• Pirmais bezpilota lidaparāts - Curtiss N9
• Pirmā bezpilota lidmašīna, kas spēj nogādāt sprāgstvielas līdz mērķim
• Pirmā pasaules kara laikā ASV flotei būvēja Elmers Sperijs un Pīters Kūpers Hjūits
• Dažas no tehnoloģijām šajā tālvadības lidmašīnā tika iedvesmotas no “teleautomatizācijas” — tehnoloģijas, ko izmantoja zemūdens torpēdu vadīšanai 1893. gadā.
• Citas lidmašīnas, kuras vēlāk tika būvētas militārpersonām, lai tās kalpotu kā "gaisa torpēda", bija Liberty Eagle, TDN-1 "uzbrukuma drons".

1. att. Kērtiss N9

2. att. Brīvības ērglis

3. att. TDN-1 “Uzbrukuma drons”

• Sākotnējos brāļu Raitu projektus bija grūti kontrolēt.
• Tie tika attiecināti uz plaši izmantoto trīs asu vadības sistēmu (Ievirzīšanās/Pitch/Roll) izstrādi smagākiem par gaisa pilotu lidmašīnām.
• Cits slavens tā laika zinātnieks, doktors Samuels P. Lenglijs veltīja savus pūliņus stabilu pilotējamu lidojumu veikšanai. Taču neizdevās gūt panākumus, neskatoties uz dotācijām no valdības un militārpersonām.
• Dažas jomas, kas piedzīvoja ievērojamu attīstību, bija optimizētas konstrukcijas, aerodinamika, vadības virsmas, paceļamā spārna konfigurācija.

7. att. Wright Flyer

8. att. Doktora Lenglija 6. Lenglijas lidlauks

• Vairāki izgudrojumi veicināja attālināti vadāmu lidaparātu jeb bezpilota lidaparātu / bezpilota lidaparātu izstrādi.

• Pirms lidmašīnu izgudrošanas radioviļņu 

• Zemūdens torpēdas tika izgudrotas 1898. gadā, lai, izmantojot teleautomatizāciju, vadītu sprāgstvielas uz ienaidnieka kuģiem.

• Vēl viena tehnoloģija, kas tika īpaši izstrādāta torpēdām, bija Elemer Sperry "trīs asu žiroskops".

• Šīs zemās tehnoloģijas ļāva Sperijai pilnveidot pirmā uzticamā mehāniskā autopilota dizainu.

9. attēls. Rotaļu laiva, ko vada Nikola Tesla Teleautomation

10. att. Trīs asu mehāniskais žiroskops

• Saskaņā ar Federālās aviācijas administrācijas (FAA) teikto – bezpilota gaisa kuģu sistēma ir bezpilota gaisa kuģis un aprīkojums, kas nepieciešams šī gaisa kuģa drošai un efektīvai darbībai.

• Bezpilota gaisa kuģis ir UAS sastāvdaļa.

• Visi gaisa kuģi , kurus ekspluatē bez cilvēka tiešas iejaukšanās no gaisa kuģa iekšpuses vai gaisa kuģī, tiek klasificēti kā bezpilota gaisa kuģis ( UAV). (Publiskais likums 112-95, 331. panta 8. punkts).

11. att. Fiksēta spārna CTOL* (pa kreisi) un daudzrotoru VTOL** (labā) UAS platformas
* Parastā pacelšanās un nosēšanās
** Vertikālā pacelšanās un nosēšanās
 

• Lai izprastu UAS pamatelementus, ir jāsaprot pamatinformācija par transportlīdzekļa vadību, stabilizāciju un sensoru konstrukciju

• UAS izmantotās kontroles metodes var plaši klasificēt:

  • Manuālā vadība — tas ļauj kvalificētam UAS pilotam precīzi manipulēt ar UAV lidojuma trajektoriju un paredzamo rezultātu

  • Stabilizētā vadība – ļauj operatoram precīzi manipulēt ar gaisa kuģa pozīciju, izmantojot UAV borta autopilotu. Šajā gadījumā UAV autonomijas līmenis ir augstāks.

