• Pierwszy bezzałogowy statek powietrzny – Curtiss N9.
• Pierwszy statek powietrzny bez pilota na pokładzie, używany do przenoszenia ładunków wybuchowych.
• Elmer Sperry i Peter Cooper Hewitt skonstruowali go dla amerykańskiej marynarki wojennej w czasach I wojny światowej.
• Niektóre wykorzystane w tym zdalnie sterowanym statku technologie inspirowane były  „teleautomatyką”, która została wykorzystana do sterowania podwodnymi torpedami w 1893 r.
• Dla wojska budowane były następnie takie statki jak Liberty Eagle, zwany „powietrzną torpedą” czy „samolotem-pociskiem”, i TDN-1, zwany „dronem szturmowym” czy „latającą bombą”.

Rys. 1 Curtiss N9

Rys. 2 Liberty Eagle

Rys. 3 Dron szturmowy TDN-1

• Pierwsze statki powietrzne projektowane przez braci Wright miały problemy ze sterownością.
• Przypisuje się im opracowanie powszechnie stosowanej koncepcji kontrolowania statku powietrznego cięższego od powietrza z pilotem na pokładzie, które odbywa się w trzech osiach: pionowej (kąt odchylenia [„yaw”]), poprzecznej (kąt pochylenia [„pitch”]) i podłużnej (kąt przechylenia [„roll”]).
• W tym samym czasie naukowiec Samuel P. Langley pracował nad osiągnięciem stabilności lotu statku załogowego. Niestety mimo wsparcia finansowego ze strony rządu i wojska nie zdołał przeprowadzić udanego lotu.
• Znaczny postęp osiągnięto natomiast w zakresie optymalizacji konstrukcji, aerodynamiki, powierzchni sterowych czy konfiguracji skrzydeł generującej siłę nośną.

Rys. 7 „Wright Flyer”

Rys. 8 Aparat „Aerodrome” nr 6 Langley’a

• Do powstania zdalnie sterowanych statków powietrznych, czyli bezzałogowych systemów powietrznych / dronów, przyczynił się szereg innych wynalazków.
• Zanim wynaleziono statki powietrzne odkrycie fal radiowych i ich wykorzystanie do bezprzewodowego przesyłania sygnałów doprowadziło do powstania nowej dziedziny, nazwanej wtedy „teleautomatyką”.
• W 1898 r. wynaleziono podwodne torpedy, które doprowadzały ładunki wybuchowe do statków wroga, używając teleautomatyki.
• Kolejną technologią, zaprojektowaną przez Elemera Sperry’ego specjalnie na potrzeby torped, był trójosiowy morski żyrokompas.
• Wszystko to pozwoliło Sperry’emu opracować pierwszy poprawnie działający mechaniczny pilot automatyczny.

Rys. 9 Model łodzi sterowanej za pomocą teleautomatyki, wykonany przez Nikolę Teslę

Rys. 10 Trójosiowy mechaniczny żyrokompas

• Według Federalnej Administracji Lotnictwa (FAA) bezzałogowy system powietrzny (BSP) to bezzałogowy statek powietrzny oraz wyposażenie niezbędne do bezpiecznego i wydajnego działania tego statku.
   
• Bezzałogowy statek powietrzny stanowi zatem element BSP.
   
• Wszystkie statki powietrzne eksploatowane bez możliwości bezpośredniej interwencji człowieka znajdującego się we wnętrzu statku lub na statku są klasyfikowane jako bezzałogowe statki powietrzne. (Public Law 112-95, Section 331(8)).

Rys. 11 Platformy BSP: stałopłatowa CTOL* (po lewej) i wielowirnikowa VTOL** (po prawej)

*konwencjonalny start i lądowanie
** pionowy start i lądowanie

• Aby zrozumieć podstawy technologii BSP, trzeba posiadać podstawową wiedzę z zakresu sterowania pojazdami, stabilizacji i konstrukcji czujników.
• Metody sterowania stosowane w BSP można ogólnie podzielić na:
• Sterowanie manualne – wykwalifikowany pilot BSP może w precyzyjny i przewidywalny sposób manipulować trasą lotu BSP.
• Sterowanie stabilizowane przez autopilota – pilot w precyzyjny sposób nadaje kierunek statkowi powietrznemu, natomiast autopilot na jego pokładzie odpowiada za stabilizację lotu. Poziom autonomiczności BSP jest zatem w tym przypadku większy.
• Sterowanie automatyczne – w tym scenariuszu udział pilota jest najmniejszy. Planowanie misji odbywa się za pomocą oprogramowania jeszcze przed startem statku, a za sterowanie jest w całości odpowiedzialny program do kontroli naziemnej oraz pokładowy autopilot.

