Na pytanie czym są drony rc i na jakiej zasadzie działają można odpowiedzieć dosłownie w kilku zdaniach.  Innowacyjna technologia dronów stale ewoluuje, zaś duże środki finansowe zapewniane przez duże koncerny skutkują coraz bardziej zaawansowanymi konstrukcjami pojawiającymi się na rynku co kilka miesięcy. Omówimy funkcje nowoczesnych dronów zdalnie sterowanych.

W tym artykule postaramy się omówić technologię UAV (Unmanned Aerial  Vehicle – bezzałogowych statków powietrznych) bazując na jednym z najbardziej popularnych modeli dostępnym na rynku a wyposażonego w najnowocześniejszą technologię. Większość zaawansowanych modeli dronów posiada bardzo zbliżone technologicznie systemy.

Technologia bezzałogowych statków powietrznych w najszerszym zakresie obejmuje wszystko – począwszy od samej aerodynamiki drona, materiałów, z jakich został wykonany, poprzez elektronikę, rodzaj zastosowanej płytki elektronicznej, chipset na oprogramowaniu samego modelu kończąc.

Za jeden z najbardziej uznawanych modeli dronów zdalnie sterowanych dostępnych na rynku uchodzi  model Phantom 2 Vision+. Jest to jeden z najbardziej popularnych, jeśli nie najpopularniejszy model służący do wykonywania profesjonalnych zdjęć i filmów z lotu ptaka. Mimo, że od jego premiery minęło już wiele miesięcy, korzysta on z wielu zaawansowanych technologii, które powielane są w najnowszych modelach dronów. Phantom 2 Vision+ to dron UAV na przykładzie którego najłatwiej wytłumaczyć technologię dronów ponieważ posiada on wszystkie niezbędne innowacje i wyposażenie.

Jak działa dron

Typowy dron (a właściwie to bezzałogowy statek powietrzny, bo tak powinno określać się konstrukcje tego typu) wykonany jest z bardzo lekkich materiałów kompozytowych których zadaniem jest ograniczenie wagi i podniesienie zwrotności urządzenia. Materiały kompozytowe o podwyższonej trwałości umożliwiają, w przypadku dronów wojskowych, osiąganie bardzo dużych wysokości. Drony wyposażone są w najnowocześniejszą technologię jak np. kamery podczerwieni, GPS czy nawet w lasery i mogą być sterowane zdalnie bądź przy użyciu kokpitu znajdującego się na ziemi.

Możemy spotkać się z dużą różnorodnością jeśli chodzi o wymiary samego drona. Duże drony o ogromnym udźwigu jak np. Predator, znajdują zastosowanie w wojsku, inne, mniejsze, mogą startować bezpośrednio z ręki, jeszcze inne będą wymagały specjalnego miejsca do startu i lądowania. System bezzałogowych statków powietrznych składa się z dwóch części: z samego drona i z systemu kontroli.

Na froncie drona znajdziemy wszystkie czujniki oraz systemy nawigacyjne. Cała pozostałą powierzchnia może być dowolnie wykorzystana dzięki temu, że dron nie potrzebuje dodatkowej przestrzeni na pomieszczenie ludzi którzy kontrolowali by model w powietrzu. Materiały służące do konstrukcji dronów to wysokiej jakości materiały kompozytowe które są w stanie pochłaniać wibracje i przy okazji redukować wytwarzany podczas lotu hałas.

Technologia UAV

Przyjrzyjmy się technologii, jaka stoi za flagowymi modelami UAV. Da nam to pogląd na poszczególne elementy wchodzące w skład profesjonalnych modeli latających.

Pozycjonowanie i funkcja powrotu do bazy

Radar lotu a pulpicie sterującym/aparaturze rc wyświetla aktualną pozycję modelu w stosunku do pilota. Po przekroczeniu zasięgu (utracie kontroli nad sterowanym modelem), automatycznie aktywuje się funkcja powrotu do miejsca startu, co oznacza, że model automatycznie powróci do miejsca startu i bezpiecznie wyląduje.

Żyroskop, kontroler lotu

Stabilizacja żyroskopowa to jeden z elementów umożliwiających płynny lot modelu. Żyroskop natychmiastowo reaguje na wszystkie siły oddziałujące na model w powietrzu i stabilizuje jego ruchy zapewniając niezbędne informacje nawigacyjne do kontrolera lotu.

