Co to jest UAV i UAS? – Bezzałogowe Statki Powietrzne
Mimo, że najtańsze drony-zabawki można dziś kupić za mniej niż 100 złotych, wciąż stosunkowo niewiele osób zdaje sobie sprawę o całym spektrum ich możliwości i zastosowań komercyjnych. Nawet w gałęziach, w których drony zyskały najwięcej zwolenników, jak rolnicy, leśnicy czy geodeci.
Czym jest UAV, bezzałogowy statek powietrzny, jak mają się one do UAS-ów i co z tym wszystkim mają do czynienia drony? Tego właśnie dotyczy dzisiejsze opracowanie.
UAV – definicja
Bezzałogowy statek powietrzny (z angielskiego Unmanned Aerial Vehicle), w swej najprostszej definicji, jest maszyną, która nie wymaga do lotu załogi obecnej na pokładzie, nie ma możliwości zabierania pasażerów i jest pilotowany zdalnie lub wykonuje lot autonomicznie.
W rzeczywistości sam statek powietrzny potrzebuje do działania dodatkowych zasobów i urządzeń. Urządzenia te wzajemnie się komunikują i umożliwiają statkowi wykonanie powierzonego mu zadania.
UAV a UAS – czym się różnią?
UAS (z angielskiego Unmanned Aerial System) czyli bezzałogowy system powietrzny składa się z następujących komponentów:
- UAV – bezzałogowego statku powietrznego
- naziemnej stacji kontroli (GCS), obsługiwanej przez operatora,
- systemu komunikacji między stacją kontroli, a statkiem znajdującym się w powietrzu,
- wymiennego ładunku, stosowanego w zależności od charakteru wykonywanej misji,
- oprogramowania do przetwarzania zbieranych danych,
- sprzętu pomocniczego, do transportu i obsługi całego systemu.
Sam statek powietrzny jest tylko częścią takiego systemu.
Co łączy UAV i drony?
W skrócie – to to samo. Nazwa dron jest tożsama z technicznym określeniem Bezzałogowy Statek Powietrzny (czyli UAV). Jest to najbardziej powszechne i medialne określenie, najczęściej stosowane w publicystyce, mediach i przez hobbystów czy amatorów.
Błędnie jest ono przypisywane do “wszystkiego co lata i jest zdalnie sterowane”. Przykładowo, zupełnie odrębną grupą są modele RC, potocznie zwane przez swoich wielbicieli racerami.
Sama nazwa dron wywodzi się od angielskiego drone, co oznacza trutnia. Dziedzina dronów – wielowirnikowce, które zdobyły największą popularność ostatnimi latami, podczas latania wydają charakterystyczny dźwięk, który wytwarzają szybko kręcące się śmigła, podobny do latających trutni.
Rodzaje dronów UAV
Bezzałogowe Statki Powietrzne możemy podzielić na kilka kategorii, w zależności od budowy i napędu.
Wielowirnikowce
Wielowirnikowce poruszają się dzięki sile nośnej wytwarzanej przez kilka śmigieł (wirników) umieszczonych symetrycznie na obwodzie drona. Są bardzo zwrotne i łatwe w obsłudze, nauka sterowania nimi trwa bardzo krótko.
Zaletą tego typu budowy jest możliwość pionowego startu i lądowania, co umożliwia przeprowadzanie operacji w miejscach, gdzie zastosowanie innych technik jest utrudnione lub niemożliwe.
Głównym minusem wielowirnikowców jest stosunkowo krótki czas lotu. Z tego powodu, ten rodzaj dronów wykorzystuje się najczęściej przy badaniu obiektów punktowych lub o małym obszarze (hałdy, wyrobiska, budowle).
Płatowce
Płatowce najbardziej przypominają klasyczne samoloty. Napęd zapewniają śmigła na skrzydłach lub dziobie, a sterowanie odbywa się dzięki klapom na skrzydłach i ogonie. Startują z ręki lub specjalnej wyrzutni.
