Descriere constructivă și funcțională a elementelor de bază ale unei drone [301887]

Descriere constructivă și funcțională a elementelor de bază ale unei drone

CUPRINS

INTRODUCERE …………………………………………………………….. 2

SCURT ISTORIC AL DRONELOR ………………………………………… 3

CLASIFICAREA DRONELOR ……………………………………………… 16

Clasificare din punct de vedere al greutății la decolare (MTOW) asociat cu riscul de impact la sol. ………………………………………………………….. 17

Clasificare din punct de vedere al altitudinii operaționale asociată cu riscul de coliziune în aer ……………………………………………………………. 18

Clasificarea din punct de vedere al autonomiei aeronavei ………………… 19

Clasificarea dronelor din punct de vedere militar ………………………… 20

Clasificarea dronelor din punct de vedere al aerodinamicii ……………….. .21

Clasificarea dronelor din punct de vedere al proprietarului care o deține …. 22

SENZORI SPECIFICI DRONELOR ………………………………………………. 22

Senzori de navigație ……………………………………………………….. 22

Senzori optici ………………………………………………………………. 23

[anonimizat] ………………… 23

[anonimizat] ……………………………….. 24

[anonimizat] …………………………… 26

Senzori radio ………………………………………………………………. 26

[anonimizat] ……………………………………………. 26

[anonimizat] …………………………………. 27

SURSE DE ALIMENTARE PENTRU DRONE …………………………………. 29

PROIECTAREA UNEI DRONE ………………………………………………….. 32

Bugetul preliminar pentru proiectare ……………………………………… 33

Bugetul axat pe putere …………………………………………………….. 34

Bugetul axat pe greutate totală ……………………………………………. 35

SISTEME DE COMUNICAȚII FOLOSITE PE DRONE ………………………… 35

IEEE 802.11 – WiFi ………………………………………………………. 36

IEEE 802.15.4 – ZigBee …………………………………………………… 36

Comunicație punct la punct pe 900 MHz cu spectru de difuzie …………… 37

Comunicații prin satelit ……………………………………………………. 37

BIBLIOGRAFIE …………………………………………………………………… 38

INTRODUCERE

Drona prin definitie este un dispozitiv de tip UAV (Unmanned Aerial Vehicle) [anonimizat] o [anonimizat], prin intermediul unei telecomenzi.

La fel cum s-a [anonimizat] a [anonimizat]. [anonimizat], putand fi controlate wireless prin intermediul unei telecomenzi sau a unei aplicații de Android sau iPhone ce ruleaza pe o tableta sau un telefon obisnuit.

[anonimizat] a dimensiunilor au putut da naștere la sisteme de drone aproape de cele profesionale cu capacitate de transport destul de mare mergand pana la ordinul zecilor de kilograme.

In viitorul apropiat singura limitare in acest domeniul poate fi legislativa deoarece numarul acestoara s-a înmulțit destul de mult iar dronele cu capacitate de a lua decizii singure sunt deja ușor de construit.

Poate ca multă lume nu o [anonimizat] o drona trebuie sa se supuna unor reguli clare pentru a se asigura ca nu intra in coliziune cu un alt aparat de zbor sau cu infrastructurile testate. [anonimizat]. Aplicarea corectă a normelor legislative poate face ca dronele sa ramână un aliat în dezvoltarea noastră.

Deasemeni prezenta dronelor in industrie au adus schimbari semnificative in multe domenii, ușurând foarte mult abordarea greoaie utilizata pana la aparitia acestora.

SCURT ISTORIC AL DRONELOR

Drona, așa cum am definit-o și anterior este o aeronavă fără personal uman la bord, pilotată de la distanță sau nu, după caz. Ori acest lucru deschide posibilități multiple de simulări, fără a periclita viața unui potential pilot aflat la bord.

Multă lume asociază cuvăntul “dronă” cu un echipament modern, plin de tehnologie, costisitor și aflat la început de drum în dezvoltarea sa ca și tehnologie. Dar nu este chiar așa. Istoria lor este una bogată, avându-și izvorul undeva departe în timp. Desigur, primele drone nu arătau la fel ca cele din ziua de azi, dar se pretau foarte bine definiției acestora.

Așa cum știm, “mașina zburătoare” a apărut la sfârșitul anilor 1700, dar era ceva care cu greu se putea numi avion. Primele însemnări despre astfel de “mașini de zbor” sunt datate cu aproape 2500 de ani în urmă, evident în China, dar și în Grecia Antică.

De-a lungul timpului au fost mulți protagoniști care au contribuit la dezvoltarea acestor aparate de zbor, printre care putem nominaliza pe Pitagora sau pe Arhimede care, prin studiile lor, au pus bazele multor mecanisme fără de care acest concept și multe altele nu ar fi existat.

Dar prima mașină de zbor cu autopropulsie îi este atribuită lui Archytas din Tarentum, un vechi filozof grec, născut în 428ÎH, care avea ca pasiune matematica. El este considerat primul inginer și fondatorul mecanicii matematice, inventând ceea ce ei numeau “prima mașină volatilă autonomă a antichității” și pe scurt „porumbelul zburător”. Asta pentru că mașinăria semăna la exterior cu un porumbel în zbor.

Fig. 1. Shita primei masini de zbor, cu autopropulsie, fara pilot [2]

Era construit din lemn, corpul fiind constituit dintr-un cilindru pe care a aplicat aripi pe ambele părți, în față mai mari iar în spate unele mai mici, perfect echilibrate. Pentru a fi aerodinamic, partea din față era ascuțită, ca un cioc de pasăre. Combustibilul era aburul stocat în cilindrul ce forma corpul sub presiune, introdus înainte de fiecare zbor de la un boiler extern care avea rol si de suport. Când presiunea depășea o anumită valoare, conexiunea cu boilerul era întreruptă automat, iar „porumbelul” își începea zborul, folosindu-se de un mic ghidaj. Descrierea „porumbelului zburător” a fost făcută de Cornelius Gellius în Noctes Atticae. Tot el ne spune că acesta a zburat peste 200m cu o singură încărcare cu abur.

Tot în acea perioadă în China se încerca o altă variantă mult mai simplă care consta într-o construcție formată dintr-un baston care avea la un capăt montate pene. Rotind bastonul între palme, acesta se înălța liber pe verticală.

Tot în China au fost experimentate construcții simple sub forma unor zmee sau mai complicate cum ar fi baloane cu aer cald. La început acestea erau folosite pentru divertisment, dar în scurt timp au fost folosite și în scopuri militare pentru misiuni de recunoaștere, dar și pentru bombardarea pozițiilor inamice.

Fig. 2. Schița “șurub aerian” proiectat de către Leonardo Da Vinci [1]

In cursul anului 1500, Leonardo Da Vinci a proiectat „șurubul aerian”, o mașină care se învârtea în jurul axei sale, ridicându-se de la sol, din păcate pe o traiectorie necontrolată. Mulți au considerat că Leonardo Da Vinci a dorit construcția unei mașinării mai mult pentru divertisment tehnologic, deoarece ea nu putea avea la bord echipaj uman, pentru că întreaga mașinărie se rotea într-un mod amețitor. Si cu toate acestea, mulți au considerat această schiță ca fiind precursorul elicopterului. Leonardo Da Vinci și-a făcut ucenicia în atelierele unor artișticare aveau în lucru diverse dispozitive, astfel el formându-se ca un veritabil inginer-designer. El a fost convins că proiectarea mașinăriilor trebuie să aibă la bază legile matematice ale fizicii combinate cu practica unui bun inginer. Aplicând aceste principii, el a proiectat diverse componente mecanice, inovatoare pentru acea vreme, care combinate alcătuiau angrenaje complexe, ce aveau la bază roți dințate, conice sau normale.