Rys. 12 Różne poziomy autonomii BSP

• Ładowność (payload) to maksymalna masa ładunku, jaką może unieść BSP. Nie wlicza się do niej masy samej platformy. 
   
• Rodzaje dodatkowych ładunków różnią się w zależności od celu misji realizowanej przez platformę. Zazwyczaj są to systemy używane do gromadzenia danych, takich jak obrazy, filmy, temperatura, współrzędne itp.
   
• Do typowych ładunków BSP należą:
• Czujniki elektrooptyczne
• Czujniki widma światła widzialnego RGB
• Czujniki podczerwieni (IR)
• Czujniki LiDAR (skanowanie laserowe)
• SAR (radar z syntetyczną aperturą)

• Oprogramowanie jest kluczowym elementem BSP, niezależnie od poziomu autonomii danego bezzałogowego statku powietrznego.
   
• Pokładowy autopilot, naziemne przetwarzanie danych i wiele innych funkcji jest dziś realizowanych przez oprogramowanie.
   
• Typowe oprogramowanie, które jest obecnie dostępne na rynku:
• Oprogramowanie do zarządzania flotą BSP
• Oprogramowanie autopilota
• Oprogramowanie do zarządzania danymi z czujników
• Oprogramowanie do fotogrametrii analitycznej
• Wykrywanie zmian i uczenie maszynowe 
• Oprogramowanie do wizji komputerowej
• Oprogramowanie do autonomicznego planowania trasy lotu

Rys. 18 Interfejs użytkownika do planowania trasy lotu BSP

Rys. 19 Aplikacja do renderowania danych 3D

• Obecnie drony / bezzałogowe statki powietrzne są wykorzystywane w wielu różnych celach komercyjnych, począwszy od sektora rekreacyjnego aż po rolniczy i urbanistyczny.
• Ich szybkie powszechne przyjęcie się można przypisać niskim kosztom i dużej dostępności sprzętu i oprogramowania, które znajdują się w sprzedaży jako gotowe komponenty (COTS).
• Oprócz tego inicjatywy open source, takie jak Dronecode, które doprowadziły do opracowania PX4, MAVLink itp., dały możliwość budowania spersonalizowanych systemów.
• Powszechne zastosowania komercyjne BSP:
• Kontrole stanu budynków
• Przeglądy samolotów
• Kontrole stanu rurociągów naftowych, gazociągów, linii energetycznych, elektrowni
• Kontrole stanu infrastruktury publicznej (mosty, tamy, drogi itp.)
• Wykonywanie zdjęć lotniczych w celu sporządzenia map i planów (aerofotogrametria)
• Rolnictwo precyzyjne
• Zdjęcia filmowe
• Pokazy marketingowe i świetlne
• Relacjonowanie wydarzeń
• Meteorologia
• Dostawy ładunków

Rys. 20 Komercyjne zastosowania BSP

• BSP składa się z grupy oddziałujących na siebie lub wzajemnie powiązanych elementów, które współdziałają w celu realizacji celów/misji użytkownika/operatora/klienta.
   