Cechują się bardzo długim czasem lotu (nawet kilka godzin) i stosuje się je do skanowania dużych obszarów, często o charakterze liniowym (pola uprawne, drogi, gazociągi, linie energetyczne).
Płatowce są bardziej skomplikowane w obsłudze niż wielowirnikowce. Większość dostępnych komercyjnie platform umożliwia jedynie loty automatyczne – użytkownik nie ma możliwości przejęcia kontroli.
Kluczowym momentem jest podejście do lądowania. Wyznaczenie poprawnej ścieżki podejścia wymaga doświadczenia a błędy często skutkują rozbiciem samolotu.
Śmigłowce
Drony-śmigłowce przypominają klasyczne śmigłowce (helikoptery). Napęd i sterowanie zapewniane są przez dwa wirniki – nośny i ogonowy.
Śmigłowce są dużo cięższe w obsłudze niż inne rodzaje dronów. Utrudniony jest serwis i samo przygotowanie drona do lotu. Główną przyczyną takiego stanu rzeczy jest skomplikowany mechanizm głowicy sterującej kątem wychylenia łopat wirnika nośnego.
Śmigłowce mogą jednak utrzymać się w powietrzu dłużej niż wielowirnikowce, do dwóch godzin. Mogą również, podobnie jak one, dokonywać pionowego startu i lądowania.
Hybrydy
Hybrydy, czyli w tym przypadku płatowce pionowego startu, to połączenie cech płatowców i wielowirnikowców.
Łatwo nimi sterować, mogą startować w trudnych warunkach terenowych i unosić się w powietrzu nawet do kilkugodzin.
Wyposażenie drona
Sercem każdego drona jest autopilot, który steruje maszyną, stabilizuje jej lot oraz pozwala wykonywać loty autonomiczne.
Sam dron to tylko narzędzie, potrzebuje jeszcze elementu który nada mu wartość użyteczną np. kamera lub czujnik. Poza lotami czysto rozrywkowymi, każdy statek potrzebuje urządzenia odbierającego i przetwarzającego sygnał docierający do niego od badanego obiektu. Najczęstszymi rodzajami takich kamer i czujników są:
LIDAR
Od angielskiego Light Detection and Ranging. Działa podobnie do radaru czy sonaru, ale zamiast mikrofal czy fali dźwiękowej wykorzystuje odbite światło widzialne lasera. Za pomocą lasera wysyłane są krótkie impulsy światła o konkretnej długości fali. Odbite światło rejestrowane jest np. przez fotodiodę lub kamerę CCD.
Badając natężenie rozproszonego impulsu świetlnego tworzy się numeryczne modele terenu wraz z pokryciem, np. drogami, liniami wysokiego napięcia, zabudowaniami, drzewami, itp.
Kamera RGB
Od angielskiego Red, Green, Blue czyli kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego – trzech składowych w modelu barw RGB (stąd nazwa). To w rzeczywistości zwykła kamera, rejestrująca spektrum światła widzialnego.
Dzięki kamerze RGB można tworzyć mapy terenu zachowując dokładne odwzorowanie kolorów – dokładnie tak, jak zobaczyłby go człowiek.
Czujnik Multispektralny i Hiperspektralny
Czujniki multi-, super- i hiperspektralne to uogólnienia kamery RGB. Poza spektrum światła widzialnego (RGB), są one w stanie rejestrować inne spektra, jak różne zakresy podczerwieni czy mikrofal. W uproszczeniu makroskładniki absorbują promieniowanie słoneczne i zniekształcają je (pochłaniają jego część) następnie oddają falę o innej długości, czujnik multi-, hiperspektralny dokładnie mierzy natężenie fal w różnych długościach dzięki czemu znamy dokładny skład makroskładników.
Na podstawie analizy odbitych fal w podczerwieni można np. zobrazować wskaźnik NDVI służący do analizy wegetacji roślin, wyznaczyć wilgotność gleby czy przebieg podziemnych rurociągów.