Zintegrowana jednostka obliczeniowa (IMU) dokonuje obliczeń na podstawie aktualnego przyspieszenia bazując na jednym bądź wielu akcelerometrach. IMU wykrywa zmiany atrybutów obrotowych takich jak pitch, roll i yaw przy użyciu jednego bądź wielu żyroskopów. Niektóre IMU wykorzystują magnetometr aby wspomóc kalibrację modelu.

Żyroskop jest składowym elementem IMU, zaś IMU to kluczowy składnik kontrolera lotu, czyli całego mózgu bezzałogowego statku powietrznego.

Parametry lotu na ekranie

Większość zaawansowanych konstrukcji umożliwia telemetrię lotu bezpośrednio na ekranie urządzenia mobilnego (smartfona, tabletu).

Zabronione strefy lotu

W celu podniesienia bezpieczeństwa lotów i unikania wypadków lotniczych w ograniczonych obszarach lotów, oprogramowanie dronów wykorzystuje funkcję „No Fly Zone”, która skutecznie uniemożliwia wlecenie modelu w strefę dla niego zabronioną. Dlatego też lot w obrębie lotnisk, pasów startowych, baz wojskowych itd. nie będzie możliwy.

GPS i technologia Ready To Fly

Drony wyposażone w układ GPS po skalibrowaniu łączą się z satelitami podobnie jak nawigacja samochodowa. Po pomyślnym połączeniu się z sześcioma satelitami, model może przełączyć się w tryb ready to fly i latać w powietrzu bez konieczności kontroli ze strony polota.

Kompas i funkcja failsafe

Umożliwiają statkom UAV rozpoznanie dokładnej lokalizacji lotu. Kalibracja kompasu wymagana jest do ustawienia pozycji „domowej”, czyli miejsca, do którego model będzie wracał w przypadku utraty zasięgu z aparaturą sterującą.

Technologia FPV

FPV, czyli First Person View to technologia umożliwiająca podgląd obrazu na żywo. Kamera zainstalowana w modelu bezzałogowym przesyła obraz bezpośrednio do pilota znajdującego się na ziemi dzięki czemu pilot lata modelem tak jakby znajdował się na jego pokładzie zamiast patrzeć na drona ze swojej aktualnej pozycji.

Technologia FPV umożliwia lot dronem na znacznie dalsze i wyższe odległości w porównaniu do tych, które można osiągnąć obserwując model z ziemi. Technologia ta umożliwia duże bardziej precyzyjne latanie wokół przeszkód szczególnie tam, gdzie byłoby to niemożliwe z perspektywy osoby stojącej na ziemi, np. wśród zalesienia. Transmisja obrazu odbywa się na zasadzie radiowego przesyłania danych.

Dron wyposażony jest w wielokanałowy, bezprzewodowy nadajnik FPV z wbudowaną anteną. W zależności od modelu, obraz fpv może być odbierany przez nadajnik rc, monitor fpv, komputer, tablet czy też smartfon.

Inżynierowie prześcigają się w nowych konceptach stale zwiększając zasięg transmisji fpv. Im większa moc nadajnika fpv, tym większa odległość, z jakiej zostanie odebrany obraz. Najnowsze konstrukcje czołowych producentów dronów służących do komercyjnego użytku pozwalają na transmisję obrazu z odległości nawet 7 kilometrów!

Zintegrowany kontroler lotu i inteligentne algorytmy wyznaczają nowy standard dla bezprzewodowej transmisji obrazu fpv poprzez maksymalne obniżenie opóźnień, podniesienie zasięgu i niezawodności.

FPV poprzez 4G i sieci LTE

W ubiegłym roku wprowadzono nową technologię umożliwiającą transmisję obrazu przy wykorzystaniu sieci 4G/LTE. Dzięki temu rozwiązaniu praktycznie zniesiono limit zasięgu i obniżono opóźnienia w transmisji obrazu do minimum. Bazowy model drona korzystający z tej technologii wyposażony został dodatkowo w modem 4G/LTE.

Oprogramowanie i asystent lotu

System kontroli lotu komunikuje się z komputerem klasy PC poprzez złącze micro USB, dzięki czemu w szybki i łatwy sposób można aktualizować oprogramowanie bezzałogowego statku powietrznego. Dron to tak naprawdę latający komputer z zainstalowaną kamerą. Oprogramowanie modeli może być w każdej chwili zaktualizowane przez co można pozbyć się błędów i wdrożyć nowe funkcje.