• Większość bezzałogowych systemów powietrznych składa się z następujących elementów:
• Zdalnie sterowana platforma / bezzałogowy statek powietrzny 
• Człowiek-operator
• Dodatkowy ładunek (payload)
• Element sterowania
• System łączności do przesyłania danych
• System startu i lądowania (w bardziej wyspecjalizowanych układach)

Rys. 21 Podstawowe elementy BSP

• Bezzałogowe statki powietrzne (UAV) czy zdalnie sterowane urządzenia (RPV) dzieli się na ogólne kategorie w zależności od ich masy i parametrów funkcjonalnych.
• Klasyfikacja wg masy i parametrów funkcjonalnych może różnić się w zależności od kraju. Ogólnie BSP można jednak podzielić na małe o masie poniżej 25 kg i duże o masie 25 kg lub większej.
• Platformy BSP klasyfikowane są również pod względem parametrów funkcjonalnych. Jednym z nich jest na przykład sposób startu i lądowania:
• Platformy stałopłatowe z konwencjonalnym startem i lądowaniem (CTOL)
• Platformy z pionowym startem i lądowaniem (VTOL)
• Platformy hybrydowe (możliwość CTOL i VTOL)

Rys. 22 Klasyfikacja BSP (Departament Obrony Stanów Zjednoczonych)

• Ideą BSP jest wykorzystanie ich możliwości do wykonywania misji zgodnie z zaprogramowanymi poleceniami przy ograniczonym udziale lub bez udziału człowieka.
• Autopilot umożliwia platformie wykonywanie tych poleceń przy zachowaniu stabilności lotu.
• Natomiast naziemna stacja kontroli (GCS) oferuje interfejs między człowiekiem a maszyną w celu przesyłania poleceń do BSP.
• Do przekazywania poleceń autopilotowi BSP służy łączność bezprzewodowa. Obejmuje ona również pasma przydzielone do transmisji danych pochodzących z czujników stanowiących dodatkowe wyposażenie drona.
• Operacje z użyciem BSP można ogólnie podzielić na:
• Operacje wykonywane w zasięgu wzroku pilota (Line Of Sight – LOS) 
• Operacje wykonywane poza bezpośrednim zasięgiem fal radiowych (Beyond Line of Sight – BLOS)
• Operacje wykonywane poza zasięgiem wzroku pilota (Beyond Visual Line of Sight – BVLOS)

Rys. 23 Naziemna stacja kontroli (GCS)

Rys. 24 Łącze danych

Rys. 25 Autopilot BSP

• System startu i lądowania to jeden z bardziej pracochłonnych elementów BSP.
   
• Większość BSP nie potrzebuje specjalnego systemu startu i lądowania.
   
• Natomiast w przypadku większych systemów element ten przybierać bardzo różne formy w zależności od rodzaju platformy, konstrukcji, środowiska i wymogów operacyjnych itp.
   
• Najpopularniejsze systemy startu i lądowania:
• Start z wyrzutni
• Start z ręki
• Lądowanie ze spadochronem
• Lądowanie na siatce
• Lądowanie na linie

Rys. 26 Start z wyrzutni pneumatycznej

Rys. 28 Lądowanie na linie

Rys. 29 Start z ręki

Rys. 27 Lądowanie ze spadochronem

Rys. 30 Lądowanie na siatce

• Czujniki na pokładzie BSP badają otaczające je środowisko za pomocą aktywnych i pasywnych systemów wykrywania.
• Czujniki aktywne emitują energię elektromagnetyczną w kierunku obiektów zewnętrznych w celu zarejestrowania i przeanalizowania odbitej energii. Przykłady czujników aktywnych:
• LiDAR
• SAR
• RADAR

• Czujniki pasywne, takie jak kamery wizyjne, rejestrują wyłącznie energię emitowaną przez zewnętrzne źródła. Przykłady czujników pasywnych:
• Kamera RGB (rejestrująca widmo światła widzialnego)
• Czujnik podczerwieni (IR)

Rys. 31 Widmo fal elektromagnetycznych

• BSP są często używane do badania aspektów przestrzennych obiektów lub otoczenia. BSP czasami wykorzystują te informacje do nawigacji, planowania trasy i lokalizacji.
   
• Technologia ta jest również znana jako „jednoczesna lokalizacja i mapowanie” (SLAM) i dotyczy problemu obliczeniowego polegającego na konstruowaniu lub aktualizowaniu mapy nieznanego otoczenia przy jednoczesnym śledzeniu lokalizacji bezzałogowego statku powietrznego.
   
