szybko do przodu. Wadą są niestety: złożoność budowy, koszt, wibracje i zagrożenie powodowane przez ich duże, obracające się łopatki. Mogą unosić się w jednym miejscu, dzięki czemu łatwiej nauczyć się ich obsługi i łatwiej się nimi posługiwać, ale nie są ani tak stabilne, ani nie wybaczają tak łatwo błędów, jak drony z wieloma wirnikami. Dodatkowo, ich złożoność mechaniczna powoduje, że ich konserwacja jest bardziej wymagająca.

Nową alternatywą są modele hybrydowe VTOL ze skrzydłem, które łączą w sobie zalety wynikające z lotu z użyciem skrzydła, z możliwością pionowego startu, lądowania oraz utrzymywania się w miejscu. Prace koncepcyjne nad takimi załogowymi maszynami latającymi były prowadzone w latach 50. i 60., ale samoloty te były zbyt złożone i trudne do pilotowania. Jednakże teraz ich tworzenie zaczyna być możliwe, dzięki nowoczesnym algorytmom autopilotów, żyroskopom i akcelerometrom. Autopilot jest w stanie utrzymywać stabilność, pozostawiając człowiekowi znacznie łatwiejsze zadanie wyznaczania trasy przelotu.

Poszczególne cechy każdego typu dronów zostały podsumowane w tabeli na rysunku 2.

Ilustracja 2. Porównanie typów dronów – źródło: Australian UAV

Przepisy na temat dronów

Ograniczeniem dla rozwoju dronów jest nie tylko technologia, ale też prawodawstwo. Jest trochę niepewności odnośnie popularyzacji dronów, ale oczekiwane doprecyzowanie przepisów powinno zwiększyć popyt na tego typu maszyny. W USA NASA prowadzi kosztujące wiele miliardów dolarów działania, których celem jest opracowanie systemu zarządzania przestrzenią powietrzną Stanów Zjednoczonych w taki sposób, by można było bezpiecznie koordynować przeloty zarówno pojazdów załogowych, jak i bezzałogowych. Tymczasem Federalny Urząd Lotnictwa (FAA – Federal Aviation Administration) ma zmniejszyć ograniczenia, które uniemożliwiają komercyjnym dronom na osiągnięcie pełni swojego potencjału.

Obecne przepisy FAA zakazują dronom latania powyżej 400 stóp i wykraczania poza zasięg wzroku operatora. Lot autonomiczny jest zakazany. Nie mogą latać nad ludźmi, a ich operator musi mieć certyfikat pilota zdalnie sterowanych pojazdów.

W Europie, Europejska Agencja Bezpieczeństwa Lotnictwa (EASA) opublikowała dokument Opinion 01/2018, w którym zawarła propozycję nowych przepisów odnośnie wykorzystania bezzałogowych pojazdów latających. Podzielono je na trzy kategorie:

• „kategoria otwarta”, która po uwzględnieniu potencjalnego ryzyka, nie wymaga wcześniejszego zezwolenia ze strony odpowiednich władz, ani zgłoszenia lotu przez operatora, zanim lot ma się odbyć;
• „kategoria specyficzna”, która po uwzględnieniu potencjalnego ryzyka wymaga zezwolenia na lot od odpowiednich władz, zanim lot zostanie wykonany, o ile lot nie mieści się w określonym zestawie standardowych scenariuszy, dla których to wystarczy samo zgłoszenie ze strony operatora, lub o ile operator nie posiada certyfikatu zezwalającego na sterowanie takimi pojazdami latającymi, kiedy to nie musi nawet zgłaszać lotu;
• „kategoria certyfikowana”, która obejmuje, po uwzględnieniu potencjalnego ryzyka, zarówno konieczność posiadania odpowiedniej licencji, jak i pozwolenia ze strony adekwatnego urzędu, by zapewnić wystarczający poziom bezpieczeństwa.

Każe z państw europejskich ma własne władze regulujące lotnictwo i może samodzielnie tworzyć dodatkowe przepisy, wykraczające poza te z UE. Przykładowo w Wielkiej Brytanii odpowiada za to organizacja CAA (Civil Aviation Authority), której celem jest zapewnienie, by wszystkie bezzałogowe maszyny powietrzne były w pełni zgodne i bezpiecznie zintegrowane z systemem lotniczym Wielkiej Brytanii. Rodzaje i zakres przepisów, które CAA przygotowuje pod kątem dronów zależą od następujących parametrów:

Typ przelotu: czy będzie się on odbywał w zasięgu wzroku operatora (VLOS), czy też będzie wykraczał poza zasięg wzroku (BVLOS).