Nie jest to możliwe przy użyciu zwykłej kamery RGB.
Zanieczyszczenie powietrza
Przykładem czujnika niebędącego kamerą może być czujnik zanieczyszczenia powietrza. Takie drony wykorzystywane są między innymi przez służby miejskie lub straż pożarną do badania składu dymu wydobywającego się z komina i walki ze smogiem w wielu miastach Polski, np. Warszawie, Katowicach, Bielsko-białej.
Zastosowania UAV i UAS
Bardzo ogólnie temat ujmując, bezzałogowe statki powietrzne można zastosować wszędzie tam, gdzie zbieranie danych na temat przestrzeni z powierzchni ziemi jest trudne, czasochłonne, niebezpieczne lub niemożliwe:
- ortofotomapy cyfrowe,
- pomiary termowizyjne,
- modele 3D obiektów, miast i zabudowań,
- monitoring upraw, szacowanie szkód łowieckich,
- monitoring obszarów leśnych,
- monitoring granic państwa,
- obsługa imprez masowych,
- akcje ratunkowe, Search and Rescue,
- badanie obszaru klęsk żywiołowych,
- misje militarne,
- filmowanie i fotografia okolicznościowa.
Uprawnienia UAVO
W Polsce, by móc pilotować drona w celach zarobkowych, komercyjnych wymagane są trzy rzeczy:
- świadectwo kwalifikacji opoeratora Bezzałogowych Statków Powietrznych – UAVO (Unmanned Aerial Vehicle Operator)
- ważne badania lotniczo-lekarskie
- ubezpieczenie OC operatora
Same uprawnienia UAVO dzielą się na dwie dodatkowe kategorie VLOS i BVLOS.
Visual Line of Sight – w zasięgu kontaktu wzrokowego ze statkiem
UAVO VLOS nadaje prawo operowania statkiem powietrznym w takich warunkach i takiej odległości, kiedy operator lub jeden z obserwatorów jest w stanie utrzymywać kontakt wzrokowy ze statkiem powietrznym. Kontakt utrzymywany jest w celu kontroli położenia drona w przestrzeni powietrznej oraz zapewnienia bezpiecznej odległości od innych użytkowników przestrzeni, przeszkód, osób i zwierząt.
Dopuszczalna jest utrata kontaktu wzrokowego, jeśli operator monitoruje parametry lotu w urządzeniach naziemnych połączonych z dronem.
Beyond Visual Line of Sight – poza zasięgiem wzroku
Loty BVLOS wykonywane są głównie w przypadku realizacji projektów obejmujących swoim działaniem znaczne tereny takie jak tworzenie ortofotomap, inwentaryzacja infrastruktury, monitoring dużych terenów.
Latanie BVLOS przypomina wykonywanie lotów dużym samolotem pasażerskim, w którym lecąc zgodnie z zasadami IFR (Instrument Flight Rules) sterowanie odbywa się na podstawie danych dostarczanych przez instrumenty pokładowe.
Operator dysponując informacjami przesyłanymi za pomocą łącza telemetrycznego zna pozycję, wysokość, prędkość i kierunek lotu oraz wszystkie istotne parametry statku powietrznego. W każdej chwili ma również możliwość zmiany parametrów lotu, sterowania sensorami do zbierania danych – jeśli takie są na pokładzie lub wywołania funkcji powrotu do bazy i lądowania.
UAVO BVLOS umożliwia przeprowadzanie lotów na dalekie dystanse w 4 kategoriach:
- loty operacyjne, na potrzeby działań lotnictwa państwowego, zwalczania klęsk żywiołowych, czy akcjach poszukiwawczych,
- loty specjalistyczne, dla kontroli i monitoringu obiektów inżynierii lądowej lub wodnej, działań geodezyjnych, lotów badawczych,
- loty automatyczne, dla kontroli i monitoringu inżynierii lądowej lub wodnej, dostaw medycznych, działań agrolotniczych,
- loty szkoleniowe.