În 1508, Leonardo Da Vinci realizează și el o „pasăre mecanică” copiind cu o deosebită atenție modele din natură.

Întreaga mașinărie semăna cu un liliac uriaș ale cărui aripi erau puse în mișcare cu ajutorul unor cabluri.

Dar toate aceste dispozitive „zburau” pe distanțe foarte scurte și la altitudini foarte joase.

Fig. 3. Schița “pasăre mecanică” proiectată de către Leonardo Da Vinci [2]

Primul zbor care merită menționat, se întâmpla în anul 1783 în Franța și era propulsat cu ajutorul unui balon cu aer cald. Dispozitivul a fost proiectat de frații Moutgolfier și avea echipaj uman.

Fig. 4. Fotografie cu primul zbor propulsat de un balon cu aer cald, proiectat de frații Moutgolfier [4]

Până la apariția elicopterelor, timp de 100 de ani aceste baloane au fost testate în mai multe locuri din lume, dominând zborul cu o mașinărie cu echipaj uman. După apariția elicopterului care avea un zbor vertical și fără o viteză mare, mulți s-au concentrat pe îmbunătățirea acestuia deoarece la vremea respectivă nu exista tehnologia necesară pentru a realiza un motor suficient de ușor și de rapid pentru a susține zborul vertical al unei aeronave cu aripă fixă.

Pe 17 decembrie 1903, frații Wright au realizat primul zbor cu un avion mai greu decât aerul, deși mulți susțin că avionul lor era instabil și motorul lor nu putea să susțină întreaga carcasă la o viteză optimă pentru planare.

In 18 martie 1906, Traian Vuia a realizat și el un zbor cu un aparat de zbor autopropulsat, fără catapulte sau alte ajutoare externe.

Tot el deține primul brevet pentru un apparat de zbor înregistrat la 17 august n1903 și publicat pe 16 octombrie 1903 numut “Aeroplan, automobil”. Acesta este primul avion care poate să decoleze prin mijloace propri.

In anul 1916 a venit rândul și primei aeronave fără personal la bord (UAV) să-și ia zborul, Acesta se numea Hewitt-Sperry Automatic purtând numele celor doi tehnicieni care au proiectat-o. Dintre cei doi proiectanti, Sperry avusese preocupări legate de dispozitivele tip giroscop, fără de care orice UAV nu ar putea zbura, deoarece nu ar avea stabilitatea necesară.

Astfel armata și implicit marina au descoperit beneficiile acestor drone care puteau fi ușor folosite la misiuni de recunoaștere sau ca ținte pentru antrenarea personalului military din antiaeriană. Evident că ușor, acestea puteau transporta și încărcătură cu o greutate mica și chiar și explozivi.

Deoarece drona a fost mult peste așteptări, Marina Statelor Unite s-a arătat interesată de tehnologia dezvoltată în noul giroscop, astfel sponsorizând realizarea unei noi drone denumită Curtiss-Sperry Aerial Torpedo.

Fig. 5. Drona “Liberty Eagle Aerial Torpedo” la care a lucrat Charles Kettering (Foto: National Museum of the USAF)

In aceeași perioadă Forțele Aeriene Americane au sponsorizat o altă construcție care a dus la realizarea dronei denumită Liberty Eagle Aerial Torpedo la care a lucrat Charles Kettering.

Dar deoarece realizarea dronelor la acea vreme era greoaie iar tehnologia slab dezvoltată, datorită problemelor tehnice și evident slabei acuratețe în navigare, interesul pentru drone s-a mai diminuat.

Începând cu 1920 Anglia a reluat dezvoltarea și experimentarea dronelor fără pilot dar fără a avea o creștere semnificativă.

Toate limitările erau din punct de vedere al comunicației radio dar și sin punct de vedere al navigației automate care era greoaie și imprecise.

În anul 1934 Reginald Denny, actor de profesie, a dezvoltat o pasiune pentru aparatele de zbor comandate prin radio cu ajutorul unei telecomenzi, deschizăndu-și chiar și un magazine de acest profil.

In scurt timp pasiunea lui a atras atenția armatei americane care l-au cooptat într-un program în care a fost realizată o dronă țintă destul de reușită. Aceasta a vut ocazia să-și demonstreze utilitatea în cel de-al doilea război mondial, unde a fost folosită din plin.

După un astfel de succes la finalizarea războiului urmașii lui Regionald Denny au transformat drona țintă într-o dronă de recunoaștere sau cum se mai spune într-o sondă de recunoaștere cu denumirea SDI sau MQM-57 Falconer. Ca și primă sarcină a avut misiunea de a purta o cameră de luat vederi și controlat de la distanță, a făcut poze clare în terenul țintă. După aproximativ 30 de minute de la decolare s-a întors în zona de recuperare de unde a fost preluat ușor datorită parașutei din dotare.

Acesta a avut un astfel de succes încăt au fost construite 1500 de bucăți până a fost înlocuit cu o variantă nouă.

Fig. 6. Sondă de recunoaștere cu SDI sau MQM-57 Falconer. (Foto: National Museum of the USAF)

Două accidente au făcut ca dezvoltarea acestora să fie maximă, unul fiind pierderea unei drone de recunoaștere U-2 pe teritoiul URSS în 1960 și alta pe teritoriul Cubei în 1962, ambele ducând la finanțarea dronelor neconditionat, făra nici o alta reținere.

Forțele Aeriene Americane au dezvoltat drona Ryan 147 care a stat la baza a mai multor generații de drone cu caracteristici destul de diferite. În figurile 7 și 8 sunt prezentate două variante a acestei drone. Acestea au participat pe parcursul anilor ’60 la misiunile de recunoaștere pe care Armata Americană le făcea în China și mai ales în Vietnam. În total au fost produse 3500 de unități din care 84 % și-au îndeplinit misiunea cu brio, iar aproape 16% nu s-au mai întors din misiuni. Modelul Ryan 147 era atât de bine realizat încât putem să o considerăm fără nici un regret ca fiind prima dronă modernă. Dovadă este faptul că și în zilele noastre o variantă modernizată a acesteia este încă construită și folosită de către armată pentru diverse misiuni.

Fig. 7. O varianta a dronei Ryan Model 147, AQM-34Q, (Foto: National Museum of the USAF)

Fig. 8. Altă varianta a dronei Ryan Mdel 147, BGM-34C, (Foto: National Museum of the USAF)

Fig. 9. Drona A QH-50, decolând de pe un portavion, echipata cu torpile antisubmarin (Foto: US Navy)

Ca și alternativă, marina americană a cumpărat o dronă mai mică, tip elicopter A QH-50, de la compania GYRODINE (figura 9) care avea avantajul de a putea fi lansată aproape de orice vehicul, misiunea ei fiind de a lansa torpile antisubmarine. În secundar era folosită și ca dronă de recunoaștere, dar și ca transportor de marfă. Dar cu toate aceste avantaje, avea și un dezavantaj major, prin faptul că sistemul său electric pica destul de des făcând ca drona să fie pierdută destul de ușor.

Fig. 10. Drona lansata de către CIA, “The Lockheed” în anii ‘60 (Foto: National Museum of the USAF)

Tot în perioada anilor ’60, CIA a dezvoltat propria sa dronă de recunoaștere cu motor hypersonic, care își permitea să facă misiuni pe distanțe foarte lungi fără realimentare. Avantajul ei era a putea fi lansată de la bordul unui avion normal (figura 10). Dar, în scurt timp, datorită problemelor tehnice apărute, acest program a fost abandonat.