Cel lotu: rekreacyjny, komercyjny, prywatny.

Masa pojazdu latającego:

• do 20 kg (małe bezzałogowe pojazdy latające) – klasa ta obejmuje wszystkie rodzaje pojazdów latających, a w tym tradycyjne, zdalnie sterowane modele samolotów, helikoptery i szybowce oraz coraz bardziej popularne drony o wielu wirnikach i zdalnie sterowane drony-zabawki. Zazwyczaj nakładane na nie ograniczenia są nieduże, co wynika z próby dostosowania ich do ryzyka jakie stwarzają i do rodzaju ich pracy;
• od 20 kg do 150 kg (lekkie bezzałogowe pojazdy latające) – klasa ta obejmuje większe i potencjalnie bardziej złożone pojazdy latające oraz większe modele samolotów. Muszą być one zgodne ze wszystkimi przepisami odnośnie lotnictwa w Wielkiej Brytanii, choć jest zrozumiałe, że będzie trzeba je wyłączyć z podlegania pod wiele z tych przepisów.
• Powyżej 150 kg (bezzałogowe pojazdy latające) – klasa ta obejmuje wszelkiego rodzaju maszyny latające i narzuca zgodność z takimi samymi przepisami, jak w przypadku samolotów załogowych. Maszyny tego typu będą także wymagały certyfikatów wydawanych przez agencję EASA.

Nowe przepisy w Wielkiej Brytanii zostały wprowadzone w maju 2018 roku i mają na celu zwiększyć bezpieczeństwo wszystkich lotów dronami. Żadne drony nie mogą latać powyżej 400 stóp nad ziemią i w odległości do kilometra od granic lotnisk. Ponadto użytkownicy dronów muszą się zarejestrować i przejść testy przez Internet, by móc łatwiej rozliczać ich ze stosowania się do przepisów.

Drony do przenoszenia pasażerów

Wraz z postępami legislacyjnymi oraz we wspomnianych technologiach, przewiduje się, że wartość potencjalnego rynku dronów wojskowych, transportowych i pracujących na potrzeby systemów wizyjnych w latach od 2016 r. do 2020 r. osiągnie 1000 mld. dolarów. Jednakże wielu przedsiębiorców i inżynierów na całym Świecie stara się ziścić jeszcze bardziej ekscytującą wizję: wykorzystanie dronów do transportu pasażerskiego. Wewnątrz i w okolicy większości dużych miast, stale rosnący ruch czyni transport lądowy i operowany przez taksówki coraz bardziej frustrującym i czasochłonnym. Czyż nie było by wspaniale, gdyby udało się pokonać ten problem dzięki dostępowi pojazdów do trójwymiarowej przestrzeni?

Aby uczynić to możliwym i bezpiecznym, konieczne jest włożenie jeszcze dużej ilości pracy w technologie dronów, przepisy prawne i infrastrukturę. Jednakże czynione są postępy i powstają szczegółowe plany, których celem jest pokonanie tych wyzwań. We wrześniu 2017 roku, w Dubaju przeprowadzono pierwsze testy taksówek w postaci dronów, co do których żywione są nadzieje, że staną się one realnym sposobem transportu, dostępnym w mieście. W ramach testu wykorzystano dwusiedzeniowy, 18-wirnikowy Volocopter, który przez 5 minut latał nad piaskiem na wybrzeżu zatoki.

Ilustracja 3: Pasażerski dron Volocopter – źródło: Volocopter

Projektant Volocoptera ma nadzieję, że w ciągu 4 lat drony tego typu zaczną pracować jako taksówki. „Wyobrażamy sobie to tak, że będziesz korzystać ze swojego smartfona, na którym za pomocą aplikacji zamówisz Volocopter, który podwiezie Cię do najbliższego Voloportu” – powiedział dyrektor generalny, Florian Reuter.

„Volocopter sam przyleci, pozwoli Ci wsiąść i zabierze Cię do Twojego celu.”

Wiele innych firm, a w tym Airbus i kilka jego firm zależnych, prowadzi badania nad autonomicznie latającymi dronami. Chińska firma Ehang pracuje nad modelem 184, który jest w stanie przewozić pojedynczego pasażera przez czas do 23 minut na jednym ładowaniu baterii, co przekłada się na realny zasięg rzędu 16 km.