• Podejście SLAM wykorzystuje dane geoprzestrzenne, które są dostępne jako:
• Dane rastrowe – dane przechowywane jako punkty o różnej wartości w siatce pikseli
• Dane wektorowe – dane przechowywane jako punkty, linie, wielokąty itp. w układzie współrzędnych

Rys. 32 Rastrowy i wektorowy model danych

• Federalna Administracja Lotnictwa (FAA) i Agencja Unii Europejskiej ds. Bezpieczeństwa Lotniczego (EASA) regulują wykorzystanie narodowej przestrzeni powietrznej odpowiednio w Stanach Zjednoczonych i w Unii Europejskiej (UE).
   
• Odpowiadają za zapewnienie bezpieczeństwa i ochrony środowiska w transporcie lotniczym. 
   
• Wpływ na kształt przepisów w każdej dziedzinie techniki, w tym w lotnictwie, mają zazwyczaj producenci oryginalnego sprzętu (OEM) i operatorzy.
   
• 16 września 2005 r. FAA wydała memorandum AFS-400 UAS Policy 05-01, stanowiące wytyczne dotyczące użytkowania BSP w amerykańskim Systemie Krajowej Przestrzeni Powietrznej (NAS).
   
• Natomiast w Europie ramy bezpiecznej eksploatacji dronów cywilnych określają rozporządzenia UE 2019/947 i 2019/945.

• Przepisy obowiązujące aktualnie w Stanach Zjednoczonych wymagają, aby dron:
• Miał masę poniżej 25 kg
• Był używany w zasięgu wzroku (VLOS) pilota/obserwatora
• Nie był używany bezpośrednio nad osobami
• Był używany wyłącznie za dnia
• Nie poruszał się z prędkością większą niż 100 mph (160 km/h)
• Latał poniżej 500 stóp (150 m) nad poziomem terenu
• Nie był używany w przestrzeni powietrznej klasy A
• Może być używany w przestrzeni powietrznej klasy E tylko po uzyskaniu zgody kontroli ruchu lotniczego
• Był używany przy widoczności wynoszącej co najmniej 3 mile (4,8 km)
• Był operowany przez pilota licencjonowanego na podstawie Kodeksu przepisów federalnych: 14 CFR Part 107
   
• Według przepisów obowiązujących aktualnie w UE (przy czym przepisy krajowe mogą się różnić):
• Przed lotem dronem o masie 250 g lub większej należy uzyskać certyfikat
• Należy zarejestrować się jako pilot drona i dołączyć numer operatora do swojego drona
• Dron może latać na maksymalnej wysokości 120 m 
• Dron musi latać w zasięgu wzroku pilota
• W Holandii dronem można latać tylko za dnia
• Dronem nie można latać w (tymczasowej) strefie zakazu lotów
• Dronem nie można latać nad osobami, które nie biorą udziału w operacji lub działalności z wykorzystaniem drona

Rys. 33 Licencjonowany pilot BSP

• Branża lotnicza jest otoczeniem złożonym, dynamicznym i pełnym przeszkód ze względu na mnogość interesariuszy (projektantów, operatorów, użytkowników itp.) zaangażowanych w proces ubiegania się o dostęp do (amerykańskiego) Narodowego Systemu Przestrzeni Powietrznej.
   
• Stąd wymagana jest spora ostrożność przy wprowadzaniu nowych przepisów.
   
• Aktywne zaangażowanie partnerów i operatorów jest bardzo ważne dla umożliwienia organicznego rozwoju tej branży.
   
• Największym wyzwaniem dla organów regulacyjnych takich jak FAA i EASA jest wypracowanie spójnych, racjonalnych i możliwych do egzekwowania polityk, procedur, zasad i przepisów dla branży BSP.

Rys. 34 Dostawa ładunku dronem

• Czynnik ludzki w eksploatacji BSP ma kluczowe znaczenie dla ogólnego bezpieczeństwa i sukcesu branży.
   
• Ogólną rolą człowieka w użytkowaniu BSP jest zapewnienie użytkownikom, klientom i operatorom niezbędnych wskazówek, wiedzy i umiejętności w celu bezpiecznej eksploatacji BSP.
   
