Bezpilotní letoun - Unmanned aerial vehicle

Northrop Grumman Bat nesoucí senzory EO/IR a SAR, laserové dálkoměry, laserové značkovače, infračervené kamery
A Dji Phantom Kvadrokoptéra UAV pro komerční i rekreační letecké snímkování
General Atomics MQ-9 Reaper , lovec-killer dohled UAV
Ačkoli většina vojenských UAV jsou letadla s pevnými křídly , používají se také konstrukce rotorových letadel (tj. RUAV), jako je tento MQ-8B Fire Scout .
Bezpilotní univerzální letadlo (původně 2místný Pipistrel Sinus )

Bezpilotní ( UAV ), běžně známý jako drone , je letadlo bez jakéhokoliv lidského pilota , posádky nebo cestujících na palubě. UAV jsou součástí bezpilotního letadlového systému (UAS) , který navíc zahrnuje pozemní ovladač a systém komunikace s UAV. Let bezpilotních letadel může být provozován pod dálkovým ovládáním lidským operátorem, jako dálkově pilotované letadlo ( RPA ), nebo s různými stupni autonomie , jako je asistence autopilota , až po plně autonomní letouny, které nemají možnost zásahu člověka.

UAV byly původně vyvinuty ve dvacátém století pro vojenské mise, které jsou pro lidi příliš „nudné, špinavé nebo nebezpečné“, a do jednadvacátého se staly základním aktivem většiny armád. Jak se zlepšovaly řídicí technologie a klesaly náklady, jejich použití se rozšířilo do mnoha nevojenských aplikací. Patří sem letecké fotografie , dodávky produktů , zemědělství , policie a dohled, inspekce infrastruktury, věda, pašování a závody dronů .

Terminologie

Mnoho výrazů se používá pro letadla, která létají bez osob na palubě.

Termín dron byl používán od počátků letectví a byl aplikován na dálkově letící cílová letadla používaná pro cvičnou střelbu ze zbraní bitevní lodi, jako je například Fairey Queen z 20. let 20. století a de Havilland Queen Bee ze 30. let 20. století . Pozdější příklady zahrnovaly vzdušnou královnu Wasp a Miles Queen Martinet , než byla definitivně nahrazena GAF Jindivikem . Termín zůstává v běžném používání.

Bezpilotní (UAV), je definován jako „poháněné, antény vozidla, které nenese lidské obsluhy, využívá aerodynamické síly poskytovat povzbuzení vozidla, může letět autonomně, nebo být uplatňovány na dálku, může být postradatelný nebo využitelné, a může nést smrtící nebo neletální užitečné zatížení “. UAV je termín, který se běžně používá v případech vojenského použití. Nicméně rakety s hlavicemi nejsou považovány za letouny, protože vozidlo samo o sobě je munice.

Pojem bezpilotní letadlový systém ( UAS ) přijalo ministerstvo obrany USA (DoD) a Federální letecký úřad USA (FAA) v roce 2005 podle svého plánu bezpilotního letadlového systému 2005–2030. Mezinárodní organizace pro civilní letectví (ICAO) a britský Úřad pro civilní letectví přijala tento pojem, používaný v rámci Evropské unie je Single-evropského nebe (SES) letového provozu-Management (ATM) Research (Společný podnik SESAR) plánu pro rok 2020. Tento termín zdůrazňuje důležitost jiných prvků než letadel. Obsahuje prvky, jako jsou pozemní řídicí stanice, datové spoje a další podpůrné vybavení. Podobný termín je systém bezpilotních letadel (UAVS), dálkově pilotovaný letecký prostředek (RPAV), dálkově pilotovaný letecký systém (RPAS). Používá se mnoho podobných výrazů. „Neobsazené“ a „neobydlené“ se příležitostně používají jako genderově neutrální alternativy „bez posádky“.

Kromě softwaru využívají autonomní drony také řadu pokročilých technologií, které jim umožňují provádět své mise bez zásahu člověka, jako je cloud computing, počítačové vidění, umělá inteligence, strojové učení, hloubkové učení a tepelné senzory.

Podle nových předpisů, které vstoupily v platnost 1. června 2019, byl kanadskou vládou přijat termín RPAS ( Remotely Piloted Aircraft System ) tak, že znamená „soubor konfigurovatelných prvků sestávající z dálkově pilotovaného letadla, jeho řídicí stanice, velení a řízení. odkazy a další prvky systému požadované během letového provozu “.

Vztah UAV k dálkově ovládaným modelům letadel je nejasný. UAV mohou, ale nemusí zahrnovat model letadla. Některé jurisdikce zakládají svou definici na velikosti nebo hmotnosti; americký FAA však definuje jakékoli bezpilotní létající plavidlo jako UAV bez ohledu na velikost. Pro rekreační účely je dron (na rozdíl od UAV) model letadla, který má video z pohledu první osoby, autonomní schopnosti nebo obojí.

Klasifikace

UAV lze klasifikovat jako jakákoli jiná letadla podle konstrukční konfigurace, jako je hmotnost nebo typ motoru, maximální letová výška, stupeň provozní autonomie, operační role atd.

Na základě hmotnosti

Na základě jejich hmotnosti lze drony rozdělit do pěti kategorií - nano (s hmotností do 250 g), Micro air vehicles (MAV) (250 g - 2 kg), miniaturní UAV nebo malé (SUAV) (2-25 kg), střední (25-150 kg) a velké (nad 150 kg).