Uber prowadzi badania w ramach inicjatywy, którą nazywa „Uber Elevate”, a która ma pozwolić na opracowanie technologii dronów pasażerskich i infrastruktury, która będzie wspierać świadczenie usług taksówkarskich za pomocą takich dronów.

Ilustracja 4: Drony Ubera i Vertiport – źródło: Uber

Koncepcja Ubera bazuje na sieci małych, elektrycznych pojazdów latających, które mogłyby pionowo startować i lądować, a które umożliwiłyby szybki i niezawodny transport ludzi pomiędzy przedmieściami i miastami, a docelowo także w miastach.

Do dronów tego typu powstałaby naziemna infrastruktura w postaci Vertiportów, stworzona w oparciu o przekształcone dachy garaży, dotychczasowe lądowiska dla helikopterów, a nawet o niewykorzystany teren, otaczający skrzyżowania z autostradami. Takie Vertiporty miałyby wiele lądowisk oraz stacji ładowania. W ramach infrastruktury mogłyby powstać także małe Vertistopy – niewielkie przystanki z jedynie podstawowymi funkcjami.

Uber wierzy, że w długiej perspektywie, pojazdy latające z funkcją pionowego startu i lądowania staną się dostępną cenowo formą masowego, codziennego transportu ludzi, nawet tańszą niż posiadanie pojazdów. Jeśli maszyny tego typu sprawdzą się jako dobry, cichy, szybki, ekologiczny i efektywny oraz bezpieczny sposób transportu, wtedy powstanie możliwość wprowadzenia ich do masowej produkcji i przez to do redukcji kosztów jednostkowych. W początkowym etapie zmniejszenie kosztów takiego transportu można będzie uzyskać poprzez zamawianie wspólnych kursów.

Sukces tej ambitnej wizji zależy od efektywnej współpracy pomiędzy kluczowymi graczami w odniesieniu do systemu takich pojazdów: ustawodawców, projektantów pojazdów, lokalnych społeczności, miast i operatorów sieci. Uber zauważył, że wprowadzenie na rynek takich usług transportu powietrznego na żądanie zależy od rozwiązania następujących, krytycznych wyzwań:

Proces certyfikacji: Zanim maszyny latające pionowego startu i lądowania będą mogły pracować w dowolnym państwie, muszą spełniać wymagania narzucane przez odpowiednie, lokalne władze. Konkretnie chodzi przede wszystkim u amerykańską FAA i europejską EASA, pod których kontrolą znajduje się odpowiednio 50% i 30% światowego ruchu lotniczego.

Technologia akumulatorów: Napęd elektryczny ma wiele zalet, dzięki którym jest preferowanym wyborem podczas projektowania takich pojazdów latających, a to oznacza że akumulatory będą stanowić dla niego źródło energii. Jednakże konieczne jest wprowadzenie wielu usprawnień, by poprawić żywotność akumulatorów. Istotne jest też, by zwiększyć ilość energii, którą są w stanie gromadzić w przeliczeniu na jednostkę masy, poprawić szybkość ładowania, liczbę cykli ładowania i rozładowywania, które mogą przetrwać oraz koszt kilowatogodziny energii. Współpraca pomiędzy amerykańskim Departamentem Energii oraz laboratoriami uniwersyteckimi koncentruje się na rozwiązaniach, bazujących na połączeniu litu i metalu. Trwają także badania nad ładowarkami impulsowymi, które mogłyby znacznie skrócić czas ładowania.

Wydajność pojazdów: sprawność energetyczna wirnika helikoptera nie jest tak duża, jak w przypadku dronów z dużymi skrzydłami, co wynika z generowanej siły nośnej. Dlatego należy zwiększyć sprawność, by pojazdy tego typu miały sens komercyjny.

Wydajność i sprawność pojazdów: kolejna kwestia to szybkość przelotu oraz czas startu i lądowania, a także wydajność operacji, mierzone jako czas od zgłoszenia żądania przelotu do wejścia pasażera na pokład. Istotna jest także odporność na różne warunki pogodowe, gdyż zła pogoda mogłaby uziemić dużą część takiej floty praktycznie w dowolnym momencie.

