Miehittämättömän ilma-alusjärjestelmän suorituskyky lennossa

Dronen aivot

Kaikissa droneissa on ohjausjärjestelmä. Tätä järjestelmää voidaan kuvata dronen aivoiksi. Järjestelmä saa tietoa dronen antureilta ja järjestelmiltä, käsittelee asento-, korkeus- ja nopeustiedot ja välittää ohjaustiedot moottoreille ja/tai ohjainpinnoille lentotilan vakauttamiseksi tai muuttamiseksi.

Yksinkertaisimmillaan ohjausjärjestelmä toteuttaa suoraan lähettimeltä annettuja ohjauskomentoja ohjauspinnoille, eikä järjestelmässä ole lennon vakauttamiseen liittyviä toimintoja. Dronen lentotilaa ja tarvittavia ohjauskomentoja tarkkailee ja päättää kauko-ohjaaja radiolähettimen kautta. Avustavina järjestelminä voi olla yhden, tai useamman akselin suuntaisia gyroskooppisia vakautuksia, mutta niillä ei ole täydellistä lennon vakautustoimintoa. Perinteisissä lennokeissa on tämän kaltainen ohjaus, ja niiden ohjaaminen perustuu kauko-ohjaajan jatkuvaan lennokin seuraamiseen katseella ja ohjaamiseen. Vapaasti lentäviin kiinteäsiipisiin lennokkeihin on tyypillisesti asennettu ennakkoon ohjelmoitava ohjausjärjestelmä, minkä toimintaan ei voi vaikuttaa lennon aikana, paitsi lennon peruuttamattomasti keskeyttävä ohjauskomento. Tällöin lennokki laskeutuu maahan sellaisessa lentotilassa, missä se ei voi enää lentää normaalisti, mutta säilyttäen ympäristölle turvallisen vajoamisnopeuden.

Lennon vakautusjärjestelmällä varustetun dronen järjestelmän merkittävä osa inertiamittausyksikkö (Inertial measurement Unit, IMU). Tämä yksikkö tunnistaa dronen asennon ja liikkeen suhteessa maahan, sekä asennon ja liikkeen muutokset. Tämä toiminta on välttämätön automaattisen vakautusjärjestelmän toiminnan kannalta.

Toinen merkittävä osa ohjausjärjestelmää on satelliittipaikannusjärjestelmä (Global Navigation Satellite System, GNSS). Satelliittipaikannusjärjestelmistä tunnetuin on GPS (Global Position System). Drone saa paikannusjärjestelmältä tarkan sijaintitiedon, sekä etäisyyden lähtöpaikkaan ja järjestelmästä riippuen paikkatietoa. Paikannusjärjestelmään liittyy myös ilmapaineanturi, barometri, jonka antaman tiedon perusteella saadaan dronen lentokorkeus. Barometriltä saatava tieto lentokorkeudesta on paljon tarkempi kuin satelliittipaikannusjärjestelmältä saatava korkeustieto.

Miten moottorit toimivat?

Dronen moottoreiden tehtävä on pyörittää joko roottoreita tai potkureita. Roottorit tuottavat pyöriessään drone tarvitseman nostovoiman, ja kiinteäsiipisessä dronessa potkurit kehittävät dronea lentosuuntaan vievän voiman ja dronen lentämiseen vaadittavan ilmanopeuden. Helikopterimaisesti lentävissä droneissa roottorin kierrosluvun tulee olla niin suuri, että sen tuottama nostovoima on yhtä suuri kuin dronen paino. Yksiroottorisessa tavallista helikopteria muistuttavassa dronessa roottorin lapakulmat ovat useimmiten säädettävät, ja nostovoimaa voidaan säädellä muuttamalla lapakulmaa roottorin kierrosluvun pysyessä vakiona. Moniroottorisessa dronessa dronen ohjaus perustuu moottorien kierrosluvun säätämiseen, ja sitä kautta kiertomomentin ja epäsymmetrisen nostovoiman tuottamaan ohjaustoimintoon.

Sähkömoottorin toimintaa ja moottorin kierrosnopeutta säätelee elektroninen nopeuden säädin (Electronic Speed Controller ESC).