Na základě míry autonomie

Drony by mohly být také klasifikovány na základě stupně autonomie v jejich letovém provozu. ICAO klasifikuje letadla bez posádky buď jako dálkově pilotovaná letadla, nebo jako plně autonomní. Některé UAV nabízejí střední stupně autonomie. Například vozidlo, které je dálkově pilotováno ve většině kontextů, ale má autonomní provoz návratu na základnu. Některé typy letadel mohou volitelně létat s lidskou posádkou nebo jako UAV, což může zahrnovat pilotovaná letadla transformovaná na bezpilotní nebo volitelně pilotované UAV (OPV).

Na základě nadmořské výšky

Na základě nadmořské výšky byly na průmyslových akcích, jako je fórum ParcAberporth Unmanned Systems, použity následující klasifikace UAV :

  • Ruční výška 2 000 stop (600 m), dosah asi 2 km
  • Blízká nadmořská výška 1 500 m, dosah až 10 km
  • Typ NATO 10 000 stop (3 000 m) nadmořská výška, dosah až 50 km
  • Taktická nadmořská výška 18 000 stop (5500 m), dosah asi 160 km
  • MUŽ (střední nadmořská výška, dlouhá výdrž) až 30 000 stop (9 000 m) a dosah přes 200 km
  • HALE (vysoká nadmořská výška, dlouhá výdrž) přes 30 000 stop (9 100 m) a neomezený dosah
  • Hypersonická vysokorychlostní, nadzvuková (Mach 1–5) nebo hypersonická (Mach 5+) 50 000 stop (15 200 m) nebo suborbitální výška, dosah přes 200 km
  • Orbitální nízká oběžná dráha Země (Mach 25+)
  • CIS Lunární přenos Země-Měsíc
  • Computer Assisted Carrier Guidance System (CACGS) for UAVs

Na základě kompozitních kritérií

Příkladem klasifikace na základě složených kritérií je klasifikace bezpilotních leteckých systémů (UAS) americké armády na základě hmotnosti, maximální nadmořské výšky a rychlosti složky UAV.

Dějiny

Winston Churchill a další čekající na start cílového dronu de Havilland Queen Bee , 6. června 1941
Ryan Firebee , jeden z řady cílových drones / unpiloted vzdušných dopravních prostředcích, který poprvé vzlétl v roce 1951. Izraelské letectvo muzeum , Letecká základna Chacerim, Izrael, 2006
Poslední přípravy před první taktickou misí UAV přes Suezský průplav (1969). Stojící: major Shabtai Brill z izraelského zpravodajského sboru, inovátor taktického UAV.
Izraelský mastif Tadiran , který poprvé vzlétl v roce 1975, je díky svému systému datového propojení, vytrvalostnímu loudání a živému streamování videa mnohými považován za první moderní bojový bezpilotní letoun.

Rané drony

Nejdříve zaznamenané použití bezpilotního vzdušného prostředku pro bojování nastalo v červenci 1849 a sloužilo jako balónový nosič (předchůdce letadlové lodi ) při prvním ofenzivním využití vzdušné síly v námořním letectví . Rakouské síly obléhající Benátky se pokusily vypustit na obléhané město asi 200 zápalných balónů . Balóny byly vypouštěny hlavně ze souše; některé však byly vypuštěny také z rakouské lodi SMS  Vulcano . Ve městě spadla nejméně jedna bomba; vzhledem k tomu, že se po startu změnil vítr, většina balónů minula svůj cíl a někteří se vznášeli zpět přes rakouské linie a vypouštěcí loď Vulcano .

Významný vývoj dronů byl zahájen na počátku 20. století a původně se zaměřoval na poskytování cvičných cílů pro výcvik vojenského personálu. Nejranějším pokusem o poháněné UAV byl „ Low Aerial Target“ AM Low v roce 1916. Low potvrdil, že jednoplošník Geoffrey de Havilland byl ten, který letěl pod kontrolou 21. března 1917 pomocí jeho rádiového systému. Další britský bezpilotní vývoj následoval během a po první světové válce, což vedlo k flotile více než 400 vzdušných cílů de Havilland 82 Queen Bee, které byly uvedeny do provozu v roce 1935.

Nikola Tesla popsal flotilu bezpilotních vzdušných bojových vozidel v roce 1915. Tento vývoj také inspiroval konstrukci chyby Kettering od Charlese Ketteringa z Daytonu v Ohiu a automatického letounu Hewitt-Sperry . Původně míněno jako bezpilotní letadlo, které by neslo výbušné užitečné zatížení k předem určenému cíli. První dálkově ovládané vozidlo v měřítku vyvinul nadšenec filmové hvězdy a modelového letadla Reginald Denny v roce 1935.

druhá světová válka

Vývoj pokračoval i během první světové války , kdy společnost Dayton-Wright Airplane Company vynalezla bezpilotní letecké torpédo, které by v předem stanovenou dobu explodovalo. V roce 1940 založil Denny společnost Radioplane Company a během druhé světové války se objevilo více modelů  - používaných jak k výcviku protiletadlových střelců, tak k létání v útočných misích. Nacistické Německo během války vyrábělo a používalo různá letadla UAV, například Argus As 292 a létající bombu V-1 s proudovým motorem . Po druhé světové válce vývoj pokračoval ve vozidlech, jako je americký JB-4 (s použitím televizního/rádiového velení), australský GAF Jindivik a Teledyne Ryan Firebee I z roku 1951, zatímco společnosti jako Beechcraft nabízely svůj model 1001 pro americké námořnictvo v roce 1955. Přesto byli do války ve Vietnamu o něco více než dálkově ovládaná letadla .