• Chociaż człowiek posiada dużą zdolność adaptacji do środowiska (co sprawia, że jest najbardziej inteligentnym gatunkiem na tej planecie), to doświadcza on psychicznego/fizycznego zmęczenia, dezorientacji, nieporozumień itp., co często skutkuje niebezpiecznymi czy wręcz katastrofalnymi sytuacjami w wyniku błędu ludzkiego.
   
• Oto niektóre z wielu przyczyn:
• Błędy percepcji
• Wybiórczość uwagi
• Brak skupienia uwagi
• Podzielność uwagi

Rys. 35 Czynniki wpływające na zdolności poznawcze człowieka

• Według Senders & Moray (1991)* „błąd” oznacza, że zrobiono coś, „co nie było zamierzone przez daną osobę; co było niepożądane z punktu widzenia zbioru zasad lub zewnętrznego obserwatora; co sprawiło, że określone zadanie lub system przekroczył dopuszczalne granice”.
   
•  Branża, w której bezpieczeństwo ma krytyczne znaczenie, taka jak przemysł lotniczy, stosuje strategie wykrywania błędów ludzkich i zapobiegania im, zanim one wystąpią.
   
• Do opisania, w jaki sposób błędy prześlizgują się przez różne poziomy nadzoru, by – w połączeniu z określonymi pewnymi warunkami wstępnymi – ostatecznie doprowadzić do wypadku, często używany jest model sera szwajcarskiego. 
   
• Zasadniczo istnieją cztery warstwy czynników, które prowadzą do wypadków:
• Czynnik organizacyjny – brak polityk, wytycznych, zasad itp.
• Czynnik nadzorczy – brak nadzoru ze strony poszczególnych jednostek
• Warunki wstępne – warunki ułatwiające spowodowanie wypadku
• Działania operatora – działania podjęte przez operatora, prowadzące do incydentu

*Senders, J.W., & Moray, N.P. (1991). Human Error: Cause, Prediction, and Reduction (1st ed.). CRC Press. https://doi.org/10.1201/9781003070375

Rys. 36 Błąd ludzki: model sera szwajcarskiego

• Świadomość sytuacyjna jest kluczem do bezpiecznego i wydajnego funkcjonowania branży BSP.
   
• Definiuje się ją jako „zinternalizowany mentalny model aktualnego stanu środowiska lotu”.
   
• Istnieją cztery aspekty świadomości sytuacyjnej, postrzegane jako kroki w procesie podejmowania decyzji:
• Czujność – zwracanie właściwego rodzaju uwagi
• Diagnoza – identyfikacja pierwotnej przyczyny danej sytuacji
• Analiza ryzyka – zrozumienie, jaki wpływ ma określona sytuacja
• Działanie – podejmowanie właściwych działań w celu ograniczenia ryzyka

• Świadomość sytuacyjną można również poprawić poprzez rozwiązania projektowe.
   
• Wydajny interfejs człowiek-maszyna (HMI) może zapewniać lepszą dostępność i widoczność krytycznych informacji, odciążać pilota i ostrzegać o problemie z dużym wyprzedzeniem.

Rys. 37 Czynniki wpływające na świadomość sytuacyjną

• Nowe zastosowania zidentyfikowane przez wojsko na początku XX wieku i uwzględnienie nowych technologii doprowadziły do ​​szybkiego rozwoju BSP. 
   
• BSP mogą charakteryzować się różnymi poziomami autonomii w zależności od zastosowanej technologii i metody sterowania.
   
• BSP mogą przenosić szeroką gamę ładunków (czujników) odpowiednich do wszystkich rodzajów misji/celów.
   
• Oprogramowanie jest kluczowym elementem BSP, który umożliwia pilotom nawigację, kontrolę i przetwarzanie danych.
   
• Organy nadzoru klasyfikują BSP na podstawie ich masy i parametrów funkcjonalnych, aby regulować zasady eksploatacji i zapewniać bezpieczeństwo ludzi i środowiska.
   
• Aby branża BSP mogła się dalej rozwijać, głównym celem projektantów, operatorów, programistów i pilotów powinno być bezpieczeństwo.
   
• Czynnik ludzki odgrywa w tym zakresie kluczową rolę. Dlatego należy dążyć do minimalizowania błędu ludzkiego, by unikać powodowanych nim wypadków.