JAK DZIAŁAJĄ DRONY I CZYM JEST TECHNOLOGIA DRONÓW?
JAK DZIAŁAJĄ DRONY I CZYM JEST TECHNOLOGIA DRONÓW?

Co to jest dron i jak działa? Technologia dronów stale się rozwija, a innowacyjne rozwiązania co kilka miesięcy pozwalają na wprowadzenie na rynek coraz bardziej zaawansowanych modeli. Poniżej omawiamy technologię UAV, czyli bezzałogowy statek powietrzny (ang. unmanned aerial vehicle) w najpopularniejszych obecnie dronach dostępnych na rynku.

 

Technologie stosowane w różnych popularnych dronach

 

 

Większość dronów UAV ma wbudowane bardzo podobne systemy. Technologia bezzałogowych statków powietrznych obejmuje wszystko, od aerodynamiki, materiałów do produkcji fizycznego UAV, po płytki obwodów, chipset i oprogramowanie, które są mózgiem drona. Jednym z najpopularniejszych dronów na rynku jest seria DJI Phantom. Te drony są bardzo popularne wśród profesjonalnych operatorów lotniczych. Phantom UAV są idealne do wyjaśnienia technologii dronów, ponieważ mają wszystko w jednym pakiecie – UAV, gimbal (dron z gimbalem rejestruje stabilny obraz bez drgań i innych zakłóceń) i kamerę. W ciągu ostatnich kilku miesięcy na rynku pojawiły się nowewysoce zaawansowane drony, takie jak DJI Mavic Mini, Mavic 2, Mavic Air 2, Phantom 4 Pro V2.0, Yuneec Typhoon H3 i Autel Evo 2. Szybkie tempo innowacji technologicznych w zakresie dronów UAV odnotowuje obecnie ogromny wzrost. Typowy dron jest wykonany z lekkich materiałów kompozytowych w celu zmniejszenia masy i zwiększenia manewrowości. Właśnie ta wytrzymałość materiałów kompozytowych pozwala wojskowym dronom latać na ekstremalnie dużych wysokościach. Drony UAV są wyposażone w różne najnowocześniejsze technologie, takie jak kamery na podczerwień, GPS i laser (konsumenckie, komercyjne i wojskowe UAV). Drony są sterowane przez zdalne systemy kontroli naziemnej (GSC), zwane również naziemnymi kokpitami. Cały system składa się z dwóch części: samego drona, oraz systemu sterowania. W dziobie znajdują się wszystkie czujniki i systemy nawigacyjne. Materiały inżynieryjne użyte do ich budowy to bardzo złożone kompozyty zaprojektowane tak, aby pochłaniały wszelkie wibracje i dźwięk oraz zmniejszały opór powietrza i są to materiały niezwykle lekkie.  

 

Co to jest technologia drona i UAV

 

 

Drony UAV są dostępne w kilku grupach i wielu różnych rozmiarach, z których największe są używane głównie do celów wojskowych, tak jak np. PredatorTe, które mają skrzydła i wymagają krótkich pasów startowych są zwykle używane na dużych obszarach, pracując np. przy pomiarach geodezyjnych lub pomagają przy zwalczaniu kłusownictwa. Następne, to tak zwane drony VTOL i są to w większości przypadków quadkoptery. Drony VTOL mogą startować, latać, zawisać i lądować w pionie. Dokładne znaczenie VTOL to Vertical Take Off and Landing, czyli pionowy start i lądowanie. Sporo najnowszych małych dronów UAV, takich jak DJI Mavic Air 2, przenosi VTOL na wyższy poziom i można je uruchomić z dłoni.

 

Pozycjonowanie radarowe i powrót

 

 

Najnowsze drony mają podwójne Globalne Systemy Nawigacyjne Satelitarne (GNSS), takie jak GPS i GLONASS. Drony mogą latać zarówno w trybie GNSS, jak i poza satelitą. Na przykład drony DJI mogą latać w trybie P (GPS i GLONASS) lub ATTI, który nie używa GPS. Bardzo dokładna nawigacja dronem jest szalenie ważna podczas latania, szczególnie w zastosowaniach profesjonalnych, takich jak tworzenie map 3D, badaniu krajobrazu i misjach SAR (Search & Rescue). Przy pierwszym uruchomieniu dron wyszukuje i wykrywa satelity GNSS. Wysokiej klasy systemy GNSS wykorzystują technologię Satellite Constellation. Zasadniczo konstelacja satelitów to grupa satelitów pracujących razem, zapewniających skoordynowany zasięg i zsynchronizowanych tak, że idealnie się pokrywają. Technologia radarowa zasygnalizuje na wyświetlaczu pilota informacje, że wykryto wystarczającą liczbę satelitów GNSS i dron jest gotowy do lotuWiększość najnowszych UAV ma 3 typy technologiczne powrotu. Powrót do domu zainicjowany przez pilota, naciskając przycisk na pilocie lub w aplikacji, niski poziom baterii, przy którym UAV automatycznie wróci do punktu startowego i utrata kontaktu między UAV a nadajnikiem, wtedy dron również wraca automatycznie do punktu startowegoNajnowsza technologia Mavic Air 2 może wykrywać przeszkody podczas automatycznego powrotu do domu. 