Fig. 11. Drona lansata de către URSS, numită Tupolev sau DBR-1,în anii ’60 – ‘70 (Foto: TUPOLEV)

Nici URSS nu a rămas mai prejos, dezvoltând și ei propriile drone pe modele consecrate, astfel prime fiind TBR-1, dar în scurt timp trecând la DBR-1 (fig. 11) care avea funcții suplimentare, dar mai ales o rază de acțiune net superioară lui TBR-1.

Fig. 12. Drona Tupolev TU143, impreuna cu lansatorul aferent (Foto: George Chernilevsky)

Datorită modelului de lucru DBR-1 nu a reușit să se impună, operarea ei fiind destul de costisitoare. Când drona ajungea în zona de recuperare, arunca tot combustibilul pentru eliminarea izbucnirii unui incendiu și parașuta capul dronei în care se regăsea camera video, restul prăbușindu-se în zona de recuperare.

Fig. 13. Drona israeliana SCOUT (Foto: Wikimedia Commons User Bukvoed)

Astfel, în 1970 au înlocuit-o cu altă dronă TU-141/ 143 (fig.12) care avea avantajul că era 100% recuperabilă având parașută pentru întreaga unitate. Rza ei de acțiune era una destul de bună putând face misiuni cu rază mică sau mijlocie de acțiune.

Din acest punct de vedere Europa a dezvoltat împreună cu Canada, Anglia fiind reprezentantul de seamă al Europei iar dezvoltarea propriu-zisă a fost făcută de Canad Air.

Din acest parteneriat a rezultat drona CL-89 Midge care putea să facă poze zi sau noapte de-a lungul unui traseu preprogramat revenind în zona de recuperare unde se autoparașuta.

Israelul care era la vremea respectivă o forță în spionaj în primă fază a cumpărat de la statul american o escadrilă de drone dar în scurt timp aceștia și-au realizat propria dronă, Scout (fig. 13) și ulterior Mastiff.

Fig. 14. Drona RQ-2 Pioneer în operțiunea Scutul Deșertului (Foto: US Marine Corps)

Drona Mastiff a fost atât de eficientă încât a stat la baza dronei Pioneer și ulterior la baza vedetei din domeniu Predator and Shadow UAV.

Fig. 15. Drona SPERWER folosită de căteva state Europene (Foto: David Monniaux)

Trecând la sistemele de drone din zilele noastre putem spune că se mai regăsesc în exploatare încă drone de recunoaștre tip Pioneer (fig. 14) sau SPERWER dar tendința este de a dezvolta drone cu rază mare de acțiune, altitudini căt mai înalte și cât mai inteligente. Astfel ajungem la RQ-4 Global Hawk (fig. 16) sau MQ-9 (fig. 17) care poate fi translatat ușor între mai multe genuri de misiuni (recunoaștere, vânătoare, etc.) și drona Neptun, care este specializată pentru misiuni desfășurate pe apă.

Fig. 16. Drona RQ-4 Global Hawk, capabila sa opereze la altitudini mari si pe distante lungi (Foto: US Air Force, Master Sgt. Jason Tudor)

Altă variant de dronă, dar specializată pe misiuni de luptă este UCAS (Unmanned Combat Aircraft Systems).

Aproape toate dronele folosite în misiuni de recunoaștere sau de luptă sunt cu aripă fixă. Puține drone sunt cu rotor tip elicopter, deoarece acestea nu au o rază mare de acțiune.

Fig. 17. Drona MQ-9 Reaper,versiune îmbunatatita a lui Predator, folosit pentru vânarea inamicilor. (Foto: US Air Force, Staff Sgt. Brian Ferguson)

Ele s-au impus mai mult în domeniul civil unde acest lucru nu are o însemnătate mare. Exemple demne de luat în seamă sunt A-160, MQ-8 Scout Fire (fig. 18), etc.

Fig. 18. Drona elicopter MQ-8 Fire SCOUT. (Foto: Public domain photo)

Există și drone care au autonomie de câteva zile fiind capabile de traversări Trans Atlantice, o astfel de dronă fiind Aerosonde Laima (fig. 19). Drona QinetiQ Zephyr deține recordul de autonomie reușind să rămână în aer peste două săptămâni, fiind ajutată de panouri fotovoltaice și evident de greutatea infima.

NASA a dezvoltat UAV-urile Helios și IKHANA pentru misiuni de cercetare a planetei.

În ultimul timp, o dezvoltare explozivă au avut-o dronele mici care deși nu sunt capabile să care o greutate mare au câteva avantaje care le fac atractive și pentru piața civilă, sunt pliabile, au o mentenență minimală și evident că de multe ori acestea sunt de unică folosință.

Câteva exemple semnificative sunt Sky lark, Aerocon, Puma, Evolution. Din cele foarte mici putem exemplifica: Raven (fig. 20 stanga), WASP, BAT CAM și Night hawk (fig. 20 dreapta).

Fig. 19. Prima drona care a realizat un zbor tranatlantic – Aerosonde LAIMA. (Foto: Public domain photo)

În categoria UAV-urilor pot fi incluse și dirijabilele care au făcut istorie. Avantajul acestora este acela că oferă mai mulți senzori pentru supraveghere care pot urmări de exemplu dincolo de orizont cu o fidelitate sporită sau care au montați senzori IR. Un alt dirijabil foarte util este Drona High-Altitude-Airship (HAM), (fig. 21) care poate zbura la o altitudine extrem de mare și care fiind echipată cu panouri solare are o autonomie sporită.

Fig. 20. Drone pliabile pentru misiuni de recunoaștere locală – Raven, stanga si Nighthawk, dreapta. (Foto: US Army,Sgt. Amanda Jackson și NIST)

Evident că au fost dezvoltate și drone mixte care combină avantajele dronelor cu aripă fixă cu cel al Multicopterului. Exemple fiind Eagle Eye (fig. 22) și X-50.

Drona Eagle Eye este dezvolată de Bell Helicopter și a fost implementat de către Garda de Coastă a SUA pentru programul Deep Water.

Drona X-50 este construită de Boeing Corp, este încă în faza de experimentare, care combină capacitatea de navigare cu viteze foarte mari.

Fig. 21. Drona tip dirijabil High-Altitude Airship (HAA, alimentată cu panouri solare care-i conferă o autonomie foarte mare). (Foto: US Missile Defense Agency)

Fig. 22. Drona mixtă care este capabilă sa decoleze/aterizeze ca un elicopter dar zboară ca un avion – Eagle Eye. (Foto: US Coast Guard)

CLASIFICAREA DRONELOR

Clasificarea dronelor este o etapă foarte importantă care pe lângă faptul că scoate în evidență caracteristicile diverselor modele, diferențiază dronele și din punct de vedere al reglementărilor legislative. Este mult mai ușor să le diferențiezi pe categorii și apoi să aplici norme legislative fiecărei categorii pe baza caracteristicilor importante care le definesc. In acest sens în tabelul următor se încearca o primă caracterizare a acestora în funcție de câtiva parametrii importanți:

Tabelul 3.1 Diferențierea UAV-urilor functie de câțiva parametrii principali [8] [5]

*Se delimitează prin restricțiile legislative naționale

Clasificare din punct de vedere al greutății la decolare (MTOW) asociat cu riscul de impact la sol.