  • Automatizētā vadība — šim vadības scenārijam ir nepieciešams vismazākais operatora kontroles apjoms. Izmantojot programmatūru, tiek plānota pilnīga misija pirms izvietošanas, un pilnīgu kontroli pārņem zemes vadības programmatūra un borta autopilots.

12. att. Dažādi UAS autonomijas līmeņi

• Kravnesība ir definēta kā kopējais svars, ko var pārvadāt bezpilota lidaparāts. Tas neietver pašas platformas svaru.
   

• Kravas veids var atšķirties atkarībā no platformas misijas mērķiem. Parasti tos izmanto datu, piemēram, attēlu, video, temperatūras, koordinātu utt., vākšanai.

• Tipiskās lietderīgās slodzes, ko izmanto UAV, ir:

  • Elektrooptiskie attēlveidošanas sensori

  • Redzamie RGB sensori

  • IR (infrasarkanie) sensori

  • LiDAR (gaismas noteikšanas un diapazona) sensori

  • SAR (sintētiskās apertūras radars)

• Programmatūra ir jebkuras UAS sistēmas galvenā sastāvdaļa neatkarīgi no UAV autonomijas līmeņa.

• Borta autopilots, datu apstrāde uz zemes un daudzas citas funkcijas mūsdienās tiek veiktas ar programmatūras palīdzību.

• Tipiska programmatūra, kas šodien ir komerciāli pieejama, ir:

  • UAS flotes pārvaldības programmatūra

  • Autopilota programmatūra

  • Sensoru datu līdzekļu pārvaldība

  • Analītiskās fotogrammetrijas programmatūra

  • Izmaiņu noteikšana un mašīnmācīšanās

  • Datorredzes programmatūra 

  • Autonomā lidojuma trajektorijas plānošanas programmatūra      

18. att. UAV lidojuma trajektorijas plānošana lietotāja interfeiss

19. att. 3D datu renderēšanas lietojumprogramma

• Mūsdienās bezpilota lidaparātus/UAV izmanto visdažādākajos komerciālos lietojumos, sākot no atpūtas līdz lauksaimniecībai un pilsētu plānošanai.

• Tā plašās pielāgošanas straujo uzplaukumu var saistīt ar UAS aparatūras un programmatūras zemajām izmaksām un pieejamību kā komerciāli pieejamus gatavus (COTS) komponentus.

• Atvērtā pirmkoda izstrādes projekti, piemēram, DroneCode Foundation, kas noveda pie PX4, MAVLink utt. izstrādes, sniedza cilvēkiem iespēju veidot sistēmas pēc pasūtījuma.

• Tipiski komerciāli lietojumi, kas mūsdienās ir ļoti izplatīti, ir:

  • Būvinspekcija

  • Gaisa kuģu pārbaude

  • Nafta, gāze, elektropārvades līnijas, spēkstaciju pārbaude

  • Publiskās infrastruktūras (tiltu, dambju, ceļu uc) pārbaude

  • Kartēšana/uzmērīšana no gaisa

  • Precīzā lauksaimniecība

  • Filmu veidošana

  • Mārketings un gaismas šovi

  • Ziņu ziņošana

  • Meteoroloģija

  • Kravu piegāde

20. att. UAS komerciālās lietošanas gadījumi

• UAS sastāv no mijiedarbīgu vai savstarpēji saistītu elementu grupas, kas darbojas koordinēti, lai īstenotu lietotāja/operatora/klienta mērķus/misiju.

• Lielākā daļa UAS sastāv no:

• UAV/Attāli pilotēta platforma

• Cilvēka pilots

• Lietderīgā slodze

• Vadības elementi

• Datu saites komunikācijas elements

• Palaišanas un atkopšanas elements (dažās specializētās sistēmās)

21. att. UAS pamatelementi

• UUAV jeb tālvadības transportlīdzekļi (RPV) ir plaši klasificēti dažādās kategorijās, pamatojoties uz to svaru un veiktspējas klasi.