Drone voi olla myös varustettu polttomoottorilla. Moottori voi olla kaksi- tai nelitahtinen, metanoli-, bensiini- tai dieselkäyttöinen, tai kaasuturbiini. Polttomoottoria käyttävän dronen kauko-ohjaajan tulee perehtyä huolellisesti moottorin toimintaan ja moottorin valmistajan ohjeisiin. Erityistä huolellisuutta vaatii polttoaineen oikea käsittely ja säilytys.

Kamerateline kameran vakautuksella

Dronessa oleva kamerateline on usein varustettu vakautustoiminnolla. Vakautuksella varustettua kameratelinettä kutsutaan gimbaaliksi. Gimbaali voi olla kaksi- tai kolmiakselinen. Kaksiakselisella gimbaalilla kamera vakautetaan pysty- ja vaakasuunnassa, ja kolmiakselisella gimbaalilla liikkeet saadaan pehmeämmiksi dronen pyöriessä oman akselinsa ympäri.

Gimbaalin jokainen akseli on varustettu moottorilla, jotta kamera pysyisi asetetussa asennossa vakaasti. Nämä moottorit ovat hyvin pieniä ja herkkiä särkymään, joten niitä tulee käsitellä varovaisesti. Kameraa ei kannata liikutella, eikä etenkään vastustaa kameran liikettä virran ollessa kytkettynä gimbaaliin. Gimbaalin lukitseva kuljetussuoja tulee ottaa pois paikaltaan aina ennen lentoa, ja muistettava laittaa paikalleen lennon jälkeen.

Roottoreilla varustetut dronet

Yleisin drone-tyyppi on helikopterin kaltainen moniroottorinen drone. Tällaista dronea kutsutaan moniroottoriseksi tai multiroottoriseksi, koska se on varustettu useammalla kuin yhdellä roottorilla. Yleisin multiroottorinen drone on varustettu neljällä roottorilla, mutta roottoreita voi olla enemmänkin, aina kuitenkin parillinen määrä. Nämä dronet on usein valmistettu muovista, mutta myös muita materiaaleja, kuten hiili- tai lasikuitua voidaan käyttää runkomateriaalina. Roottorit ovat pienemmissä usein muovisia, ja etenkin raskaammissa droneissa roottorit on valmistettu hiilikuidusta.

Leijuntakykynsä ansiosta moniroottoriset dronet eivät tarvitse kiitotietä lentoonlähtöihin ja laskeutumisiin.

Drone voi olla myös perinteisen helikopterin kaltainen, nostovoimaa tuottavalla pääroottorilla ja kiertopyrkimystä kompensoivalla pyrstöroottorilla varustettu. Tällaisessa dronessa ohjaus ja liikehtiminen tapahtuu roottoreiden lapakulmia säätämällä mahdollistaen suuren liikehtimiskyvyn. Perinteisen helikopterin kaltainen drone on mekaanisesti monimutkainen kokonaisuus, ja sellaisen ohjaaminen on huomattavasti haastavampaa kuin multiroottorisen dronen. Tällaisen dronen lennättäminen vaatii erityistä perehtymistä, ja lennätysalueen tulee olla laaja. Perinteisen helikopterin kaltainen drone on usein kykenevä suorittamaan laskeutumisen ilman moottoritehoa autorotaatiota käyttäen. Tämä mahdollistaa hallitun laskeutumisen moottorihäiriötilanteessa.

Kiinteäsiipiset dronet

Kiinteäsiipinen drone muistuttaa perinteistä lentokonetta, koska lentämiseen tarvittava nostovoima tuotetaan kiinteillä siivillä. Droneissa siipien muoto ja sijoittelu voi vaihdella kuitenkin huomattavasti tarkoitetun toiminnan optimoinnin vuoksi. Dronen runko ja siivet on valmistettu kevyistä ja lujista materiaaleista, ja erilaisilla eri materiaaleja yhdistävillä menetelmillä. Esimerkiksi siivet voi olla valmistettu muotoon leikatusta tai puristetusta polystyreenistä (styroksi), ja mahdollisesti pinnoitettu ohuella puuviilulla, kuten balsa tai apassi, tai lasi- tai hiilikuidulla. Perinteinen valmistustapa on rakentaa drone kevyestä balsapuusta, käyttäen kriittisissä paikossa mäntyrimoja tai vaneria. Siipien tuottaman nostovoiman ansiosta dronen ilmassa pysyminen ei ole riippuvainen ainoastaan akkujen tai muun voimanlähteen tuottamasta energiasta, voimanlähteen energiaa käytetään eteenpäin vievän nopeuden ylläpitoon ja siten vaakalennon ylläpitoon tai nousemiseen. Kiinteäsiipisen dronen toiminta moottorihäiriötilanteessa on halittavissa. Drone on edelleen ohjattavissa hallittuun laskeutumiseen ilman moottoritehoa, toisin kuin moniroottorinen drone, joka pahimmassa tapauksessa putoaa suoraan alas.