Oświetlenie LED

Zdalnie sterowane drony posiadają oświetlenie przednie i tylne. Diody LED mają za zadanie wskazywać, gdzie znajduje się przód urządzenia, a gdzie jego tył. Dodatkowo, modele wykorzystują diody LED aby informować o statusie naładowania akumulatora bądź o wielu innych parametrach lotu.

System kontroli UAV – nadajnik i odbiornik

Sterowanie modelem odbywa się na zasadzie komunikacji bezprzewodowej przy użyciu technologii 5.8GHz. Dron jest fabrycznie zbindowany (skojarzony, połączony) z nadajnikiem. Dodatkowo, na wypadek rozbindowania nadajnika z odbiornikiem, odbiornik wyposażony jest w specjalny przycisk bądź zworkę umożliwiającą sparowanie go z pilotem zdalnego sterowania.

Zwiększenie zakresu kontroli nad modelem UAV

Jest to bezprzewodowe urządzenie komunikacyjne działające w częstotliwości 2.4 GHz. Służy do rozszerzenia zakresu komunikacji między smartfonem lub tabletem a dronem w otwartym, niezakłóconym obszarze. Odległość transmisji może wynosić 700 metrów. Każdy rozszerzenie zakresu ma unikalny adres MAC i nazwę sieci (SSID).

Najnowsze modele dronów  charakteryzują się fabrycznie dużym zasięgiem oscylującym w granicach do 5 kilometrów. Dzięki urządzeniu typu „range extender” możemy ten zasięg w znacznym stopniu zwiększyć.

Aplikacja wykorzystująca Ground Staion

Po poraniu darmowej aplikacji ze sklepu Goggle Play bądź Apple Store zyskujemy pełną kontrolę nad dronem.  Moduł ground station, w który wyposażone zostały najnowsze modele, umożliwia lot w powietrzu po wcześniej wyznaczonych na smartfonie bądź tablecie punktach. Możliwe jest także ustawienie wysokości i prędkości całkowitej. To tzw. planowanie misji modelu FPV. Dron po zaktualizowaniu punktów kontrolnych samodzielnie dokonuje oblotu.

Kamera wysokiej jakości

Najnowocześniejsze modele dronów wykorzystują cyfrowe kamery, których nie powstydziłoby się niejedno studio telewizyjne. Zapisywanie obrazu w jakości 1080P przy  30 klatkach na sekundę i krystalicznie wyraźny obraz to absolutne minimum. Modele takich marek jak Walkera, Yuneec, DJI już teraz oferują kamery zdolne rejestrować obraz w rozdzielczości 4K i robić 12 megapikselowe zdjęcia!

Wiele poprzednich konstrukcji wykorzystywało kamery które nie do końca sprawdzały się w fotografii lotniczej. Charakteryzowały się one zniekształceniami wynikającymi z niedoskonałości obiektywów. Na szczęście wraz z rozwojem technologii, problemy te zostały rozwiązane.

Co ważniejsze, do oferty wielu producentów trafiły gimbale i kamery oferujące optyczny i cyfrowy zoom. Dla przykładu, model Zenmuse Z30 od DJI umożliwia 30-krotne powiększenie analogowe i 6-krotny zoom cyfrowy do łącznie daje aż 180-krotne powiększenie obrazu! Pozwala to na bardziej przemysłowe zastosowania, takie jak sprawdzanie wież komórkowych lub turbin wiatrowych, aby uzyskać bardzo szczegółowe spojrzenie na struktury, przewody, moduły i podzespoły w celu wykrycia uszkodzeń. Z kolei w modelu Walkera Voyager 4 mamy możliwość 18-krotnego powiększenia analogowego i rejestrowania filmów 360-stopni przy 30 klatkach na sekundę i to w jakości 4K. Aby umożliwić nagrywanie filmów 360 stopni producent użył 3-osiowych gimbali w technologii bezszczotkowej.