Bezzałogowe Statki Powietrzne – FAQ
Jak wysoko może polecieć dron (UAV)?
Podczas standardowych lotów, np. mapowania, dron leci na wysokości od 100 do 500 metrów, w zależności od wymagań danej misji co do rozdzielczości.
Według prawa lotniczego, powyżej 9500 stóp nad poziomem morza (około 3000 metrów), samolot musi być wyposażony w odpowiednie oprzyrządowanie i mieć stałą łączność ze służbą kontroli lotów.
Nie ma natomiast takiej potrzeby, by małe statki w ogóle na taką wysokość dolatywały. Loty na dużych wysokościach skutkują mniejszą rozdzielczością zbieranych danych.
Nasza firma dopuszcza loty do wysokości 3000 m n.p.m., np. do celów badawczych.
Jak szybko latają drony?
Większość statków powietrznych osiąga prędkości przelotowe od 10 do 30 metrów na sekundę. Przy większych prędkościach występuje problem z rozmazaniem danych lub błędami czujnika – próbkowanie musi być częstsze, aby uzyskać pełne pokrycie terenu.
Niektóre czujniki nie dają rady tak szybko próbkować, aparat również jest ograniczony przez szybkość przysłony i migawki – zdjęcia wychodzą rozmazane lub nieostre.
Nasze drony latają z prędkościami 15-20 metrów na sekundę.
Do czego można zastosować UAV?
Konkretne możliwości drona zależą od zamontowanych sensorów. Sam statek powietrzny jest tylko platformą, bez dodatkowego oprzyrządowania nie jest w stanie wykonać żadnego zadania (poza rekreacyjnym czy rozrywkowym lotem). Dopiero tzw. payload umożliwia zebranie informacji i wykorzystanie ich w celu obrazowania, mapowania czy specjalistycznych pomiarów.
Przykłady zastosowań w różnych dziedzinach opisane zostały wyżej w artykule. (klik: UAV – zastosowania).
Ile kosztuje dron UAV produkowany przez BZB UAS?
Cena zależy w głównej mierze od potrzebnego wyposażenia. Każda oferta jest dostosowywana pod konkretną sytuację i zakres potrzeb klienta.
W przypadku małego samolotu w najprostszej wersji treningowej ceny zaczynają się od 23 tys. złotych netto.
Czy systemy UAS mogą pracować w deszczu lub przy silnym wietrze?
W teorii drony mogą latać w deszczu. W praktyce – nie ma takiej potrzeby. Podczas opadów znacząco spada widoczność i miarodajność pomiarów. Nie udzielamy gwarancji na pomiary wykonane w trakcie opadów.
Jeśli chodzi o silne podmuchy wiatru, to nasz sprzęt został przetestowany w warunkach wiatru o porywach do 15 metrów na sekundę (prawie 7 w skali Beauforta).
Najbardziej niebezpieczny jest nie tyle sam wiatr, co turbulencje – ruchy pionowe powietrza lub ruchy wirowe w pobliżu przeszkód terenowych. Takie podmuchy mogą wytrącić z równowagi nawet najstabilniejsze statki powietrzne.
Do przewidzenia możliwych turbulencji potrzebna jest szeroka wiedza i doświadczenie w planowaniu nalotów w warunkach silnego wiatru. Początkującym operatorom radzimy zaczekać na łatwiejsze warunki pogodowe.
Rozwój rynku Bezzałogowych Statków Powietrznych w Polsce
W lutym bieżącego roku (2019) na konferencji w Ministerstwie Infrastruktury zaprezentowano raport Biała Księga Rynku Bezzałogowych Statków Powietrznych.
Zachęcamy do zapoznania się z opracowaniem dotyczącym ekonomicznych, społecznych i legislacyjnych analiz rynku dronowego w Polsce wraz z prognozami do 2026 roku.