Toisin kuin helikopteria muistuttavat dronet, kiinteäsiipiset dronet vaativat riittävän nopeuden lentoonlähdössä ja laskussa. Drone voi nousta kiitotieltä, se voidaan heittää ilmaan tai käyttää katapultin tapaista laukaisulaitetta. Laskeutuessaan drone tarvitsee riittävän suuren kiitotien, tai drone voi laskeutua laskuvarjon avulla.

Siivillä ja roottoreilla varustetut hybridi-dronet

Kiinteäsiipisiä droneja on saatavilla sekä potkurien kanssa, että ilman potkureita. Monimoottorisia kiinteäsiipisiä droneja on mahdollista käyttää myös moniroottoristen dronejen tapaan, ja niillä on kyky leijua paikoillaan. Hybrididronessa leijuntakyky on toteutettu eri tavoilla voimalaiteratkaisu, joko kääntyvillä moottoreilla, tai erillisillä leijuntamoottoreilla, joka mahdollistaa leijumisen ja pystysuoran nousun ja laskeutumisen. Näin saadaan yhdistettyä helikopterin etu lentoonlähdössä ja laskeutumisessa, sekä kiinteäsiipisen dronen suurempi nopeus ja pieni tehontarve vaakalennossa.

Hyötykuormaksi katsotaan kaikki mikä ei ole alun perin osa dronea. Dronen kuormattavuus riippuu siitä, minkä tyyppinen drone on käytössä. Joillekin droneille ei suositella hyötykuorman kanssa lentämistä lainkaan. Esimerkiksi kiinteäsiipiset dronet eivät yleensä pysty kantamaan yhtä suuria kuormia kuin moniroottoriset dronet. Myös hyötykuorman sijoitus on kriittisempää kiintesiipisessä dronessa, rungon ulkopuolella kuorma voi vaikuttaa merkittävästi kiinteäsiipisen dronen toimintaan.

Kauko-ohjaajan tulee perehtyä valmistajan ohjeistukseen ja valmistajan ilmoittamaan dronen kuormattavuuteen. Dronen valmistajan ilmoittamaa suurinta sallittua lentoonlähtöpainoa, kokonaispainoa (drone + hyötykuorma) ei saa ylittää. Lentoonlähtöpainossa tulee ottaa huomioon myös dronen luokitus ja toimintakategoria.

Tavanomaiset laitteet lasketaan myös hyötykuormaksi

Hyötykuorman voisi kuvitella ensisijaisesti olevan vain esineitä tai asioita, jotka kuljetetaan kahden pisteen välillä, mutta myös tavalliset droneen kiinnitetyt varusteet, kuten kamerat, gimbaalit ja potkurisuojukset, lasketaan mukaan hyötykuormaksi. Tällaisten varusteiden käyttäminen lennon aikana voi aiheuttaa suorituskyvyn heikkenemistä, koska ilmanvastus ja kokonaismassa kasvavat varusteiden myötä. Tämä tulee huomioida aina, kun lennätetään dronea, mikä kantaa hyötykuormaa.

Dronen painopisteen huomioiminen

Dronen valmistajat ovat määritelleet jokaiselle dronelle painopisteen (center of gravity, CG), jonka paikkaa ei yleensä voi muuttaa, tai uudelleen kalibroida manuaalisesti. Painopisteen sijainti on tarkistettava aina, kun lennetään dronella mihin on kiinnitetty hyötykuormaa. Tarvittaessa hyötykuorman paikkaa tulee vaihtaa painopisteen saamiseksi sallitulle alueelle. Hyötykuorma tulee kiinnittää

• mahdollisimman lähelle painopistettä
• mahdollisimman tukevasti
• mahdollisimman lähelle dronen runkoa, koska lennon aikana huonosti kiinnitetty liikkuva kuorma voi vaikuttaa painopisteeseen ja aiheuttaa hallinnanmenetyksen.