Kontrola lotów: Przestrzeń lotnicza nad miastami jest aktualnie zupełnie otwarta i nawet obecne systemy kontroli lotów mogłyby pozwolić na operowanie setek pojazdów latających pionowego startu i lądowania. Co więcej, jeśli pilot ma maszynę latającą w zasięgu wzroku, może nią sterować nawet niezależnie od systemów kontroli lotów, a gdy trzeba, można prowadzić lot w oparciu o dane telemetryczne i istniejące systemy kontroli ruchu lotniczego. Jednakże wdrożony z powodzeniem, zoptymalizowany system maszyn latających wymagałby znacznie większego zagęszczenia maszyn, pracujących nad jednym terenem w tym samym czasie. By móc poradzić sobie z takim eksponencjalnym wzrostem złożoności, potrzebne będą nowe systemy kontroli lotów. Uber przewiduje, że loty na niskich wysokościach powinny być zarządzane przez system oparty o żądania zgłaszane do serwerów, które odpowiadałyby za rozwiązywanie konfliktów pomiędzy planowanymi trasami lotów, podczas gdy wszelkie lokalne konflikty i unikanie zderzeń odbywałoby się niezależnie, przez same maszyny latające, nawet podczas trudnej pogody.

Koszt i dostępność cenowa: Helikoptery – maszyny, które są najbardziej zbliżone do tego, jak mogłyby wyglądać samodzielnie latające maszyny, są nie tylko zbyt drogie, ale i zbyt hałaśliwe do pracy w dużej skali, w terenach zurbanizowanych. Uber proponuje prostsze, cichsze i bardziej efektywne w swej pracy pojazdy, które bazowałyby na cyfrowych interfejsach sterowania i przez to pozbawione by były mechanicznej złożoności. Mogłoby to spowodować rozwinięcie się samonapędzającego się rynku, który umożliwiłby redukcję kosztów i w efekcie cen usług i pojazdów.

Bezpieczeństwo: Uber opisuje plany zapewnienia dwukrotnie większego poziomu bezpieczeństwa (zmniejszenia o połowę liczby wypadków śmiertelnych) względem poruszania się w prywatnych samochodach.

Hałas maszyn: Napęd elektryczny będzie konieczny do zapewnienia niskiego poziomu hałasu, tak by mógł być on akceptowany przez lokalne społeczności.

Zanieczyszczenie środowiska: Elektrycznie napędzane pojazdy nie generują zanieczyszczeń powietrza w trakcie pracy. Jednakże zanieczyszczenia powstają w momencie tworzenia prądu elektrycznego, potrzebnego do naładowania akumulatorów. Obecnie prąd ten w dużej mierze wciąż powstaje z węgla lub z płynnych paliw kopalnych.

Infrastruktura Vertiportów i Vertistopów w miastach: Największą barierą dla rozwoju floty omawianych maszyn w miastach jest brak przestrzeni, w której można byłoby umieścić lądowiska, tak by były one łatwo dostępne i by można było w nich zmieścić stacje ładowania. Raport firmy Uber omawia, w jaki sposób można byłoby rozwijać infrastrukturę, by zmierzyć się z tym problemem.

Szkolenie pilotów: Szkolenie potrzebne by zostać pilotem komercyjnych linii lotniczych jest wymagające i czasochłonne. Niedobór wykwalifikowanych pilotów będzie silnie ograniczał rozwój. Technologia rzeczywistości rozszerzonej dla pilotów znacznie zmniejszy wymagania stawiane pilotom i może prowadzić do skrócenia czasu potrzebnego na szkolenia.

Możliwe maszyny latające – wizje NASA i FAA

NASA i FAA w ostatnim czasie zainicjowały serię warsztatów, których celem jest stworzenie wspólnego ekosystemu, potrzebnego do powstania maszyn latających pionowego startu i lądowania oraz zidentyfikowanie barier, uniemożliwiających uruchomienie usług transportu lotniczego na żądanie. Wnioski z tych warsztatów są dosyć podobne do wniosków firmy Uber.

Jak zbudować drona

Jeśli chcesz skonstruować własnego drona, Coleman Benson przygotował 8-częściowy poradnik, wyjaśniający jak to zrobić. Można go znaleźć na stronie internetowej RobotShop. Poniżej prezentujemy podsumowanie zawartych w nim zagadnień.

Terminologia: Podręcznik zaczyna się od listy wyrazów, zawierających m.in. definicje różnych geometrii bezzałogowych pojazdów latających.