Această clasificare este importantă mai ales din punct de vedere al legislației deoarece diferențiază dronele după energia cinetică așteptată la impact. Această energie afectează și operabilitatea din timpul zborului, inclusiv siguranța tuturor manevrelor.

Acest tip de clasificarea a fost discutată în “Grupul Consiliului Comandanților” (2007 și 1999), în “Eurocontrol privind UAV” (2004), în Agenția Europeană pentru siguranța Aviației – EASA (2005) și în volumul “Dalamaqkidis și colaboratorii” (2012) [9]. În ultima chiar s-a dezvoltat un model pe baza căruia au estimat numărul de decese după impactul la sol al fiecărei drone pe fiecare categorie. Evident modelul era bazat pe energie cinetică dezvoltată de fiecare categorie de drone.

Punând niște condiții minimale, de ex.: populația de la locul impactului 200 pers/ km2 și numărul de decese păstrat cât mai mic a rezultat clasificarea din tabelul 5.2. Dacă accidentul are loc într-o zonă mai populată tabelul 5.2. nu se mai poate aplica pentru dronele cu greutate mai importantă, iar pentru cele cu greutate mică totul se poate neglija, impactul fiind nesemnificativ.

Tabelul 3.2 Propuneri de clasificare UAV pe baza MTOW și a riscului de impact la sol. [8] [5]

In tabel termenul TGI este timpul minim între accidentele cu impact la sol.

O altă clasificare, tot din punct de vedere al energiei cinetice dezvoltată la decolare este prezentată în tabelul 5.3 așezând dronele după necesitatea buletinelor de certificare și după certificarea pilotului care o operează.

Tabelul 3.3 Clasificarea propusă a UAV bazate pe MTOW de către CAA din Noua Zeelandă [10]

Altă clasificare bazată tot pe energia cinetică este arătată în tabelul 3.4, în care fiecărei clase de drone i se impune o altitudine de operare maximă.

Tabel 3.4 Clasificarea UAV bazată pe MTOW [11]

Clasificare din punct de vedere al altitudinii operaționale asociată cu riscul de coliziune în aer

Această clasificare se suprapune puțin peste cea precedentă care clasifică dronele pe baza riscului pe care îl prezintă fiecare subcategorie de drone asupra oamenilor dar și a proprietăților acestora. Dar cu toate acestea clasificarea dronelor pe paliere de altitudine poate să scadă riscul de coliziune al acestora cu alte aeronave în timpul zborului. Tot în “Dalamaqkidis și colaboratorii” [9] este propusă în 2012 varianta din tabelul 3.5.

Altitudine foarte joasă (VLA/ LOS)

Altitudine foarte joasă (VLA/ BLOS)

Altitudine medie (MA)

Altitudine foarte mare (VHA)

Dronele care operează la o altitudine foarte joasă operează în spațiul de clasă G, deci la altitudini sub 150m cu o condiție esențială ca operatorul să fie în contact vizual permanent cu drona.

Dronele din categoria a doua au aceeași condiție legată de altitudine, dar drona poate să iasă ocazional din câmpul vizual al operatorului.

Dronele care operează la o altitudine medie operează în spațiul aerian din clasă A, dar nu mai sus de spațiul delimitat de zona E.

Ultima categorie se referă la restul dronelor care operează în spațiul de clasă E la altitudini foarte înalte.

Tabel 3.5 Clasificarea propusă pe baza clasei de spațiu aerian utilizat. [9]

Clasificarea din punct de vedere al autonomiei aeronavei

Și această clasificare are impact în aplicarea normelor legislative, nivelul de certificare fiind funcție de autonomia aeronavei, deci de nivelul de automatizare al navigației.

Într-o clasificare dată de B. Clough în 2005 s-au propus 10 nivele de autonomie (ACL) a comunicației pentru a fi mai ușor să se exprime nivelul de automatizare al aeronavei.

La stabilirea acestor nivele s-au luat în calcul nivelul de analiză, timpul de analiză, coordonarea și capacitatea operațională a aeronavei.

Toate nivelele reflectă autonomia aeronavei față de implicarea unui pilot și ține cont de complexitatea misiunii, dar și de complexitatea mediului în care aeronava operează.

Lista acestor nivele este exemplificată în tabelul 3.6. Descriptorul nivelului ACL

Tabel 3.6 Nivele de control autonomie [12][5]

Așa după cum se vede în acest tabel nivelele sunt generale, iar unele nu pot fi aplicate dronelor civile.

O altă clasificare bazată doar pe nivelul de implicare al operatorului în pilotarea de la distanță a aeronavei simplifică lucrurile:

Dronă pilotată de la distanță de către un pilot/ operator certificat la altitudine foarte joasă cu vizibilitate directă sau nu asupra dronei.

Operată de la distanță în regim semiautomat în care comenzile/ deciziile majore trebuie validate de către un operator uman. Navigarea propriu-zisă îi revine dronei în totalitate. Operatorul poate să-i retrimită oricând altă destinație sau altă misiune, drona conformându-se.

Complet autonom. Operatorul o programează la bază, impunându-i puncte stricte, dar drona trebuie să umple golurile dintre aceste puncte luând decizii de operare/ navigare, chiar și în situații de urgență apărute neprevăzut. Drona se automonitorizează și în funcție de autodiagnosticare poate lua decizii pentru a-și îndeplini misiunea și/ sau a se salva. Acest tip de drone încă nu este reglementat 100% deoarece pot să apară situații nedeterminate și drona ia decizii eronate afectând viețile umane aflate în câmpul operativ al acesteia.

Legislativ se încearcă impunerea răspunderii penale pentru accidente apărute la astfel de drone pentru a descuraja inițierea unor astfel de misiuni.

Clasificarea dronelor din punct de vedere militar

Și în domeniul militar există mai multe clasificări destul de apropiate de cele din mediul civil, dar puțin mai stricte.

În tabelul 3.7 este transpus “Ghidul de clasificare NATO a dronelor” din sesiunea JCGUAV septembrie 2009.

Tabel 3.7 “Ghidul de clasificare NATO a dronelor”

Aici dronele sunt împărțite pe trei clase principale în funcție de greutatea acestora. Fiecare clasă este spartă în mai multe subdiviziuni în funcție de diverse criterii.

Altă clasificare este dată de JUAV astfel: tactic, operațional și strategic care țin cont de nivelul operațional al fiecărei drone.

În 2007 tot JUAV oferă o altă caracterizare definind 6 niveluri de utilizare conform tabelului 5.9. Tot în 2007, pentru toate categoriile de drone a fost impusă obligativitatea de a demonstra nivelul de navigabilitate a dronei și să se demonstreze calificările operatorilor.

Clasificarea dronelor din punct de vedere al aerodinamicii

Dronele, ca și aeronavele sunt împărțite în patru mari categorii:

drone cu aripă fixă (avion) care pot zbura ușor în misiuni de recunoaștere pe distanțe foarte mari (sute de km.) și la altitudini mari. Acestea sunt cel mai întâlnite în domeniul militar deoarece sunt ușor de exploatat și rapide în executarea misiunilor.

drone tip multicopter. Acestea sunt drone care operează pe distanțe scurte cu o stabilitate mărită putând menține o poziție fixă chiar și la vânt de 50 km/ h. Numărul de motoare poate fi 4, 6 sau 8 funcție de greutatea și forma încărcăturii. Această dronă s-a dezvoltat foarte mult în ultimii 5 ani, având o penetrare masivă în mediul industrial și civil.

drona tip elicopter. Aceasta este o dronă care poate menține o poziție fixă și poate avea o viteză relativ bună pentru a se deplasa pe distanțe moderate.

drona tip aerostat care poate căra un număr suficient de mare de senzori pentru monitorizarea unor obiective. Deasemeni poate zbura la altitudini foarte mari, cu o autonomie foarte mare.