Poválečné období

V roce 1959 americké letectvo , znepokojené ztrátou pilotů nad nepřátelským územím, začalo plánovat použití bezpilotních letadel. Plánování zesílila poté, co Sovětský svaz sestřelil U-2 v roce 1960. Během několika dní, což je vysoce klasifikovaná UAV program byl zahájen pod krycím jménem „Red Wagon“. Srážka v srpnu 1964 v Tonkinském zálivu mezi námořními jednotkami USA a severovietnamského námořnictva zahájila vysoce klasifikované americké bezpilotní prostředky ( Ryan Model 147 , Ryan AQM-91 Firefly , Lockheed D-21 ) do jejich prvních bojových misí války ve Vietnamu . Když čínská vláda ukázala fotografie sestřelených amerických UAV prostřednictvím Wide World Photos , oficiální odpovědí USA bylo „bez komentáře“.

Během vyhlazovací války (1967–1970) byly první taktické UAV instalované s průzkumnými kamerami poprvé testovány izraelskou rozvědkou a úspěšně přinesly fotografie z celého Suezského průplavu. Bylo to vůbec poprvé, kdy byly v bitvě vyvinuty a testovány taktické UAV, které bylo možné vypustit a přistát na jakékoli krátké dráze (na rozdíl od těžších UAV na bázi proudových letadel).

V roce 1973 Yom Kippur války , Izrael používá letouny jako návnada podnítit nepřátelské síly do plýtvání drahé protiletadlové rakety. Po válce Yom Kippur v roce 1973 se několik klíčových lidí z týmu, který vyvinul tento raný UAV, připojil k malé začínající společnosti, která měla za cíl vyvinout UAV do komerčního produktu, který nakonec koupil Tadiran a který vedl k vývoji prvního izraelského UAV.

V roce 1973 americká armáda oficiálně potvrdila, že používala UAV v jihovýchodní Asii (Vietnam). Více než 5 000 amerických letců bylo zabito a více než 1 000 bylo pohřešováno nebo zajato . 100. strategické průzkumné křídlo USAF během války prolétlo asi 3435 misí UAV za cenu asi 554 UAV ztracených ze všech příčin. Podle slov generála USAF George S. Browna , velitele velení leteckých sil Systems , v roce 1972 „Jediný důvod, který potřebujeme (UAV), je ten, že nechceme zbytečně utrácet muže v kokpitu“. Později téhož roku generál John C. Meyer , vrchní velitel strategického letectva , uvedl: „Nechali jsme dron provádět vysoce rizikové létání ... míra ztrát je vysoká, ale jsme ochotni riskovat více z nich. ... zachraňují životy! "

Během jomkipurské války v roce 1973 způsobily sovětské baterie raket typu země-vzduch v Egyptě a Sýrii těžké poškození izraelských stíhaček . Výsledkem bylo, že Izrael vyvinul IAI Scout jako první UAV se sledováním v reálném čase. Obrazy a radarové návnady poskytnuté těmito bezpilotními letouny pomohly Izraeli na začátku libanonské války v roce 1982 zcela neutralizovat syrskou protivzdušnou obranu , což mělo za následek, že nebyl sestřelen žádný pilot. V Izraeli v roce 1987 byly bezpilotní prostředky poprvé použity jako důkaz koncepce superrychlosti, řízeného letu po zastavení v simulacích bojových letů, které zahrnovaly bezocasé řízení založené na technologii utajení, trojrozměrné tahové vektorování řízení letu a tryskové řízení.

Moderní UAV

Se zráním a miniaturizací použitelných technologií v 80. a 90. letech 20. století vzrostl zájem o UAV ve vyšších vrstvách americké armády. V 90. letech dala americká DoD smlouvu společnosti AAI Corporation spolu s izraelskou společností Malat. Americké námořnictvo koupilo AAI Pioneer UAV, které AAI a Malat vyvinuly společně. Mnoho z těchto bezpilotních prostředků sloužilo ve válce v Perském zálivu v roce 1991 . UAV demonstrovaly možnost levnějších, schopnějších bojových strojů, nasaditelných bez rizika pro posádky letadel. Počáteční generace zahrnovaly především sledovací letouny , ale některé nesly výzbroj , jako například General Atomics MQ-1 Predator , která vypustila rakety vzduch-země AGM-114 Hellfire .

CAPECON byl projekt Evropské unie na vývoj UAV, který probíhal od 1. května 2002 do 31. prosince 2005.

V roce 2012 USAF zaměstnával 7494 UAV - téměř každý třetí letoun USAF. Central Intelligence Agency provozovat i letouny . Do roku 2013 používalo UAV nejméně 50 zemí. Čína, Írán, Izrael, Pákistán, Turecko a další navrhly a postavily vlastní odrůdy. Používání dronů se stále zvyšuje. Vzhledem k jejich širokému rozšíření neexistuje žádný úplný seznam systémů UAV.

Rozvoj chytrých technologií a zdokonalených systémů elektrické energie vedl k paralelnímu nárůstu využívání dronů pro spotřebitelské a obecné letecké činnosti. Od roku 2021 jsou drony kvadrokoptéry příkladem rozšířené popularity hobby rádiem ovládaných letadel a hraček, použití UAV v komerčním a všeobecném letectví je však omezeno nedostatečnou autonomií a novým regulačním prostředím, které vyžaduje přímý kontakt s pilot.

V roce 2020 dron Kargu 2 dopadl a zaútočil na lidský cíl v Libyi , uvádí se ve zprávě z panelu odborníků Rady bezpečnosti OSN pro Libyi, zveřejněné v březnu 2021. Možná to bylo poprvé, kdy byl vyzbrojen robot s autonomním zabijákem smrtícími zbraněmi zaútočili na lidské bytosti.

Design

Obecná fyzická struktura UAV

Letadla s posádkou i bez posádky stejného typu mají obecně rozeznatelně podobné fyzické součásti. Hlavní výjimkou jsou kokpit a systém řízení životního prostředí nebo systémy podpory života . Některé UAV nesou užitečné zatížení (například fotoaparát), které váží podstatně méně než dospělý člověk, a v důsledku toho může být podstatně menší. Ačkoli nesou těžké užitečné zatížení, ozbrojené vojenské UAV jsou lehčí než jejich protějšky s posádkou se srovnatelnou výzbrojí.