 

Technologia wykrywania przeszkód i unikania kolizji

 

 

Najnowsze drony high-tech są wyposażone w systemy unikania kolizji. Wykorzystują one skanery otoczenia, podczas gdy algorytmy oprogramowania generują obrazy na mapie 3D, które pozwalają dronowi wykrywać i omijać przeszkody. Systemy te łączą jeden lub więcej czujników, aby wykrywać i unikać przeszkódNiektóre wykorzystują czujniki wizyjne i podczerwone połączone z systemem wizyjnym znanym jako wielokierunkowe wykrywanie przeszkód. Wykrywają obiekty, a następnie przelatują wokół przeszkód. To samo mo zrobić lecąc do tyłu lub zawisnąć, jeśli nie może przelecieć wokół przeszkody. Technologia ta jest znana jako APAS (Advanced Pilot Assistance System). Pozwala to również na unikanie przeszkód ze wszystkich stron. Technologia wizualizuje i oblicza, co dzieje się wokół drona. Może wtedy inteligentnie przewidzieć kolejne przeszkody oraz podejmować trafne decyzje w celu ich ominięciaDron wykorzystuje kamery 6 x 4k do tworzenia trójwymiarowej mapy otoczenia, która będzie uwzględniać drzewa, ludzi, zwierzęta, samochody, budynki... Stabilizacja żyroskopu i kontrolery lotu zapewnia dronowi UAV płynność lotu. Żyroskop niemal natychmiast działa na siły poruszające się przeciwko drona, utrzymując go w locie lub płynnie go unosząc. Żyroskop dostarcza również niezbędnych informacji nawigacyjnych do centralnego kontrolera lotu. Inercyjna jednostka pomiarowa (IMU) działa poprzez wykrywanie aktualnej szybkości przyspieszenia za pomocą jednego lub większej liczby akcelerometrów. IMU wykrywa zmiany w atrybutach obrotowych, takich jak pochylenie, przechylenie i odchylenie za pomocą jednego lub więcej żyroskopów. Niektóre IMU zawierają magnetometr, który pomaga w kalibracji pod kątem orientacjiŻyroskop jest podstawowym elementem IMU i samego kontrolera lotu, który jest mózgiem drona 

 

Technologia napędu dronów UAV

 

 

Układ napędowy (silniki, elektroniczne regulatory prędkości i śmigła) to technologia, która unosi UAV w powietrze i prowadzi w dowolnym kierunku lub zawisa nad ziemią. W quadkopterze silniki i śmigła pracują w parach z 2 silnikami / śmigłami obracającymi się w prawo (śmigła CW) i 2 silnikami obracającymi się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (śmigła CCW). Otrzymują dane z kontrolera lotu i elektronicznych kontrolerów prędkości (ESC) w kierunku silnika drona, aby latać lub zawisać. Najlepsze systemy napędowe obejmują elementy takie jak system chłodzenia, elektroniczne regulatory prędkości, updater śmigła, a elektroniczne kontrolery prędkości przekazują do silników dronów informacje o prędkości, hamowaniu, a także zapewniają monitorowanie i odporność na błędy silników dronów.

 

Parametry lotu telemetrii w czasie rzeczywistym

 

 

Prawie wszystkie drony mają kontroler stacji naziemnej (GSC) lub aplikację na smartfona, umożliwiając pilotowanie dronem i śledzenie aktualnej telemetrii lotu. Wiele danych telemetrycznych wyświetlanych na pilocie zdalnego sterowania obejmuje zasięg UAV, wysokość, prędkość, siłę GNSS, pozostały poziom naładowania baterii i ostrzeżenia. Wiele naziemnych kontrolerów dronów UAV transmituje wideo z drona do kontrolera lub urządzenia mobilnego. W celu zwiększenia bezpieczeństwa lotów i zapobiegania wypadkom w obszarach o ograniczonym dostępie, najnowsze drony zawierają funkcję „Strefy zakazu lotów”. Producenci mogą zmienić procedurę zakazu lotów za pomocą aktualizacji oprogramowania układowego UAV.