3.6. Clasificarea dronelor din punct de vedere al proprietarului care o deține

Acestea pot fi publice sau de stat atunci când sunt în proprietatea agențiilor guvernamentale, sau pot fi civile atunci când acestea sunt exploatate de către industria privată sau de către civili.

SENZORI SPECIFICI DRONELOR

În general orice dronă are două tipuri de încărcătură la bord care o definesc și care evident îi stabilește valoarea ei pe piață. Primul tip de încărcătură este cel care îi permite dronei să zboare în siguranță după diverse scenarii. In general, acest tip de încărcătură este reprezentat de senzorii instalației la bord.

Cel de-al doilea tip de încărcătură este definit ca sarcina utilă a dronei și reprezintă greutatea pe care drona o poate ridica în condiții de siguranță. Acest tip este elemental principal după care se face întreaga proiectare a dronei. În unele cazuri, cele două tipuri de încărcături pot să fie combinate. Adică în cazul unei drone care are misiunea principal de a capta imagini sau care este trimisă să cartografieze o zonă, senzorii principali pot fi folosiți și ca senzori secundari.

Senzori de navigație

Evident că acest tip de senzori reprezintă ochii și urechile dronei, fără de care aceasta nu ar putea zbura dincolo de câmpul visual al operatorului.

Acești senzori au la bază sisteme globale de navigație prin satelit – GNSS care include evident și sistemul global de poziționare – GPS, dar care trebuie combinat cu sisteme de navigație – INS. Felul în care autopilotul știe să interpreteze datele de la aceste două sisteme, poate să aducă o stabilitate și acuratețe mărită în timpul navigării. Astfel, cele mai multe firme din domeniu s-au concentrat să găsească combinația perfecta între cele două sisteme.

Evident că pe lângă aceste două sisteme principale de navigație la autopilot trebuie să ajungă și informații despre altitudine folosind senzori cu laser sau barometrici funcție de precizia dorită. Mai nou au fost introduși și senzori de altitudine cu infraroșu. Toți acești senzori sunt integrați în autopilotul dronei, care pe baza acestor informații determină poziția, viteza și altitudinea dronei, dar mai ales este capabil să identifice erorile date de aceștia în combinație cu ceilalți senzori făcând în permanență o corelare între toți acești senzori.

Precizia acestor senzori poate crește prețul final al dronei destul de mult astfel că în realitate, la proiectare se definesc niște compromisuri între cost și precizie pentru ca prețul final al dronei să fie unul acceptabil.

Precizia acestor senzori de navigație va fi mult sporită într-un viitor destul de apropiat, mai ales pentru aplicațiile civile, atunci când se vor pune la punct programe precum Galileo, Compass dar și odată cu modernizarea sistemului existent GLONASS.

Senzori optici

Acest tip de sensor este omniprezent pe orice dronă, fie ea militară sau civilă, fiind reprezentat de o cameră video sau chiar mai multe unde se dorește captarea de informații pe mai multe spectre. Astfel, acest sensor a început să fie standardizat. Evident că acest tip de sensor poate fi folosit și pentru navigarea facilă a dronei, captând imagini în timp real cu mediul înconjurător. În acest domeniu, lucrurile devin destul de clare, problema principal devenind cea a prelucrării și transmiterii informației la distanță într-un timp căt mai apropiat de timpul real. Astfel, acest tip de sensor poate ridica destul de mult prețul întregului sistem prin îndeplinirea unor minime cerințe devenite deja obligatorii în industria dronelor.

Senzori optici – camera video în spectrul vizibil

O astfel de camera captează informațiile din mediu folosind o lungime de undă cuprinsă în intervalul 390nm – 750nm. Acestea pot fi împărțite în două categorii principale, funcție de rezoluția cu care pot capta informația: camera foto digitale care au o rezoluție foarte mare, dar care nu pot capta în flux continuu informația și camera video care captează imagini continue cu informațiile din mediu, dar rezoluția acestora este un pic mai slabă. Funcție de aceste două categorii se va proiecta și sistemul de stocare a acestora și evident de transmiterea lor digital sau analogic, pe diverse protocoale de comunicație.

Fig. 4.1 Camera video spectru vizibil cu stabilizare video inclusa [14]

Protocoalele cele mai frecvente pentru camerele video în spectru vizibil include IEEE 1394, Camera Link, Analog SD/ HD, USB, Ethernet, etc.

Imaginile captate pot fi color sau cu nuanțe de gri, funcție de cerințele misiunii, dar modulele tipice de culoare utilizate în majoritatea camerelor video sunt RGB, YUV, YPbPr și YCbCr.

Toate aceste camera, indifferent de genul de misiune efectuat, trebuie calibrate frecvent pentru aplicarea corecțiilor asupra distorsiunilor lentilei, asupra erorilor apărute în reprezentarea obiectelor 3D în plan 2D (imagine) și asupra erorilor care apar la realizarea cartografierii diverselor suprafețe.

Senzori optici – camera video în IR

Modul de operare al unei camera In spectrul IR este identic cu cel al camerei în spectru vizibil detectând și convertind lumina, dar evident lucrează la alte lungimi de undă mai lungi. Imaginea generate de aceste camera este formată folosind radiația infraroșie care are lungimi de undă cuprinse în intervalul 5000 nm – 14.000 nm. Aceste camera recepționează de fapt radiația termică a corpurilor, obiectelor din zona vizată, fiecare pixel al imaginii finale având intensitatea lui proprie. Punctele mai deschise la culoare reprezintă părțile mai calde, iar cele mai reci sunt afișate în nuanțe de albastru. Pentru temperaturile intermediare se folosesc nuanțe de roșu și galben.

Fig. 4.2 Camera video cu senzor infrarosu [13]

Majoritatea camerelor cu senzori IR afișează pe imaginea captată un bargraf cu nivelul de temperature minim și maxim înregistrat în imagine cu evidențierea tuturor zonelor intermediare.

Rezoluția acestor camera nu este mare, fiind de maxim 640 x 480 pixeli, fiind mult mai slabe ca și rezoluție decât camerele în spectru vizibil, dar acestea sunt capabile să genereze detalii care în mod normal nu se pot vedea pe camerele obișnuite.

Această camera reprezintă un procent important din valoarea finală al dronei deoarece are un preț destul de mare.

Pentru mărirea calității imaginilor camerelor modern cu sensor IR le-au fost adăugate module special de răcire. Astfel senzorul IR este închis într-o incintă vidată, cu temperature controlată, răcit criogenic până la temperature de funcționare eficientă a semiconductorului utilizat, care este în general cuprinsă în intervalul 4 – 293 grade Kelvin. Domeniul standard de funcționare al majorității semiconductoarelor este undeva în intervalul 60 – 100 grade Kelvin. Evident că pe lângă avantajul dat de calitatea sporită a imaginii și sensibilitatea mai bună care permite folosirea de obiective mai ieftine apare dezavantjul unui consum suplimentar de energie care uneori nu este chiar pe placul tuturor proiectanților de drone, unde consumul de energie electrică este vital, reflectându-se în greutatea finală a acesteia, și evident în autonomia ei. În plus, dimensiunea acestor camera este destul de mare.

Alt dezavantaj major este acela că aceste camera IR cu răcire forțată au nevoie de un timp mare de intrare în funcționare optima datorat timpului necesar pentru răcirea incintei în care se află senzorul.