Malé civilní UAV nemají žádné životně důležité systémy , a proto mohou být postaveny z lehčích, ale méně pevných materiálů a tvarů, a mohou používat méně robustní testované elektronické řídicí systémy. U malých bezpilotních letadel se konstrukce kvadrokoptéry stala populární, i když toto uspořádání se u letadel s posádkou používá jen zřídka. Miniaturizace znamená, že lze použít méně výkonné pohonné technologie, které nejsou pro letadla s posádkou proveditelné, jako jsou malé elektromotory a baterie.

Řídicí systémy pro UAV se často liší od plavidel s posádkou. U dálkového ovládání lidí téměř vždy nahradí okna kokpitu kamera a video; rádiové digitální příkazy nahrazují fyzické ovládání kokpitu. Software autopilota se používá na letadlech s posádkou i bez posádky s různými sadami funkcí.

Konfigurace letadla

Primárním rozdílem od letadel s posádkou je nedostatečná potřeba prostoru v kokpitu a jeho oken. Některé typy jsou však převzaty z pilotních příkladů nebo jsou navrženy pro volitelné pilotní nebo bezpilotní provozní režimy. Bezpečnost letadel je také méně zásadním požadavkem pro bezpilotní letadla, což konstruktérovi umožňuje větší svobodu experimentovat. Tyto dva faktory vedly k velké rozmanitosti konfigurací draku a motoru v UAV.

Pro konvenční lety nabízí létající křídlo a kombinované křídlové tělo nízkou hmotnost v kombinaci s nízkým odporem a nenápadností a jsou oblíbenou konfigurací. U větších typů, které nesou variabilní užitečné zatížení, je větší pravděpodobnost, že budou mít výrazný trup s ocasem pro stabilitu, ovládání a úpravu, i když se konfigurace křídel při používání značně liší.

Pro svislý let vyžaduje kvadrokoptéra bez ocasu relativně jednoduchý řídicí systém a je běžná pro menší UAV. Mechanismus se však nevyrovnává dobře větším letadlům, která mají tendenci používat konvenční jeden rotor s kolektivním a cyklickým řízením stoupání spolu se stabilizačním ocasním rotorem.

Pohon

Tradiční spalovací a proudové motory zůstávají v provozu pro drony vyžadující dlouhý dolet. Pro mise kratšího dosahu však téměř zcela převzala elektrická energie. Rekord ve vzdálenosti pro UAV (postavený z balzového dřeva a mylarové kůže) napříč severním Atlantským oceánem drží benzínový model letadla nebo UAV. Manard Hill „v roce 2003, kdy jeden z jeho výtvorů letěl 1 882 mil přes Atlantický oceán na méně než galon paliva“, drží tento rekord.

Kromě tradičního pístového motoru používají některé drony Wankelovy rotační motory . Tento typ nabízí vysoký výkon pro nižší hmotnost a tišší chod bez vibrací. Byly také vzneseny nároky na zlepšení spolehlivosti a větší dosah.

Malé drony většinou používají lithium-polymerové baterie (Li-Po), zatímco některá větší vozidla přijala vodíkový palivový článek . Hustota energie moderních Li-Po baterií je mnohem menší než u benzinu nebo vodíku. Elektromotory jsou však levnější, lehčí a tišší. Jsou vyvíjeny komplexní vícemotorové a vícevrtulové instalace s cílem zlepšit aerodynamickou a pohonnou účinnost. U takto složitých energetických instalací lze k centralizaci distribuce energie a minimalizaci vytápění použít obvody pro eliminaci baterie (BEC) pod kontrolou mikrokontrolérové ​​jednotky (MCU).

Ornitoptéry - křídlový pohon

Ornitoptéry s mávacími křídly , napodobující ptáky nebo hmyz, byly létány jako mikroUAV . Jejich vlastní skrytost je doporučuje pro špionážní mise.

MikroUAV pod 1 g inspirované mouchami, i když pomocí napájecího popruhu, dokázaly „přistát“ na svislých plochách. Jiné projekty napodobují let brouků a jiného hmyzu.

Počítačové řídicí systémy

Výpočetní schopnosti UAV sledovaly pokroky výpočetní technologie, počínaje analogovými ovládacími prvky a přecházely v mikrokontroléry, dále pak systém na čipu (SOC) a jednodeskové počítače (SBC).

Systémový hardware pro malé UAV se často nazývá letový ovladač (FC), palubní řídicí panel (FCB) nebo autopilot.

Architektura

Senzory

Polohové a pohybové senzory poskytují informace o stavu letadla. Exteroceptivní senzory se zabývají vnějšími informacemi, jako je měření vzdálenosti, zatímco exproprioceptivní korelují vnitřní a vnější stavy.

Nespolupracující senzory jsou schopny detekovat cíle samostatně, takže se používají k zajištění separace a vyhýbání se kolizím.

Stupně volnosti (DOF) se týkají jak množství, tak kvality senzorů na palubě: 6 DOF znamená 3osé gyroskopy a akcelerometry (typická inerciální měřicí jednotka  -IMU), 9 DOF označuje IMU plus kompas, 10 DOF přidává barometr a 11 DOF obvykle přidává přijímač GPS.

Pohony

Aktuátory UAV zahrnují digitální elektronické regulátory rychlosti (které ovládají otáčky motorů) spojené s motory/ motory a vrtulemi , servomotory (většinou pro letadla a helikoptéry), zbraně, aktuátory užitečného zatížení, LED diody a reproduktory.

