Image

AMTech

Development of an aviation aerospace mechatronics technician curriculum

AMTech

Wprowadzenie do technologii BSP i jej przyszłość
Historia

Początki

  • 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

 

Konieczność precyzyjnego sterowania

  • 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

 

Sterowanie radiowe i pilot automatyczny

  • 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

 

Wprowadzenie do BSP i ich zastosowania

Definicja BSP

  • 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

 

 

Podstawowa technologia

  • 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)

  • 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 BSP

  • 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