• Noteikumi par svara klasi un veiktspēju dažādās valstīs var atšķirties. Bet kopumā tās tiek diferencētas kā mazas UAS (sUAS), kas ir mazākas par 55 mārciņām vai lielākas UAS, kas ir 55 mārciņas vai vairāk.

• UAS platformas tiek klasificētas arī pēc to lidojuma īpašībām. Piemēram:

• Fiksēts spārns (parastā pacelšanās un nosēšanās CTOL)

• Vertikālā pacelšanās un nosēšanās (VTOL)

• Hibrīda platformas (var gan CTOL, gan VTOL)

22. att. UAS klasifikācija (ASV Aizsardzības departaments — DOD)

• UAS koncepcija ir izmantot šo sistēmu spēju izpildīt misijas, ievērojot iepriekš ieprogrammētu instrukciju kopumu ar ierobežotu/bez cilvēka iejaukšanās.

• Autopiloti ļauj platformām izpildīt šīs instrukcijas, vienlaikus saglabājot stabilu lidojumu.

• No otras puses, zemes vadības stacija (GCS) nodrošina cilvēka un mašīnas saskarni, lai sniegtu norādījumus UAV.

• Bezvadu datu saite ļauj GCS pārsūtīt komandu un vadības instrukcijas uz UAV autopilotu. Tas ietver arī joslas platumus, kas piešķirti lietderīgās slodzes datu pārraidei.

• UAS darbības var plaši iedalīt:

  • Redzes līnija (LOS)

  • Beyond Line of Sight (BLOS)

  • Ārpus redzes līnijas (BVLOS)

23. att. GCS

24. att. Datu saites aparatūra

25. att. UAV Autopilots

• Palaišanas un atkopšanas (L&R) elements ir viens no darbietilpīgākajiem UAS aspektiem.

• Lielākajai daļai SUAS nav nepieciešams L&R aprīkojums.

• Lielākām sistēmām L&R elements var ievērojami atšķirties atkarībā no platformas veida, arhitektūras dizaina, darbības vides un prasībām utt.

• Dažas tipiskas plaši izmantotas palaišanas sistēmas ir:

  • Katapultas palaišana

  • Rokas palaišana

  • Izpletņa atgūšana

  • Neto atgūšana

  • Āķa atgūšana

26. att. Pneimatiskās katapultas palaišanas sistēma
 

28. att. Āķa atgūšana

29. att. Rokas palaišana

27. att. Izpletņa atgūšana

30. att. Tīkla atkopšana
 

• Sensoru kravnesība bezpilota lidaparātos uztver vidi, kurā tie darbojas, izmantojot aktīvo un pasīvo sensoru.
   
• Aktīvie sensori izstaro elektromagnētisko enerģiju pret ārējiem objektiem, lai uztvertu un analizētu atstaroto enerģiju. Aktīvo sensoru piemēri ir:
  • LiDAR
  • SAR
  • RADAR

• Pasīvie sensori, piemēram, vizuālās kameras, uztver tikai ārējo avotu emitēto enerģiju. Daži pasīvo sensoru piemēri ir:
  • RGB Camera
  • IR Sensor

31. att. Elektromagnētiskās enerģijas spektrs

• UAS bieži izmanto, lai pētītu priekšmetu vai vides telpisko informāciju. UAS dažreiz izmanto šo informāciju navigācijai, ceļa plānošanai un lokalizācijai.
   
• Šī pieeja ir pazīstama arī kā vienlaicīga lokalizācija un kartēšana (SLAM), kas ir skaitļošanas problēma nezināmas vides kartes izveidošanai vai atjaunināšanai, vienlaikus sekojot līdzi UAV atrašanās vietai tajā.
   
• SLAM approach utilizes geospatial data which is available asSLAM pieeja izmanto ģeotelpiskos datus, kas ir pieejami kā:
  • Rastra dati – dati, kas saglabāti kā vērtības blakus režģī
  • Vektordati – dati, kas tiek glabāti kā punkti, līnijas, daudzstūri utt.