Software

Software UAV nazývaný letový zásobník nebo autopilot. Účelem letového balíčku je získávat data ze senzorů, řídicích motorů, aby byla zajištěna stabilita UAV, a usnadnit pozemní řízení a komunikaci plánování misí.

UAV jsou systémy v reálném čase, které vyžadují rychlou reakci na změnu dat senzoru. V důsledku toho se UAV pro své výpočetní potřeby spoléhají na jednodeskové počítače. Mezi příklady takových jednodeskových počítačů patří Raspberry Pis , Beagleboards atd. Stíněné pomocí NavIO , PXFMini atd. Nebo navržené od nuly, jako například NuttX , preemptive- RT Linux , Xenomai , Orocos-Robot Operating System nebo DDS-ROS 2.0 .

Přehled letového zásobníku
Vrstva Požadavek Operace Příklad
Firmware Časově kritické Od strojového kódu po spuštění procesoru, přístup do paměti ArduCopter-v1, PX4
Middleware Časově kritické Řízení letu, navigace, správa rádia PX4, Cleanflight, ArduPilot
Operační systém Počítačově náročné Optický tok, vyhýbání se překážkám, SLAM, rozhodování Distribuce ROS, Nuttx, Linux, Microsoft IOT

Mezi civilní open-source balíčky patří:

Vzhledem k open-source povaze softwaru UAV je lze přizpůsobit tak, aby odpovídaly konkrétním aplikacím. Vědci z Technické univerzity v Košicích například nahradili výchozí řídicí algoritmus autopilota PX4. Tato flexibilita a snaha o spolupráci vedly k velkému počtu různých open-source stacků, z nichž některé jsou vidlicovité od jiných, jako je CleanFlight, který je vidlicový z BaseFlight a ze kterého jsou vidlicovány další tři stacky.

Principy smyčky

Typické smyčky řízení letu pro multirotor

UAV používají architektury s otevřenou smyčkou, uzavřenou smyčkou nebo hybridní řízení.

  • Otevřená smyčka  - Tento typ poskytuje pozitivní řídicí signál (rychlejší, pomalejší, vlevo, vpravo, nahoru, dolů) bez začlenění zpětné vazby z dat senzoru.
  • Uzavřená smyčka  - Tento typ obsahuje zpětnou vazbu senzoru pro úpravu chování (snižte rychlost tak, aby odrážela zadní vítr, přesuňte se do nadmořské výšky 300 stop). Regulátor PID je běžný. Někdy se používá feedforward , což přenáší potřebu uzavřít smyčku dále.

komunikace

UAV používají rádio pro ovládání a výměnu videa a dalších dat . Rané UAV měly pouze úzkopásmový uplink. Downlinky přišly později. Tyto obousměrné úzkopásmové rádiové spoje přenášely dálkovému operátorovi údaje o velení a řízení (C&C) a telemetrii .

Ve většině moderních aplikací UAV je vyžadován přenos videa. Místo samostatných odkazů pro C&C, telemetrii a přenos videa se k přenosu všech typů dat používá širokopásmové připojení . Tato širokopásmová připojení mohou využívat techniky kvality služeb a přenášet provoz TCP/IP, který lze směrovat přes internet.

Rádiový signál na straně operátora může být vydáván buď z:

  • Pozemní řízení - člověk obsluhující rádiový vysílač /přijímač, smartphone, tablet, počítač nebo původní význam vojenské pozemní řídicí stanice (GCS) .
  • Vzdálený síťový systém, jako jsou satelitní duplexní datové spoje pro některé vojenské mocnosti . Následné digitální video přes mobilní sítě také vstoupilo na spotřebitelské trhy, zatímco přímé UAV ovládání uplinku přes mobilní síť a LTE bylo prokázáno a je ve zkouškách.
  • Další letadlo, sloužící jako štafeta nebo mobilní řídicí stanice-vojenské posádky bez posádky (MUM-T).

Moderní síťové standardy drony výslovně považovaly, a proto zahrnují optimalizace. Standard 5G nařídil snížit latenci uživatelské roviny na 1 ms při použití ultra spolehlivé komunikace s nízkou latencí.

Autonomie

Stupně autonomie UAV

Úroveň autonomie v UAV se velmi liší. Výrobci UAV často staví na konkrétních autonomních operacích, jako jsou:

  • Samonivelační: stabilizace postoje na osách stoupání a naklápění.
  • Udržování nadmořské výšky: Letadlo udržuje svou výšku pomocí barometrického tlaku a/nebo údajů GPS.
  • Podržení vznášení/držení polohy: Udržujte vodorovnou výšku a naklonění, stabilní vybočení a nadmořskou výšku při zachování polohy pomocí GNSS nebo inerciálních senzorů.
  • Bezhlavý režim: Ovládání sklonu vzhledem k poloze pilota spíše než vůči osám vozidla.
  • Bezstarostné: automatické ovládání naklápění a zatáčení při horizontálním pohybu
  • Vzlet a přistání (pomocí různých letadel nebo pozemních senzorů a systémů; viz také „ autoland “)
  • Failsafe: automatické přistání nebo návrat domů po ztrátě řídicího signálu
  • Návrat domů: Lette zpět do bodu vzletu (často nejprve naberete výšku, abyste se vyhnuli případným překážkám, jako jsou stromy nebo budovy).
  • Follow-me: Udržujte relativní polohu vůči pohybujícímu se pilotovi nebo jinému objektu pomocí GNSS, rozpoznávání obrazu nebo naváděcího majáku.
  • GPS navigace v trasových bodech: Pomocí GNSS navigujte na přechodné místo na cestě.
  • Oběžná dráha kolem objektu: Podobná jako Následuj mě, ale neustále krouží kolem cíle.
  • Předprogramovaná akrobacie (jako jsou rohlíky a smyčky)

Jeden přístup ke kvantifikaci autonomních schopností je založen na terminologii OODA , jak navrhuje výzkumná laboratoř amerického letectva z roku 2002 a používá se v následující tabulce:

X-47B dostává palivo z tankeru Omega K-707

Plná autonomie je k dispozici pro specifické úkoly, jako je tankování ve vzduchu nebo pozemní přepínání baterií.