Camerele cu sensor IR au avantajul că pot genera imagini și pe timp de noapte, putând da informații precise despre zone cuprinse de foc sau găsirea unor personae rătăcite, greu identificabile cu camera cu spectru vizibil. Pentru o dronă cu misiuni de supraveghere și recunoaștere este un sensor indispensabil.

Senzori optici – camera hiperspectrale

Aceste camera captează imagini simultan în mai multe spectre adiacente. Ele oferă un volum important de date care evident depinde de o bună interpretare a informațiilor, fiind nevoie de o serie de noi date suplimentare pentru o interpretare corectă a acestor date și un set clar de algoritmi bine puși la punct.

Fig. 4.3 Camera multispectrala [15]

Acest tip de cameră încă nu a ajuns la maturitatea tehnologică, fiind încă în curs de experimentare, și în plus costul, dar mai ales timpul pentru prelucrarea datelor generate sunt destul de mari și uneori nu merită achiziționarea unui astfel de sensor.

Senzori radio

Senzori radio – Radarul

Radarul este un sistem bazat pe emiterea și apoi recepționarea undelor radio, determinând cu o precizie bună altitudinea, direcția și evident viteza obiectelor vizate. Transmiterea undelor radio este făcută după un tipar cunoscut, informația cheie fiind timpul în care este recepționat același tipar, reflectat de obiectul țintă. Viteza se estimează ușor, urmărind evoluția distanței în timp.

Fig. 4.4 Senzor radar montat pe dorna tip multicopter [16]

Problema acestui radar montat pe dronă este locul de amplasare al antenelor de transmitere și recepție. Dacă sunt puse în apropiere, puterea de recepție scade foarte mult, lucru compensate prin creșterea puterii receptorului, deci implicit a puterii electrice de alimentare. Cu toate acestea, radarul este o component cheie în procesul de navigare, fiind parte integrantă și din sistemul de avertizare de proximitate GPWS sau sistemul TCAS.

Tehnologia care stă la baza acestui senzor este în plină dezvoltare, fiind întrevăzute soluții concrete de miniaturizare a acestora, dar aflate în fază experimentală.

4.3.2 Senzori masura lumina – LIDAR

LIDAR este un senzor care funcționează cu același principiu ca radarul, bazăndu-se tot pe măsurarea timpului între transmiterea unui semnal cu un tipar cunoscut și reflectarea acestuia de un obiect. Are un avantaj mare față de radar dat printr-un nivel bun de precizie (<2,5 cm), dar are un dezavantaj prin mărimea senzorului și greutatea acestuia, fiind aproape imposibil de montat pe drone mici.

Fig. 4.5 Senzor LIDAR montat pe drona tip multicopter [17]

El are aplicabilitate bună în cartografierea și inspecția infrastructurilor, fiind util în multe domenii.

Autopilotul, pe baza informațiilor venite de la senzori trebuie să urmărească:

evitarea coliziunilor – activ. O dronă trebuie să evite coliziunile în mod automat, chiar mai bine ca un aparat de zbor cu pilot la bord.

În procesul de proiectare acest criteriu trebuie să fie primordial în alegerea tipului corect de senzori utilizați pentru a obține informațiile necesare din mediul înconjurător corelat cu alegerea unor algoritmi specifici și a unor tehnici de prelucrare date optime.

În zbor drona trebuie să coopereze activ cu celelalte aeronave aflate în zbor în imediata apropiere prin canale specifice de comunicație.

evitarea coliziunilor – pasiv. În cazul în care aeronavele aflate în apropierea dronei nu cooperează pentru stabilirea poziției și a traiectoriei viitoare întreg procesul de evitare a coliziunilor trebuie să se bazeze pe senzorii aflați la bord. Senzorii optici împreună cu diverși algoritmi implementați în autopilot pot face o combinație sigură cu caracteristii unice recomandate pentru “send – and – avoid” prin mijloace pasive, detectând astfel poziția aeronavelor din imediata apropiere indiferent de tipul de aeronavă sau de cât de tehnologizată este aceasta. Cu toate astea sistemul de alertă pentru urmărirea traficului și evitarea coliziunilor TCAS montat pe aeronave rămâne o opțiune obligatorie, fiind o garanție în plus că o aeronavă cu personal uman nu va avea de suferit.

Pe lângă faptul că acest sistem generează alarme audio și video pentru piloți, datorită tehnologiei și algoritmilor care stau la baza lui, poate să ofere și soluții în timp real, de soluționare a traiectoriei sigure de urmat pentru ieșirea din criză.

Un impediment major al implementării acestui sistem este prețul destul de mare cuprins între 25.000 și 150.000 de dolari, preț destul de mare pentru aproape orice dronă din mediul civil.

O altă variantă mai ieftină de sistem de alertă este în plină dezvoltare. El se numește ADS – B și oferă o mare deschidere spre un cer sigur. Spre deosebire de TCAS, acesta monitorizează și comunicațiile sol-aer putând înlocui ușor și radarele secundare de supraveghere.

ADS – B are o altă tehnologie de rețea el făcând ca fiecare aeronavă care are instalat un astfel de sistem să partajeze informații de tipul: poziția BD, viteza, direcția, timpul și mesajele emise piloți către sol și invers. Toate aceste informații duc în final la o decizie optimă și o siguranță sporită în aer a tuturor participanților din traficul aerian.

Deocamdată sistemul este la început, în curs de dezvoltare, fapt care îl face ca uneori să fie prea strict în gestionarea traiectoriilor dar într-un timp relativ scurt acesta va putea fi implementat la scară largă inclusiv pe drone mai mici, mai ales că prețul este în jur de 3.000 de dolari.

SURSE DE ALIMENTARE PENTRU DRONE

Pentru alimentarea sistemelor componente ale unei drone în istorie au fost folosite mai multe combinații care au compus sisteme simple sau hibride de alimentare. În general, sursa de alimentare se proiectează pe același nivel de tensiune care este necesar la bornele dronei, adică pe magistrala de putere a acesteia, astfel eliminându-se convertoarele de tensiune care ocupă și spațiu, sunt greoaie fiind vorba de curenți destul de mari și nu în ultimul rând eliminând pierderile care pot să apară în aceste convertoare.

Dacă în trecut, la nivelul dronelor pentru alimentare se folosea un motor cu ardere internă și un generator electric, în zilele noastre nu se mai poate folosi o astfel de combinație. Toate elementele acestui sistem erau destul de grele (motor, rezervor combustibil, generator) astfel încărcătura utilă rămânea una destul de mică ducând la o ineficiență a întreguilui sistem. În plus întreaga schemă era destul de zgomotoasă afectând misiunile de recunoaștere efectuate frecvent cu astfel de aeronave.

Datorită avansului tehnologic din ultimii ani s-a trecut la sistem de alimentare electric folosind baterii, celule solare și celule de combustie. Astfel greutatea întregii drone a scăzut destul de mult, crescând încărcătura utilă, astfelfăcând dronele mult mai rentabile.

Mai multe entități de cercetare au avut preocupări în domeniul acesta demonstrând eficiența celulelor de combustie. Cea mai mare aplicație de acest gen au inițiat-o cei de la Institutul de Tehnologie din Georgia care a făcut teste pe o dronă mică, care avea la bord 500W celule de combustie rezultănd fiabilitatea acestui sistem.

Alte încercari si alte încercari experimentale care au studiat comportamentul unei celule de combustie de 100W amplasată pe o dronă, combinată cu o baterie electrică.

Cea mai răsunătoare a fost realizarea Universității de Stat din Michigan care a reușit să mențină în zbor o dronă timp de 10 ore alimentată cu o celulă de combustibil care utiliza propan.