Fig. 32 Representation of Raster and vector data

• FAA un Eiropas Aviācijas drošības aģentūra (EASA) regulē nacionālās gaisa telpas izmantošanu ASV un Eiropas Savienībā (ES).
   
• Viņi ir atbildīgi par drošības un vides aizsardzības nodrošināšanu gaisa transportā Eiropā un ASV.
   
• Oriģinālo iekārtu ražotāji (OEM) un operatori parasti virza un motivē noteikumus jebkurā tehniskajā vidē, piemēram, aviācijā.
   
• 2005. gada 16. septembrī FAA izdeva memorandu AFS-400 UAS politika 05-01 kā vadlīnijas UAS izmantošanai ASV Nacionālajā gaisa telpas sistēmā (NAS).
   
• ES regulas 2019/947 un 2019/945 nosaka regulējumu civilo bezpilota lidaparātu drošai darbībai Eiropas debesīs.

• ASV pašreizējie dronu noteikumi nosaka, ka jebkuram dronam jābūt:
   
  • Mazāk nekā 55 mārciņas
  • Darbojas komandiera/vizuālā novērotāja pilota vizuālajā redzamības zonā (VLOS).
  • Nedarboties tieši pār cilvēkiem
  • Darbojas tikai dienas laikā
  • Lidojiet ar ātrumu, kas nepārsniedz 100 jūdzes stundā (87 knts)
  • Lidojiet zem 500 pēdām (AGL)
  • Nedarbojas A klases gaisa telpā
  • Ekspluatēt E klases gaisa telpā tikai pēc ATC apstiprinājuma
  • Darbojas minimālā laikapstākļu redzamībā 3 jūdzes
  • Ekspluatē tikai licencēts pilots saskaņā ar 107. daļu
     
• ES pašreizējais dronu regulējums pieprasa (katrai valstij nacionālie noteikumi var atlikt):
  • Pirms lidot ar dronu, kas sver 250 gramus vai vairāk, jums ir jāiegūst ES bezpilota lidaparāta sertifikāts
  • Jums jāreģistrējas kā drona pilotam un jāpievieno operatora numurs savam dronam.
  • Dronam jālido ne vairāk kā 120 metru augstumā
  • Drons jālido pilotu tiešā redzeslokā
  • Nīderlandē dronu drīkst lidot tikai dienas laikā
  • Jums nav atļauts lidot (pagaidu) lidojumu aizlieguma zonā
  • Jums nav atļauts lidot virs neiesaistītām personām
     

33. att. Licencēts UAS pilots

• Aviācijas vide ir sarežģīta, dinamiska un nepilnību pilna, jo NAS piekļuves meklējumos ir iesaistītas daudzas ieinteresētās puses (dizaineri, operatori, lietotāji utt.).

• Tāpēc, ieviešot jaunus noteikumus, ir nepieciešama lielāka piesardzība, lai būtu pilnībā izprasti iesaistīšanās noteikumi.

• Nozares partneru un operatoru aktīva iesaiste ir ļoti svarīga, lai nodrošinātu šīs nozares organisko izaugsmi.

• Lielākais izaicinājums regulējošajām iestādēm, piemēram, FAA un EASA, ir panākt saskaņotu, racionālu un izpildāmu politiku, procedūras, noteikumus un noteikumus UAS nozarei.

34. att. Dronu kravas piegāde
 

• Cilvēka elements UAS darbībā ir ļoti svarīgs UAS nozares vispārējai drošībai un panākumiem.

• Cilvēcisko faktoru vispārējais mērķis UAS ir sniegt lietotājiem, klientiem un operatoriem nepieciešamos norādījumus, zināšanas un prasmes, lai panāktu drošu UAV darbību.

• Lai gan cilvēki ļoti labi pielāgojas videi (kas padara tos par visgudrāko sugu uz šīs planētas), viņi piedzīvo garīgu/fizisku nogurumu, dezorientāciju, komunikācijas traucējumus utt., kas cilvēka kļūdu dēļ bieži noved pie bīstamām un katastrofālām situācijām.