Mezi další dostupné nebo vyvíjené funkce patří; kolektivní let, vyhýbání se kolizím v reálném čase , sledování zdi, centrování koridoru, simultánní lokalizace a mapování a rojení , kognitivní rádio a strojové učení .

Úvahy o výkonu

Letová obálka

UAV lze naprogramovat tak, aby prováděly agresivní manévry nebo přistávaly/seděly na nakloněných plochách a poté šplhaly směrem k lepším komunikačním místům. Některé bezpilotní prostředky mohou řídit let s různou modelací letu, například konstrukce VTOL.

UAV mohou také implementovat prohlížení na rovném svislém povrchu.

Vytrvalost

Wankelův motor UEL UAV-741 pro provoz UAV
Doba letu proti hmotnosti malých (méně než 1 kg) dronů

Vytrvalost UAV není omezena fyziologickými schopnostmi lidského pilota.

Vzhledem k jejich malým rozměrům, nízké hmotnosti, nízkým vibracím a vysokému poměru výkonu k hmotnosti se rotační motory Wankel používají v mnoha velkých UAV. Jejich rotory motoru se nemohou zmocnit; motor není náchylný k šokovému chlazení během klesání a nevyžaduje obohacenou palivovou směs pro chlazení při vysokém výkonu. Tyto atributy snižují spotřebu paliva, zvyšují dojezd nebo užitečné zatížení.

Správné chlazení dronem je zásadní pro dlouhodobou výdrž dronů. Přehřátí a následná porucha motoru je nejčastější příčinou selhání dronu.

Vodíkové palivové články využívající vodíkovou energii mohou být schopné prodloužit výdrž malých UAV až na několik hodin.

Vytrvalosti mikropneumatik je zatím nejlépe dosaženo pomocí bezpilotních letounů s klapajícími křídly, následovaných letadly a multirotory, které stojí na posledním místě, kvůli nižšímu Reynoldsovu číslu .

Solárně-elektrické UAV, koncept původně prosazovaný AstroFlight Sunrise v roce 1974, dosáhly letových časů několika týdnů.

Atmosférické satelity („atmosféry“) poháněné solární energií určené pro provoz ve výškách přesahujících 20 km (12 mil nebo 60 000 stop) po dobu pěti let by mohly potenciálně plnit úkoly ekonomičtěji a s větší univerzálností než satelity na nízké oběžné dráze . Mezi pravděpodobné aplikace patří monitorování počasí , obnova po havárii , zobrazování Země a komunikace.

Elektrická UAV poháněná mikrovlnným přenosem energie nebo laserovým paprskem jsou další potenciální řešení pro vytrvalost.

Další aplikací pro UAV s vysokou vytrvalostí by bylo „zírat“ na bitevní pole po dlouhou dobu (ARGUS-IS, Gorgon Stare, Integrated Sensor Is Structure) a zaznamenávat události, které by se poté daly přehrát zpět a sledovat aktivity na bojišti.

Dlouhé vytrvalostní lety
UAV Doba letu
hodiny: minuty
datum Poznámky
Boeing Condor 58:11 1989 Letoun je v současné době v leteckém muzeu Hiller .

General Atomics Gnat 40:00 1992
TAM-5 38:52 11. srpna 2003 Nejmenší UAV k překročení Atlantiku

QinetiQ Zephyr Solar Electric 54:00 Září 2007
RQ-4 Global Hawk 33:06 22. března 2008 Vytvořte rekord v vytrvalosti pro plně provozuschopná letadla bez posádky.
QinetiQ Zephyr Solar Electric 82:37 28. – 31. Července 2008
QinetiQ Zephyr Solar Electric 336: 22 9. – 23. Července 2010

Spolehlivost

Vylepšení spolehlivosti se zaměřují na všechny aspekty systémů UAV pomocí inženýrství odolnosti a technik odolnosti proti chybám .

Individuální spolehlivost pokrývá robustnost letových ovladačů, aby byla zajištěna bezpečnost bez nadměrné redundance, aby se minimalizovaly náklady a hmotnost. Kromě toho dynamické hodnocení letové obálky umožňuje UAV odolné proti poškození pomocí nelineární analýzy se smyčkami nebo neuronovými sítěmi navrženými ad hoc. Odpovědnost za software UAV se ohýbá směrem k návrhu a certifikacím softwaru pro avioniku s posádkou .

Odolnost roje zahrnuje zachování provozních schopností a rekonfiguraci úkolů daných selhání jednotky.

Aplikace

V posledních letech začaly autonomní drony transformovat různé aplikační oblasti, protože mohou létat za hranice vizuální viditelnosti (BVLOS) a současně maximalizovat produkci, snižovat náklady a rizika, zajišťovat bezpečnost stránek, zabezpečení a dodržování předpisů a včas chránit lidskou pracovní sílu o pandemii. Mohou být také použity pro mise související se spotřebiteli, jako je doručování balíků, jak ukazuje Amazon Prime Air , a kritické dodávky zdravotnických potřeb.

Pro UAV existuje řada civilních, komerčních, vojenských a leteckých aplikací. Tyto zahrnují:

Všeobecné
Rekreace , pomoc při katastrofách , archeologie , zachování biologické rozmanitosti a přirozeného prostředí , vymáhání práva , zločin a terorismus .
Komerční
Letecký dohled , filmová tvorba , žurnalistika , vědecký výzkum , geodézie , nákladní doprava , těžba , výroba , lesnictví , solární zemědělství , tepelná energie , přístavy a zemědělství .