Încercările recente au scos la iveală eficiența ridicată a acestui sistem. Ca exemplu concret este aeronava solar impulse care au echipaj uman la bord și care a înregistrat o autonomie energetică de zbor de 27 ore. Dar timpul cel mai mare este înregistrat de o dronă construită de Qinetiq care a reușit să rămână în aer peste două săptămâni. Evident că în schemă existau și niște baterii de putere mare în care se înmagazina energia ziua din care se consuma noaptea.

Tabel 5.1 Specificatii comparative intre doua aeronave alimentate cu sisteme hibride de energie diferite.

În tabelul 5.1 sunt prezentate două aeronave cu sistem de alimentare hibrid.

Prima din cele două EAV – 1 avea în componență o celulă de combustie și baterii, iar a doua EAV – 2 avea celule solare, celule de combustie și baterii.

Așa cum se vede și din enumerarea surselor de energie pentru fiecare dintre cele două aeronave rezultă că VAV – 2 avea o autonomie energetică foarte mare putând străbate fără realimentare distanțe importante.

Puterea electrică necesară pentru viteza de croazieră era de 400 W, dar era necesar un maxim instantaneu de 1,3 kW. Întregul necesar de energie era generat fără greutate de către sistemul hibrid instalat la bord.

Cu toate acestea fiecare sursă care compune un astfel de sistem hibrid are și avantaje dar și dezavantaje:

Celulele solare oferă o sursă dependentă de lumina solară. Dacă este înnorat mai multe ore sau chiar mai multe zile eficiența lor scade dramatic. În plus au nevoie de suprafețe mari pentru generarea acestei energii. Eliminând aceste dezavantaje și în combinație cu bateriile electrice pot asigura un randament bun și o autonomie mare dronei.

Celulele de combustie nu pot oferi ajutor atunci când în sistem avem nevoie de energie instantanee mare și în plus depinde de combustibilul care este evident limitat și instabil fiind vorba în general de hidrogen.

Bateria electrică. Bateria electrică prin greutatea și prețul ei mare comparativ cu restul echipamentelor, reprezintă o componentă care asigură niște restricții importante în alegerea unei soluții optime. Aceasta reprezintă un dispozitiv care transformă energia chimică în energie electrică când este folosită ca sursă de energie și invers atunci când aceasta se încarcă cu energie.

Greutatea bateriei evident contează de nivelul de tehnologie al acesteia. Funcție de genul de misiune pe care aceasta trebuie să-l îndeplinească, curentul pe care bateria trebuie să-l dea la un moment dat definește modelul și puterea acestei baterii. Ea este capabilă să ofere un curent mare atunci când drona o cere pe o perioadă scurtă pentru a asigura nivelul de putere instantanee necesar.

Pentru astfel de oscilații de putere cea mai bună tehnologie care oferă cel mai bun randament este bateria Li-Ion-Polimer. Curentul de ieșire cerut bateriei este hotărâtor în autonomia energetică a dronei.

În figura 43.4 se evidențiază grafic importanța acestuia în funcție de curba de descărcare selectată. Termenul cel mai des utilizat pentru a indica rata de descărcare a unei baterii este în general notat cu c, iar rata de descărcare a unei baterii este dată de raportul c/n unde n este numărul de ore în care bateria se va descărca complet de la valoarea nominală la zero.

Astfel o baterie de 5Ah care se descarcă după curba de viteză c/10 sau altfel spus cu un curent de 0,5A/h va asigura o energie necesară timp de 10 ore. Dar acest coeficient c are un impact mare și în nivelul de tensiune. Tensiunea generată de o baterie și evident și procesul de încărcare al acesteia varaiază semnificativ în timp dacă acest c se modifică.

PROIECTAREA UNEI DRONE

Inainte de a trece efectiv la realizarea de proiecte trebuie sa constientizam figura 6.1, ilustrată mai jos care sugereaza foarte clar, ca o drona este ca un puzzle si dacă ceva nu se potrivește cum trebuie riscam să nu finalizam realizarea în parametri optimi. Nu putem trece la proiectarea unei drone fără a nu defini o serie de date de intrare. Toate aceste date de intrare sunt în strânsă legătură cu cerința încărcăturii utile pe care drona va trebui să o care în misiunea ei.

Fig. 6.1 Exemplu de îmbinare a elementelor principale a unei drone [5]

Astfel se conturează câteva exemple de întrebări pe care fiecare proiectant ar trebui să le pună înainte de a se apuca de lucru:

Care este încărcarea utilă a dronei?

Care este durata maximă estimată a misiunii?

Care este tipul de misiune?

– de supraveghere

– de culegere de informații

– ca releu de transmitere pentru alte comunicații

– de cartografiere

– Care este distanța maximă de la operator până la punctul cel mai îndepărtat estimat a se ajunge în timpul misiunii?

– Ce interferențe sunt pe traseul de zbor al dronei și căt timp va fi expusă la acestea?

– La ce altitudine maximă va zbura drona în cadrul misiunii?

– Precizia necesară pentru localizarea țintei?

– Tinta este fixă sau în continuă mișcare?

– Care sunt frecvențele de operare permise pe teritoriul țării respective?

– Ce rezoluție, calitate și dimensiune trebuie să aibă informațiile colectate de dronă?

– Pe perioada misiunii, în zonă sunt anunțate și alte aeronave care ar ridica riscul unei coliziuni în aer sau acestea ar putea introduce interferențe în procesul de comunicare.

– Care sunt principalii parametri meteorologici în care drona va evolua?

– umiditate ridicată

– temperaturi extreme

– zgomote de fond sau sunete puternice

– iluminare ambientală zi/ noapte

– Bugetul alocat pentru misiune

Funcție de răspunsul la aceste întrebări se trece la estimarea unui buget. Acest lucru se face impunând niște tipare de bugete care scot în evidență compromisurile ce trebuie făcute:

Bugetul preliminar pentru proiectare

Acesta are doi factori limitativi: greutatea încărcăturii și volumul util al acesteia. Toate aceste limitări conduc la selecția unui model de dronă și implicit a unui necesar de putere electrică.

După fiecare selecție de model se va face o analiză primară a tuturor componentelor care compun drona. Pentru a ușura proiectarea se va genera o schiță cu integrarea fiecărei componente într-un întreg, un exemplu regasinduse in figura următoare.

Fig. 6.2 Un exemplu de design hardware al încărcăturii utile a unei drone: SBC (computer de bord unic), senzor EO (electrooptic), SSD (disc solid-state) și E-SATA [5]

După stabilirea tuturor componentelor și a conexiunilor acestora se va trece la determinarea sarcinii utile a acesteia incluzând și bateria în această ecuație deoarece aceasta reprezintă un procent important din greutatea totală.

6.2 Bugetul axat pe putere

Dacă se cere o soluție sigură și cu niște parametrii energertici extremi, în cadrul proiectului se va opta pentru alegerea unui sistem de alimentare separat pentru sistemul de propulsie. Și totuși, dacă sarcina utilă are nevoie de o putere infimă comparativ cu restul de putere cerută de propulsie se poate opta ca acesta să aibă sistem de alimentare comun cu energia propulsiei, având grijă să se separe prin diverse protecții de restul sistemului, pentru evitarea unei întreruperi de energie accidentală survenită de la un scurt circuit în sistemul auxiliar.

În tabelul 9.1 se prezintă un exemplu de buget axat pe maximizarea puterii electrice pentru o dronă tipică folosită pentru supraveghere. Se observă că în cadrul bugetului este impusă o rezervă de 30% care până în final poate fi alocată spre sistemul de putere.