 

Technologia GPS Ready To Fly Mode

 

 

Kiedy kompas w dronie jest skalibrowany, szuka lokalizacji satelitów GPS. Gdy zostanie znalezionych więcej niż 6, dron jest uruchamiany w trybie „Gotowy do lotu”. Wewnętrzny kompas i funkcja Flysafe pozwala dronowi UAV i systemowi zdalnego sterowania dokładnie określić swoją lokalizację i wytyczyć trajektorię lotu. Można ustawić punkt startowy i jest to lokalizacja, do której dron powróci, jeśli dron i system zdalnego sterowania utracą połączenie. Jest to tzw. funkcja bezpieczeństwa. System FPV „Widok z pierwszej osoby transmituje obraz na żywo do pilota na ziemi. Pilot leci dronem tak, jakby znajdował się na pokładzie, zamiast patrzeć na niego z rzeczywistej pozycji pilota. FPV pozwala dronowi latać znacznie wyżej i dalej. Widok z perspektywy pierwszej osoby pozwala na bardziej precyzyjne latanie, zwłaszcza wokół przeszkód, w pomieszczeniach, lesie lub wokół budynków. Wyjątkowo szybki wzrost zainteresowania wyścigami dronów nie byłby możliwy bez technologii transmisji wideo na żywo FPV. Dron posiada wbudowany wielopasmowy bezprzewodowy nadajnik FPV wraz z anteną. W zależności od drona, odbiornikiem sygnałów wideo na żywo może być pilot, komputer, tablet lub smartfon. Najlepsze drony ma zasięg nawet powyżej 8 km z transmisją wideo w jakości 1080p. Inne, nieco starsze drony UAV mogą transmitować wideo na żywo do 7 km. Wykorzystują one zintegrowane kontrolery i inteligentne algorytmy, aby ustanowić nowy standard bezprzewodowej transmisji obrazu w wysokiej rozdzielczości, zmniejszając opóźnienia i zwiększając maksymalny zasięg i niezawodność. 

 

Port oprogramowania sprzętowego i asystenta lotu

 

 

System sterowania lotem komunikuje się z Asystentem PC poprzez kabel micro-USB. Pozwala to na konfigurację UAV i aktualizację oprogramowania. Podobnie jak komputery, drony mają oprogramowanie sprzętowe, które wysyła polecenia do fizycznych komponentów drona lub pilota. Producenci dronów udostępniają aktualizacje oprogramowania układowego, aby naprawić błędy i dodać nowe funkcje. Wskaźniki lotu LED znajdują się z przodu i z tyłu drona. Przednie wskaźniki LED zapalają się, wskazując dziób UAV, wskaźniki lotu z tyłu zapalają się, aby ukazać różne statusy drona, aktualizację oprogramowania układowego i lotu. Dobrze jest zapoznać się dokładnie z opisemo czym informują migające diody. Wszystkie drony są dostarczane z instrukcją obsługi, w której wymieniono znaczenie każdego typu migającej diody LED. 

 

Zdalne sterowanie dronem

 

 

System zdalnego sterowania UAV jest to bezprzewodowe urządzenie komunikacyjne wykorzystujące pasmo częstotliwości GHz. Systemy zdalnego sterowania są również znane jako sterowanie naziemne. Prawie wszystkie najnowsze drony mogą korzystać z częstotliwości roboczych 2,4 lub 5,8 GHz. Technologia UAV wzmacniacza zasięgu to urządzenie do komunikacji bezprzewodowej, które zazwyczaj działa w zakresie częstotliwości 2,4 GHz. Służy do rozszerzenia zasięgu komunikacji między smartfonem lub tabletem a dronem w otwartym, niezakłóconym obszarze. Odległość transmisji może sięgać nawet 700 metrów. Każdy wzmacniacz zasięgu ma unikalny adres MAC i nazwę sieci (SSID). Najnowsze drony po wyjęciu z pudełka mogą latać z zasięgiem do 8 km. Starsze drony innych czołowych producentów nie mogą latać tak daleko, jednak przedłużacze zasięgu stają się co raz bardziej popularne. Większość dzisiejszych dronów UAV można obsługiwać za pomocą pilota lub aplikacji na smartfona, którą można pobrać z Google Play lub Apple Store, a aplikacja pozwala na pełną kontrolę nad dronem. Obecnie dostępne drony z kamerą o wysokiej wydajności mogą nagrywać filmy w rozdzielczości 4k i robić zdjęcia o rozdzielczości 12 megapikseli.  