Rama: Pierwszym krokiem w konstrukcji bezzałogowych pojazdów latających jest wybór ramy. Może ona pochodzić z gotowego zestawu, lub być zrobiona zupełnie samodzielnie. Dostępne opcje obejmują:

• Trikoptery: Konstrukcja z trzema ramionami, po jednym wirniku na każdym ramieniu.
• Quadrokoptery: Konstrukcja z czterema ramionami, po jednym wirniku na każdym ramieniu.
• Hexakoptery: Konstrukcja z sześcioma ramionami, po jednym wirniku na każdym ramieniu.
• Y6: Konstrukcja z trzema ramionami, po dwa silniki (górny i dolny) na każdym ramieniu. Wszystkie z nich generują ciąg w tę samą stronę.
• Octokoptery: Konstrukcja z ośmioma ramionami, po jednym wirniku na każdym ramieniu
• X8: Konstrukcja podobna jak Y6, ale z czterema ramionami, po dwa silniki na każdym ramieniu

Należy także określić rozmiar maszyny. Dla hobbystów najlepsze dla zapewnienia dużej uniwersalności pojazdu i jego niedużego kosztu będą maszyny o wymiarach od 350 mm do 700 mm, gdzie długość ta to średnica największego okręgu, jaki przecina wszystkie silniki. Oczywiście trzeba też podjąć decyzję odnośnie materiałów, z jakich maszyna zostanie wykonana. Może to być drewno, pianka, plastik, aluminium, lub inne materiały.

Inne kwestie do rozważenia obejmują:

• zastosowanie gimbala do montażu i stabilizacji kamery,
• dopuszczalny ładunek: dodatkowa masa musi być uwzględniona na etapie projektowania, a sam ładunek musi być zabezpieczony, by nie poruszał się luźno podczas lotu,
• podwozie do lądowania,
• montaż.

Ilustracja 5: Trikopter – źródło: Flickr

Napęd: Na kompletny system napędu składają się silniki, łopatki, elektroniczne systemy kontroli prędkości i akumulator. Niemal wszystkie małe drony z wieloma wirnikami są elektryczne i prawie żadne z nie są zasilane paliwami płynnymi.

Bezszczotkowe silniki stałoprądowe są powszechnie stosowane w hobbistycznych pojazdach sterowanych radiowo, począwszy od helikopterów, przez samoloty, a kończąc na napędach zdalnie sterowanych samochodów i łodzi. Mniejsze drony (wielkości dłoni) częściej korzystają z tańszych, małych silników ze szczotkami oraz z prostego dwuprzewodowego sterownika. Kluczowe parametry silników obejmują prędkość obrotową przy zadanym napięciu oraz generowany ciąg, wyrażany w kilogramach, funtach lub niutonach.

Parametry łopatek obejmują ich liczbę, średnicę, nachylenie, kąt natarcia, sprawność i ciąg, kierunek obrotu (zgodnie ze wskazówkami zegara lub odwrotnie), materiał wykonania, możliwość składania, sposób montażu, piastę i osłonki.

Układ ESC (elektroniczny kontroler prędkości) steruje prędkością i kierunkiem obrotu silnika. ESC musi być w stanie poradzić sobie z maksymalnym prądem, jaki może przyjąć silnik i dostarczać ten prąd przy odpowiednim napięciu.

Większość stosowanych akumulatorów wykonanych jest w technologii litowo-polimerowej, a czasem litowo-manganowej, lub w innym wariancie, opartym o lit. Akumulatory LiPo cechują się dużą pojemnością przy małej masie, a jednocześnie pozwalają na szybkie rozładowywanie. Jednakże są istotnie droższe i wiążą się z nimi pewne zagrożenia.

Sterownik lotu: Sterownik dla drona z wieloma silnikami to układ scalony, na który zazwyczaj składa się mikroprocesor, zestaw czujników oraz wejścia i wyjścia. Taki sterownik po zakupie nie wie jeszcze w żaden magiczny sposób, jak zbudowany jest dron, w którym zostanie zastosowany, więc należy w nim programowo ustawić szereg parametrów. Gdy zostanie to wykonane, konfiguracja zapisywana jest w pamięci sterownika.

Sterowniki do wielowirnikowych dronów muszą zostać podłączone do czujników, takich jak poniżej, lub przynajmniej do niektórych z nich.