Tabel 6.1 Exemplu de iterație pentru generarea unui buget axat pe putere [5]

Bugetul axat pe greutate totală

Datele de intrare ale acestui buget conțin printre altele greutatea maximă a încărcăturii utile care are impact asupra puterii necesare pentru decolarea dronei.

Folosind aceleași date de intrare în tabelul 6.2 se prezintă un buget axat pe greutate. În acest caz rezerva alocată este de 20%.

Tabel 6.2 Exemplu de iterație pentru generarea unui buget axat pe greutatea totală [5]

Distribuția volumului

În procesul de proiectare când se analizează greutatea fiecărei componente trebuie avut grijă ca acestea să fie corect distribuite și echilibrate pe șasiu, determinând centrul de greutate al dronei. Trebuie avut grijă ca amplasarea acestor componente pe dronă să nu genereze interferențe pentru componentele aflate în vecinătate.

SISTEME DE COMUNICAȚII FOLOSITE PE DRONE

La proiectarea sistemului de comunicație al unei drone trebuie să se plece de la definirea interferențelor și a distanțelor pe care acestea vor opera. Dacă pe traseul viitoarei misiuni, frecvențele radio cu licență sunt interferate atunci se vor folosi benzile de frecvență industriale, științifice sau medicale.

Benzile cu licență pentru drone folosite frecvent sunt:

902-928 MHz,

2400-2483,5 MHz

5725-5850 MHz.

Fig 7.1 Metodele de comunicație susținute de arhitectura centrată pe rețea și software-ul aferent

Prima bandă de frecvență este folosită pentru comunicarea cu autopilotul. Puterea tuturor acestor canale folosite pentru controlul unei drone este limitată prin lege pentru a nu interfera cu ceilalți combatanți. Dacă puterea acestora este prea mare se crează zgomot și evident limitează intervalul de timp în care acestea comunică. Timpul de comunicație între dronă și operator crește și dacă acel canal folosit este utilizat și de altă dronă apropiată.

Cele mai populare metode de comunicație între dronă și operator au la bază protocoale care folosesc benzi radio: IEEE 802.11 – WiFi, IEEE802.15.4 – ZigBee și modemuri de 900 MHz cu interfețe RS 232 și IEEE 802.3 – ETHERNET, dar și comunicații prin satelit cu interfață tip RS-232. Datorită greutății lor mici, acestea sunt folosite de toate tipurile de drone, fie ele mici sau mari. Nivelul de putere cerut este destul de mic și au posibilitatea de a fi limitate ca și intensitate.

7.1 IEEE 802.11 – WiFi

Acesta oferă un mod ad-hoc care permite oricărui dispozitiv să se conecteze foarte ușor la alt dispozitiv fără nici o restricție primară.

Alt avantaj al acestor tipuri de transmisie este acela că pot comunica pe lățimi de bandă suficient de mare pentru nevoia unei drone. Problema acestor conexiuni este distanța mică de comunicare, rezolvată ușor printr-un sistem de amplificare.

7.2 IEEE 802.15.4 – ZigBee

Acest protocol se folosește în dronele mici și foarte mici deoarece are o greutate extrem de mică.

Lățimea de bandă este limitată în comparație cu protocolul IEEE 802.11 dar nevoia de putere este foarte mică. Deasemeni acest protocol este capabil de conexiune ad-hoc la distanță pretându-se pentru comunicații cu alte drone care formează un roi.

Tabel 7.1 Caracteristicile principale ale modulului de comunicatie ZigBee – PRO [18]

Datorită consumului mic sunt implementate și în drone cu dimensiuni mari și folosite pe post acces la un gateway către rețele pe fir și pentru a integra micro UAV-uri în diverse scenarii complexe

7.3 Comunicație punct la punct pe 900 MHz cu spectru de difuzie

Modemurile radio de 900 MHz pot fi conectate în configurații punct la punct dar și în sistem centralizat dar au o lățime de bandă mică care face să crească timpul de comunicatie în banda de 2,4 GHz în benzile radio fără licență nelimitate, industriale, științifice și medicale.

7.4 Comunicații prin satelit

Acestea se pretează pentru misiunile care au rază mare de acțiune. Dar ele nu sunt gratuite, fiind destul de costisitoare cu sporirea lățimii de bandă.

BIBLIOGRAFIE

[1] http://www.stiintaonline.ro/de-ce-fost-leonardo-da-vinci-un-geniu/

Site vizionat la data de 10.06.2017

[2] https://playtech.ro/2015/aniversarea-geniului-leonardo-da-vinci-inventiile-care-ne-au-inspirat-progresul-stiintific/

Site vizionat la data de 10.06.2017

[3] http://blog.salvius.org/2013/12/history-of-robotics-pigeon.html

Site vizionat la data de 10.06.2017

[4] http://www.glienigmi.it/enigmistoria/category/senza-categoria/

Site vizionat la data de 10.06.2017

[5] Kimon P. Valavanis, John Evans, Daniel Felix, George J. Vachtsevanos – Handbook of Unmanned Aerial Vehicles, ISBN: 978-90-481-9706-4, 978-90-481-9707-1, Springer Science+Business Media Dordrecht, 2015

[6] Hiller Aviation Museum, San Carlos, http://www.hiller.org/

Site vizionat la data de 08.06.2017

[7] K.P. Valavanis, G.J. Vachtsevanos, P.J. Antsaklis, Technology and autonomous mechanisms in the Mediterranean: from ancient Greece to Byzantium, in Proceedings of the European Control, Conference (ECC2007), Kos, 2007.

[8] P. van Blyenburgh, UAV systems: global review. Presented at the Avionics’06 conference, Amsterdam, 2006

[9] K. Dalamagkidis, K. Valavanis, L. Piegl, On Integrating Unmanned Aircraft Systems into the National Airspace System: Issues, Challenges, Operational Restrictions, Certification, and Recommendations, Intelligent Systems, Control and Automation: Science and Engineering, vol. 36, 2nd edn. (Springer, Dordrecht/New York, 2012).

[10] Civil Aviation Authority of New Zealand, Unmanned aerial vehicles. Wellington, New Zealand, 2007

[11] Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH, CARE innovative action – preliminary study on integration of unmanned aerial vehicles into future air traffic management. Final report, 2001

[12] B. Clough, Metrics, schmetrics! How do you track a UAV’s autonomy? In Proceedings of the AIAA 1st Technical Conference and Workshop on Unmanned Aerospace Vehicles, Portsmouth, 2002a

[13] http://www.micronix.ro/ro/produse/furnizor_Camera-termoviziune-compacta-de-buzunar_FLIR-Systems_FLIR-C2-MSX_Oferte-speciale-Unitati-DEMO-3199

Site vizionat la data de 10.06.2017

[14]http://www.eyeinthesky.ro/dji-s800-evo-drona-profesionala-pentru-filmari-aeriene/ Site vizionat la data de 10.06.2017

[15] http://www.lfb.rwth-aachen.de/en/research/basic-research/multispectral/

Site vizionat la data de 10.06.2017

[16] http://altigator.com/drone-embedded-lidar-technology-on-onyxstar-fox-c8-hd/

Site vizionat la data de 10.06.2017

[17] http://www.yellowscan.fr/news/news-release

Site vizionat la data de 10.06.2017

[18]https://www.robofun.ro/xbee-pro-63mw-pcb-antena-series-2b-zigbee-mesh?search=zigbee

Site vizionat la data de 10.06.2017