Gimbale i kontrola wychylenia

Technologia wykorzystująca gimbale (urządzenie utrzymujące i sterujące ruchami kamery) jest nieodzownym elementem fotografii lotniczej, filmowej czy filmowania 3D. Zadaniem gimbali jest absorbowanie drgań powstałych na skutek pracy silników drona tak, aby nie były one przenoszone na kamerę. Umożliwiają wychylenie bądź ustawienie kamery pod dogodnym kątem podczas lotu. Gimbale spotykane w profesjonalnych modelach to wersje 3-osiowe (czyli mogą pochylać się do przodu/do tyłu, obracać lewo/w prawo oraz pochylać się horyzontalnie). Mogą pracować w trybie fpv jak i nie-fpv. Jak będzie kształtować się przyszłość modeli wyposażonych w gimbale? Czas pokaże. W tym roku przedstawiono chip o nazwie H22 przeznaczony do kamer zastosowanych w dronach. Ma on za zadanie nagrywanie filmów 4K HD i wyposażony jest w technologię stabilizacji obrazu która ma wykluczyć zastosowanie gimbali.

Sensory w dronach

Coraz powszechniejsze staje się stosowanie w modelach statków bezzałogowych takich sensorów jak czujnik termiczny, fotogrametryczny, czujnik odległościowy i inne. Dzięki nim możliwe jest skanowanie obiektów 3D, skanowanie architektury i podłoża. Możemy za ich pomocą  badać zdrowie roślin, kwiatów, drzew a  nawet dzikich zwierząt.

Czujniki odległościowe, czujniki głębokości, mogą być wykorzystywane do skanowania obiektów, nawigacji wewnątrz budynków, unikania przeszkód, rozpoznawania gestów, śledzenia obiektów, pomiaru objętości, fotografii 3D, gier typu reality itp.

Dzięki mapowaniu Lidara i fotogrametrii, drony zostają zaprogramowane do lotu na określonym obszarze przy użyciu autonomicznej nawigacji GPS. Aparat fotograficzny modelu będzie robił zdjęcia w odstępach 0,5 lub 1 sekundy. Zdjęcia te są scalone ze sobą używając wyspecjalizowanego oprogramowania do tworzenia obrazu 3D.

Oprogramowane do edycji filmów

Wraz z najwyższej klasy modelem producenci dostarczają wysokiej jakości oprogramowania umożliwiającego edycję wcześniej nagranego materiału. Obraz rejestrowany przez kamery urządzeń zapisywany jest bez strat w najbardziej popularnym wśród filmowców formacie raw.

Systemy operacyjne dronów

Niektóre z bezzałogowych statków powietrznych korzystają z system operacyjnego Microsoft Windows. Niemniej jednak, znaczna większość bazuje na różnych wersjach Linuxa, np. na projekcie Dronecode.

Dronecode to open sourcowy projekt budowany we współpracy niezrzeszonych programistów. Dzięki wspólnej pracy tysięcy ludzi, otrzymujemy doskonałą platformę open source dla dronów UAV. Jak już wcześniej pisaliśmy, drony to latające komputery, co ma też swoje złe strony. Posiadają systemy operacyjne, kontrolery lotu, programowalne płyty główne i podobnie jak komputery, mogą zostać zhakowane bądź zawirusowane.

Najnowsze innowacje – funkcje nowoczesnych dronów zdalnie sterowanych

Rynek dronów bardzo prężnie się rozwija. Praktycznie każdego miesiąca dowiadujemy się o coraz to nowszej funkcjonalności modeli zdalnie sterowanych. Tylko w przeciągu kilkunastu ostatnich miesięcy wprowadzono takie udoskonalenia jak unikanie kolizji za sprawą zainstalowanych w dronie czujników, funkcje follow me dzięki której dron podąża za obiektem, lot po wyznaczonych punktach, reagowanie na gesty, zawis w powietrzu. Drony mają tak wspaniałych zastosowań. Po zamontowaniu kamery lub czujników takich jak LiDAR, Thermal, ToF, Multispectral i wiele innych, zakres zastosowań dronów po prostu rośnie.

Jeszcze kilka lat temu większość opisywanych w powyższym artykule funkcji była wykorzystywana jedynie w wojskowych modelach UAV i innych tajnych projektach. Rozwój technologii sprawił, że dziś  praktycznie każdy może korzystać z najnowocześniejszych rozwiązań. Jak będzie wyglądała technologia przyszłości i jaką rolę będą odgrywały drony w naszym życiu? Przekonamy się o tym już niedługo.

Gorąco zachęcamy do zapoznania się z całą ofertą dronów dostępmnych w hurtowni modelarskiej Gimmik.net!