• akcelerometr: mierzy przyspieszenie maksymalnie w trzech osiach i pozwala utrzymywać stabilność drona;
• żyroskop: mierzy szybkość obrotową drona, w maksymalnie trzech osiach;
• układ pomiarów inercyjnych: mała płytka, która zawiera akcelerometr i żyroskop. Może też mieć wbudowane dodatkowe czujniki, takie jak np. trzyosiowy magnetometr;
• kompas/magnetometr: elektroniczny kompas magnetyczny, który mierzy pole magnetyczne ziemi i w ten sposób określa ustawienie drona względem biegunów. Sensor ten jest niemal zawsze instalowany, jeśli tylko w systemie znajduje się odbiornik GPS;
• ciśnieniomierz/barometr: zapewnia dokładne odczyty wysokości, na której znajduje się dron;
• układ GPS: odbiera sygnały wysyłane z satelitów na orbicie ziemi, dzięki czemu jest w stanie określić swoją lokalizację geograficzną;
• czujniki odległości: pozwalają mierzyć odległość od ziemi, wzgórz, gór czy budynków, minimalizując tym samym ryzyko zderzeń. Czujniki te bazują na technologii lidar, laserach lub ultradźwiękach.

Ilustracja 6: STEVAL-FCU001V1 Evaluation Board , kompletna jednostka do sterowania lotem dla dronów – zabawek – dostępna w sklepie Farnell

Zdalnie sterowany transmiter i odbiornik są potrzebne, by operator mógł sterować dronem. Zazwyczaj ręczny transmiter pracuje w przynajmniej czterech kanałach, na które składają się:

• obrót wokół osi pionowej (zgodnie lub odwrotnie względem wskazówek zegara),
• obrót wokół osi poprzecznej (decyduje o ruchu do przodu lub do tyłu),
• obrót wokół osi wzdłużnej (ruch bokiem w lewo lub w prawo),
• wysokość (odległość od ziemi).

Dodatkowe kanały sterowania mogą obejmować:

• włączanie lub wyłączanie silników,
• sterowanie gimbalem (przesuwanie w górę/dół, obracanie, zoomowanie),
• zmianę trybu lotu (tryb akrobatyczny, stabilny itd.),
• aktywacja lub uruchomienie ładunku, spadochronu, sygnalizatora czy innego urządzenia,
• dowolne inne zastosowania.

Montaż: Poradnik pokazujący jak zmontować drona zawiera praktyczne informacje i prezentuje, jak uniknąć błędów podczas składania ramy, silników, kontrolerów, wirników, akumulatorów, ładowarki, układu zasilania, sterownika lotu i obwodów odpowiadających za komunikację.

Sprawienie by wszystko ze sobą działało: Ustawienie i konfiguracja zmontowanych komponentów.

Widok z pierwszej osoby i daleki zasięg: Poradnik wprowadza koncepcję widoku z pierwszej osoby i sterowania na dużą odległość. Pierwsza z nich obecnie wymaga montażu kamery wideo na dronie, do przesyłania obrazu w czasie rzeczywistym do pilota. Systemy tego typu mogą pracować z okularami 3D i do rzeczywistości wirtualnej, takimi jak Oculus Rift, Samgung Gear, Morpheus i innymi.

Ilustracja 7: Zestaw do sterowania dronem – źródło: Pixabay

Samolot: W przypadku niektórych aplikacji lepszym wyborem będzie zastosowanie samolotu ze skrzydłami, zamiast modelu z wieloma wirnikami. W poradniku porównano oba rodzaje konstrukcji.

Podsumowanie i wnioski

W niniejszym artykule wprowadzono koncepcję dronów, a w tym ich budowy i działania. Przyjrzeliśmy się także aktualnym i potencjalnym aplikacjom. Wśród nich omówiliśmy bliżej bardzo ekscytujące, ale nieco futurystyczne wizje oraz wyzwania stojące przed dronami.

Kończymy artykuł podsumowaniem, w ramach którego zebraliśmy wszystkie kwestie, jakie wiążą się z dronami i ich pracą. Wiele z nich wykracza poza zakres tego artykułu, ale poniższa lista powinna pomóc w pozyskaniu dalszej wiedzy na ten temat. Podana lista bazuje na artykule „Drone Technology”, napisanym przez Iana Burnsa z ATIP Law.

Systemy startu i lądowania

Ilustracja 8: Katapulta Scan Eagle – źródło: Wikipedia