Válčení

Díky rozsáhlému snižování nákladů a pokroku v technologii UAV je obranné síly na celém světě stále častěji používají pro různé aplikace, jako je sledování, logistika, komunikace, útok a boj

Od roku 2020 má sedmnáct zemí ozbrojené UAV a více než 100 zemí používá UAV ve vojenské funkci. Globálnímu trhu s vojenskými UAV dominují společnosti se sídlem v USA, Číně a Izraeli. Podle prodejních čísel držely USA v roce 2017 více než 60% podíl na vojenském trhu. Čtyři z pěti nejlepších vojenských výrobců UAV jsou američtí, včetně General Atomics , Lockheed Martin , Northrop Grumman a Boeing , následovaná čínskou společností CASC . Čína zavedla a rozšířila svou přítomnost na trhu vojenských bezpilotních letadel od roku 2010. Z 18 zemí, o nichž je známo, že dostaly vojenské drony v letech 2010 až 2019, si prvních 12 všech zakoupilo drony z Číny. Izraelské společnosti se zaměřují hlavně na malý sledovací systém UAV a podle počtu dronů Izrael vyvážel 60,7% (2014) UAV na trh, zatímco Spojené státy exportovaly 23,9% (2014); špičkovými dovozci vojenských bezpilotních prostředků jsou Spojené království (33,9%) a Indie (13,2%). Pouze Spojené státy v roce 2014 provozovaly více než 9 000 vojenských bezpilotních prostředků. Společnost General Atomics je dominantním výrobcem produktové řady systémů Global Hawk a Predator/Mariner.

Pro zpravodajské a průzkumné mise nabízí inherentní utajení ornitoptérů s mikro křídly typu UAV , napodobujících ptáky nebo hmyz, potenciál pro skryté sledování a činí z nich obtížné cíle ke zničení.

Průzkum , útok , odmínování a trénink cíle

Civilní

Letadlo Wing doručující zboží ve Vuosaari v Helsinkách.

Civilní (komerční a obecný) trh s drony ovládají čínské společnosti. Samotný čínský výrobce dronů DJI měl v roce 2018 74% podíl na civilním trhu, přičemž žádná jiná společnost nepředstavovala více než 5% a globální tržby v roce 2020 odhadovaly na 11 miliard dolarů. Po zvýšeném zkoumání svých aktivit americké ministerstvo vnitra uzemnilo flotilu dronů DJI v roce 2020, zatímco ministerstvo spravedlnosti zakázalo použití federálních prostředků na nákup DJI a jiných UAV vyrobených v zahraničí. Za DJI následuje čínská společnost Yuneec , americká společnost 3D Robotics a francouzská společnost Parrot s výrazným odstupem tržního podílu. V květnu 2021 bylo u amerického FAA zaregistrováno 873 576 UAV, z nichž 42% je kategorizováno jako komerční drony a 58% jako rekreační drony. NPD 2018 ukazuje, že spotřebitelé stále častěji nakupují drony s pokročilejšími funkcemi s 33procentním růstem v tržních segmentech 500 $ a 1000 $+.

Civilní trh UAV je ve srovnání s vojenským relativně nový. Společnosti vznikají v rozvinutých i rozvojových zemích současně. Mnoho začínajících podniků v počáteční fázi získalo podporu a financování od investorů, jak je tomu v USA a vládních agenturách, jako je tomu v Indii. Některé univerzity nabízejí výzkumné a vzdělávací programy nebo tituly. Soukromé subjekty také poskytují online a osobní vzdělávací programy pro rekreační i komerční použití UAV.

Spotřebitelské drony jsou také široce používány vojenskými organizacemi po celém světě kvůli nákladově efektivní povaze spotřebního zboží. V roce 2018 začala izraelská armáda používat řadu UAV DJI Mavic a Matrice pro lehké průzkumné mise, protože civilní drony se snadněji používají a mají vyšší spolehlivost. Drony DJI jsou také nejpoužívanějším komerčním bezpilotním leteckým systémem, který americká armáda používala. Čínské policie v Sin -ťiangu od roku 2017 používá i drony pro sledování DJI .

Globální trh s UAV dosáhne 21,47 miliardy USD, přičemž indický trh se do roku 2021 dotkne hranice 885,7 milionu USD.

Svítící drony se začínají používat v nočních expozicích pro umělecké a reklamní účely.

Letecké fotografie

Drony se ideálně hodí k pořizování leteckých záběrů ve fotografii a kinematografii a jsou k tomuto účelu široce používány. Malé drony se vyhýbají potřebě přesné koordinace mezi pilotem a kameramanem, přičemž obě role zastává stejná osoba. U velkých dronů s profesionálními kamerami je ale obvykle pilot dronu a kameraman, který ovládá úhel kamery a objektiv. Například kino dron AERIGON, který se používá ve filmové produkci ve velkých blockbusterových filmech, obsluhují 2 lidé. Drony poskytují přístup k nebezpečným, vzdáleným a nepříjemným stránkám, které jsou běžnými prostředky nepřístupné.

Zemědělství a lesnictví

Vzhledem k tomu, že celosvětová poptávka po produkci potravin exponenciálně roste, zdroje se vyčerpávají, zemědělská půda se zmenšuje a zemědělské práce je stále více nedostatek, existuje naléhavá potřeba pohodlnějších a chytřejších zemědělských řešení než tradiční metody a průmysl zemědělských dronů a robotiky je očekává se pokrok. Zemědělské drony byly použity v oblastech, jako je Afrika, při budování udržitelného zemědělství.