Painopisteen sijainti vaihtelee dronen tyypin mukaan, ja joissain malleissa se on mahdollista kalibroida uudelleen. Joskus uudelleen kalibrointi on jopa tarpeellista hyötykuorman sijoittelun takia. Hyötykuorman sijoittamisessa tulee myös huomioida, että ne eivät peitä dronen akkuja, ja aiheuta riskiä akkujen ylikuumenemisesta.

Dronen akut, yleisin voimanlähde

Dronen akut vaativat tarkkaa huoltoa ja kunnossapitoa. Akut tulee irrottaa ja ladata mahdollisimman nopeasti aina jokaisen laskeutumisen jälkeen. Akkuja tulee säilyttää tai varastoida valolta suojattuna viileässä ja paikassa, jonka pinnat ovat paloturvalliset. Jos akkuja ei ladata lennon jälkeen, vaan ne jätetään säilytykseen tai varastoidaan liian pienellä latauksella (alle 10 prosenttia), ne saattavat vahingoittua pysyvästi ja aiheuttaa vaaraa seuraavan lennon aikana. Tulipalon sattuessa monet akut vaativat erikoissammuttimet palon sammuttamiseksi.

Akkujen suhteen tulee huomioida, että

• akku on kulutustuote eikä sitä voi uudelleen ladata loputtomia kertoja
• akun kapasiteetti laskee jokaisen latauskerran jälkeen

Valmistajan käyttöohjeesta voi tarkistaa latausjaksojen suositellun enimmäismäärän.

Kuinka monta kennoa akkusi sisältävät?

Akut koostuvat useista kennoista. Dronen paino määrittelee sen, kuinka monta kennoa laitteen akussa tarvitaan. Vaikka akku toimii, se ei tarkoita aina sitä, että kaikki sen kennot toimisivat asianmukaisesti. Kennojen kuntoa on silmämääräisesti mahdotonta tarkistaa, mutta useimmat dronejärjestelmät varoittavat sinua mahdollisista vaurioista tai viallisuuksista.

Pääasiallisesti voit tarkistaa akun kennojen tilan kauko-ohjausjärjestelmän näytöltä. Kennojen sähköpotentiaali mitataan voltteina (V), ja niiden tulisi olla samalla tasolla akun kaikissa kennoissa. Jos yhden kennon jännite eroaa muiden kennojen jännitteistä, sinun tulisi ladata akku täyteen (100 %) ja tarkistaa, saavuttavatko kaikki kennot täyden tason. Jos näin ei käy, dronea ei tulisi lennättää käyttäen kyseistä akkua.

Yleisin akkutyyppi dronen lennätyksessä

Lipo-akut (litium-polymeeri) ovat yleisimpiä akkuja droneissa. Vaikka muitakin akkutyyppejä on olemassa, lipo-akku kestää parhaiten suurta purkausvirtaa. Lipo-akun kyky varastoida sähköenergiaa painoon nähden on myös hyvä.

Alla on kerrottu, miten akun varastoima energia ja luovuttama teho lasketaan

Miten energia lasketaan?

Kun jännite kerrotaan kapasiteetilla, saadaan laskettua akun sähköenergian määrä. Sähköenergian yksikkö on wattitunti (Wh). Esimerkki: jos kennon jännite on 3,5 V ja kapasiteetti 3 Ah, sen sähköenergian määrä on 10,5 Wh.

V x Ah = Wh

Miten teho lasketaan?

Akun kennon luovuttama teho mitataan wateissa (W), ja se lasketaan kertomalla jännite sähkövirralla, jonka yksikkö on ampeeri (A). Teho on ajasta riippuvainen, joten jos kennoa puretaan käyttäen suurta sähkövirtaa, sillä on suuri teho, mutta kapasiteetti kuluu ja akun purkautuminen tapahtuu nopeammin:

• jos kennoa puretaan 3 A:n virralla, teho on 10,5 W, ja purkaus kestää yhden tunnin.
• jos samaa kennoa puretaan 10 A:n virralla, teho on 35 W, mutta purkaus kestää vain noin 15 minuuttia.

V x A = W