• Dažus no daudzajiem iemesliem, ko var attiecināt uz tiem, var klasificēt:
  • Uztveres kļūdas
  • Selektīva uzmanība
  • Koncentrētas uzmanības trūkums
  • Sadalīta uzmanība
     

Fig. 35 Factors influencing human cognition

• Saskaņā ar Senders & Moray (1991)* kļūdu tiek definēta kā “nav paredzēts dalībniekam, to nevēlas noteikumu kopums vai ārējs novērotājs, vai kas noveda uzdevumu vai sistēmu ārpus tā pieļaujamajām robežām ” .
• Drošībai kritiskā nozare, piemēram, aviācijas nozare, izmanto stratēģijas, lai atklātu un novērstu cilvēku kļūdas, pirms tās rodas.
• Cilvēciskajos faktoros Šveices siera modelis bieži tiek izmantots, lai aprakstītu, kā kļūdas izslīd cauri dažādu uzraudzības slāņu sargiem un apvienojoties ar noteiktiem priekšnosacījumiem, kas galu galā noved pie negadījumiem.
• Būtībā ir četri ietekmes slāņi, kas izraisa negadījumus:
  • Organizatoriskā ietekme – politikas, norādījumu, noteikumu uc trūkums.
  • Uzraudzības ietekme – uzraudzības trūkums no indivīdu puses
  • Priekšnosacījumi – apstākļi, kas veicina negadījuma cēloni
  • Operatora darbības – operatora darbības, kas noved pie notikuma
    
     

*Senders, JW un Moray, NP (1991). Cilvēka kļūda: cēlonis, prognozēšana un samazināšana (1. izdevums). CRC Prese. https://doi.org/10.1201/9781003070375

36. att. Šveices siera cilvēciskās kļūdas modelis

• izpratnes uzturēšana ir drošas un efektīvas UAS nozares atslēga.

• Tas ir definēts kā "internalizēts lidojuma vides pašreizējā stāvokļa mentālais modelis".

• Ir četri situācijas apzināšanās aspekti, kas tiek uzskatīti par kopīgiem soļiem lēmumu pieņemšanas procesā:

  • Modrība – pareiza uzmanības veida vadīšana

  • Diagnoze – situācijas pamatcēloņa noteikšana

  • Riska analīze – situācijas ietekmes izpratne

  • Rīcība – pareizu darbību veikšana riska mazināšanai

• Citi veidi, kā uzlabot SA, ir dizains.

• Efektīva cilvēka un mašīnas saskarnes (HMI) dizains var padarīt kritisko informāciju pieejamāku, samazināt pilotu darba slodzi un brīdināt dalībniekus jau pirms laika.

37. att. SA ietekmējošie faktori

• 20. gadsimta sākumā, un jaunu tehnoloģiju apvienošana izraisīja UAS attīstību pirmajās dienās.

• UAV var būt dažāda līmeņa autonomija atkarībā no izmantotās tehnoloģijas un kontroles metodes.

• Bezpilota lidaparātiem ir plašs kravnesības klāsts, kas piemērots visu veidu misijām/mērķiem.

• Programmatūra ir būtiska UAS sastāvdaļa, kas ļauj pilotiem pārvietoties, kontrolēt un apstrādāt datus.

• Pamatojoties uz bezpilota lidaparātu svaru un veiktspēju, regulējošās iestādes klasificē bezpilota lidaparātus, lai regulētu ekspluatācijas noteikumus un nodrošinātu cilvēku un vides drošību.

• Lai UAS nozare varētu augt un plaukt, dizaineru, operatoru, uzturētāju un pilotu galvenais mērķis ir drošība.

• Cilvēciskajiem faktoriem tajā ir būtiska loma. Tāpēc mums jācenšas samazināt cilvēku kļūdas un izvairīties no iespējamiem negadījumu cēloņiem.