 

Drony z kamerami z zoomem

 

 

W ciągu ostatnich kilku lat na rynku pojawiło się wiele zintegrowanych gimbali z zoomem optycznym i cyfrowym. Pozwala to na bardziej przemysłowe zastosowania, takie jak inspekcja wież ogniw lub turbin wiatrowych w celu uzyskania bardzo szczegółowego spojrzenia na konstrukcje, przewody, moduły i komponenty w celu wykrycia uszkodzeń. Inne, wyposażone w kamerę z 18-krotnym zoomem optycznym zapewnia niezakłócone filmowanie w zakresie 360 ​​stopni i mogą filmować w 4k przy 30 klatkach na sekundę. System transmisji obrazu o wysokiej rozdzielczości wykorzystuje 3-osiową technologię gimbala stabilizującego. Jeszcze inne, wyposażone w aparat z 30-krotnym zoomem optycznym zawiera systemy takie jak: podwójny GPS, podwójny żyroskop i 3 systemy akumulatorów. Posiada również opcjonalną kamerę termowizyjną na podczerwień, a nawet noktowizor. Technologia gimbala jest niezbędna do robienia wysokiej jakości zdjęć lotniczych, filmów lub obrazów 3D. Gimbal umożliwia pochylanie kamery podczas lotu, tworząc unikalne kąty. Co ważniejsze, gimbal redukuje wibracje aparatu. Są to głównie 3-osiowe stabilizowane gimbale z 2 trybami pracy Non-FPV i tryb FPV. Praktycznie wszystkie najnowsze drony mają zintegrowane gimbale i kamery. 

 

Flash lidar

 

 

Kamery Time-of-Flight mają ogromną przewagę nad innymi technologiami, ponieważ są w stanie zmierzyć odległości do obiektów w całej scenie w jednym ujęciu. W przypadku mapowania lidarowego i fotogrametrycznego UAV jest zaprogramowany do samodzielnego przelotu nad obszarem, korzystając z nawigacji po punktach ustalonej drogi. Kamera na dronie będzie robić zdjęcia w określonych odstępach czasowych, następnie zdjęcia są nakładane na siebie za pomocą specjalistycznego oprogramowania do fotogrametrii w celu utworzenia obrazów 3D. DroneDeploy jest jednym z liderów w tworzeniu oprogramowania do mapowania 3D. Ich aplikacja mobilna jest wykorzystywana w różnych sektorach do tworzenia map i modeli 3D. Dysponują specjalistycznymi rozwiązaniami np. w sektorze rolniczym, a ich oprogramowanie będzie współpracować z większością najnowszych dronów.  

 

Systemy operacyjne

 

 

Większość dronów korzysta z systemu operacyjnego Linuks. Posiadając system operacyjny, kontrolery lotu i płyty główne z programowalnym kodem drony, to komputery, które niestety można również „zhakowaćSą już urządzenia służące do poszukiwania innych dronów i włamywania się do sieci bezprzewodowej, odłączając właściciela i przejmując nad nimi kontrolę. Istnieje jednak kilka praktycznych sposobów ochrony drona przed hakerami, ale o tym w kolejnym artykule. 

 

Inteligentne systemy lotu

 

 

Wszystkie najnowsze drony mają inteligentne kontrolery lotu i tryby, takie jak Follow Me, Active TrackingWaypoints, Return To Home i inne przydatne tryby takie jak: 

Aktywny ślad (profil, reflektor, okrąg) 

Rysuj punkty pośrednie 

TapFly 

Tryb śledzenia terenu 

Tryb statywu 

Tryb gestów 

Tryb S (sport) 

Tryb P (pozycja) 

Tryb A (nastawienie) 

Tryb – Początkujący 

Blokada kursu 

Blokada powrotu 

Unikanie przeszkód 

Drony do śledzenia 

Jedną z najbardziej ekscytujących technologii dronów jest możliwość śledzenia obiektów (ludzi, pojazdów, łodzi), szczególnie w zakresie sportów na świeżym powietrzu, takich jak bieganie, jazda na rowerze, narciarstwo itp. Te najnowszew których śledzenie jest tak dobre, że nigdy nie traci kontaktu z obiektem. Drony te wykorzystują swoje systemy wizyjne, czujniki wykrywające, systemy GNSS, kontrolery lotu, centralne przetwarzanie i specjalne oprogramowanie, aby móc śledzić ich obiekt ze 100% dokładnością.  

 

Podsumowując

 

 

 

Drony mają tak wiele wspaniałych zastosowań, a ich zakres stale się rozszerza. W nadchodzących latach drony zmienią nasze miasta, rewolucjonizując sposób podróżowania, dostawy towarów, czy wygląd infrastruktury miejskiej. Istnieje bardzo wiele modeli, zestawów, a także ogromna ilość materiałów ( również online), które pokazują, jak z nich korzystać, jak je budować i kodować. Istnieją różne aplikacje, które pozwalają na konfigurację komponentów dronów, takich jak kalibracja IMU, czy rotacja silnikówDaje to dużo możliwości wykorzystania tych urządzeń zarówno w celach rekreacyjnych jak i przemysłowych. 

 

WoJ