Vyšetřuje se také používání UAV, aby pomohlo detekovat a bojovat s požáry, ať už pozorováním nebo spuštěním pyrotechnických zařízení ke spuštění protipožárních zásahů .

Vymáhání práva

Policie může používat drony pro aplikace, jako je vyhledávání a záchrana a monitorování provozu .

Bezpečnost a zabezpečení

Plakát amerického ministerstva zemědělství varující před riziky létajících bezpilotních letounů v blízkosti lesních požárů

Hrozby

Obtíž

UAV mohou ohrozit bezpečnost vzdušného prostoru mnoha způsoby, včetně neúmyslných kolizí nebo jiného rušení jiných letadel, záměrných útoků nebo rušením pilotů nebo letových dispečerů. K první nehodě srážky dronu s letadlem došlo v polovině října 2017 v kanadském Quebecu. K prvnímu zaznamenanému případu srážky dronu s horkovzdušným balónem došlo 10. srpna 2018 v Driggs, Idaho , Spojené státy americké; přestože nedošlo k žádnému významnému poškození balónu ani ke zranění jeho 3 cestujících, pilot balónu ohlásil incident Národní radě pro bezpečnost dopravy a uvedl, že „doufám, že tento incident pomůže vytvořit rozhovor o respektu k přírodě, vzdušnému prostoru a pravidla a regulace". Neoprávněné lety UAV na hlavní letiště nebo v jejich blízkosti vedly k prodloužení odstávky komerčních letů.

V prosinci 2018 způsobily drony na letišti Gatwick značné narušení , které vyžadovalo nasazení britské armády.

Ve Spojených státech se za létání poblíž požáru může uložit pokuta maximálně 25 000 dolarů. V letech 2014 a 2015 však byla protipožární podpora v Kalifornii několikrát bráněna, mimo jiné u Lake Fire a North Fire . Kalifornští zákonodárci v reakci na to představili návrh zákona, který by hasičům umožnil deaktivovat UAV, které zasahovaly do omezeného vzdušného prostoru. FAA později požadoval registraci většiny UAV.

Chyby zabezpečení

Do roku 2017 byly drony používány k odhození kontrabandu do vězení.

Zájem o kybernetickou bezpečnost UAV výrazně vzrostl po incidentu s únosem video streamu Predator UAV v roce 2009, kdy islámští ozbrojenci používali k streamování video kanálů z UAV levné levné vybavení. Dalším rizikem je možnost únosu nebo rušení UAV za letu. Několik bezpečnostních výzkumníků zveřejnilo některé zranitelnosti v komerčních UAV, v některých případech dokonce poskytlo úplný zdrojový kód nebo nástroje pro reprodukci jejich útoků. Na workshopu o UAV a soukromí v říjnu 2016 vědci z Federal Trade Commission ukázali, že byli schopni proniknout do tří různých spotřebitelských kvadrokoptér a poznamenali, že výrobci UAV mohou své UAV zajistit bezpečněji pomocí základních bezpečnostních opatření šifrování Wi-Fi signál a přidání ochrany heslem.

Agrese

UAV mohly být naloženy s nebezpečným užitečným zatížením a narazily do zranitelných cílů. Užitečné zatížení může zahrnovat výbušniny, chemická, radiologická nebo biologická nebezpečí. UAV s obecně nesmrtícím užitečným zatížením by mohly být hacknuty a použity ke škodlivým účelům. Státy vyvíjejí systémy Anti-UAV, které mají této hrozbě čelit. To se však ukazuje jako obtížné. Jak řekl Dr. J. Rogers v rozhovoru pro A&T „V tuto chvíli probíhá velká debata o tom, jaký je nejlepší způsob, jak těmto malým UAV zabránit, ať už je používají fandové, kteří způsobují trochu obtěžování nebo zlověstným způsobem teroristického herce “.

Protiopatření

Pultový bezpilotní systém

Vojáci italské armády 17. protiletadlového dělostřeleckého pluku „Sforzesca“ s přenosným [1] CPM-Drone Jammer v Římě

Zlomyslné používání bezpilotních letadel vedlo k vývoji technologií proti bezpilotnímu leteckému systému (C-UAS), jako je Aaronia AARTOS, které byly instalovány na hlavních mezinárodních letištích. Protiletadlové raketové systémy, jako je Iron Dome, jsou také vylepšovány o technologie C-UAS.

Nařízení

Regulační orgány po celém světě vyvíjejí řešení pro řízení provozu bezpilotních letadlových systémů, aby lépe integrovaly UAV do vzdušného prostoru.

Používání bezpilotních prostředků (UAV) nebo dronů je stále více regulováno národním leteckým úřadem jednotlivých zemí. Regulační režimy se mohou výrazně lišit podle velikosti dronu a použití. Mezinárodní organizace pro civilní letectví (ICAO) začal zkoumat využití drone technologií již v roce 2005, který vyústil ve zprávě 2011. Francie byla jednou z prvních zemí, která na základě této zprávy stanovila národní rámec, a větší letecké úřady, jako jsou FAA a EASA, rychle následovaly. V roce 2021 FAA zveřejnila pravidlo, které požaduje, aby se všechny komerčně používané UAV a všechny UAV bez ohledu na záměr s hmotností 250 g nebo více účastnily Remote ID , díky čemuž budou polohy dronů, umístění ovladačů a další informace veřejné od startu až po vypnutí; toto pravidlo bylo od té doby zpochybněno probíhající federální žalobou RaceDayQuads v. FAA .

Ovládací prvky exportu

Export UAV nebo technologie schopné unést 500 kg užitečného nákladu minimálně 300 km je v mnoha zemích omezen režimem řízení raketové technologie .

Viz také

Reference

Citace

Bibliografie

externí odkazy

Další čtení