Historický vývoj dronů
Vývoj dronů začal krátce po skončení první světové války. Po druhé světové válce mnoho vojenských mocností po celém světě nezávisle přeměnilo různé vyřazené bojové letouny na cílové drony, což zahájilo moderní vývoj dronů. S pokrokem v elektronické technologii drony stále více prokazovaly svou nadřazenost v průzkumných misích. Například během vietnamské války americká armáda často používala drony k průzkumu vysoce hodnotných nebo silně bráněných cílů na bojišti.
Nedávný vývoj v odvětví
Konference „8. světová konference o dronech 2024 a Mezinárodní veletrh nízkoletové ekonomiky a bezpilotních systémů / 9. mezinárodní výstava dronů v Shenzhen / Výstava technologií autonomního řízení a bezpilotních vozidel“ s tématem „Nízkoletová ekonomika, budoucnost je tady“ úspěšně skončila na konci května v Shenzhen, hlavním městě dronů. Konference se zúčastnilo více než 10 000 odborníků z oboru, vědců a podnikatelů z více než 110 zemí a regionů. Akce zahrnovala více než 30 paralelních fór a přes 60 setkání zaměřených na výměnu produktů a technologií, pokrývajících témata jako drony a nízkoletová ekonomika, nízkoletová digitální doprava, nízkoletové letecké služby, inovace a aplikace technologie eVTOL, otevřenost a řízení nízkoletového vzdušného prostoru, logistické nouzové drony, AI roboti, pilotované bezpilotní letouny, nízkoletová létající auta, nízkorychlostní bezpilotní vozidla a vodní bezpilotní systémy.
V současné době je průmysl dronů také novým high-tech sektorem zahrnujícím řadu oblastí, od výzkumu a vývoje produktů, výroby a produkce, až po průmyslové využití, řízení a služby. Průmyslový řetězec zahrnuje mnoho high-tech oblastí. Upstream zahrnuje především nové materiály, jako jsou kompozitní materiály pro těla dronů, vybavení pro nesení zbraní, řídicí systémy, zařízení pro start a záchranu a další komponenty. Downstream trhy jsou převážně vojenské a civilní, s důrazem na vojenské aplikace, ale zahrnují také vědecký výzkum, zemědělství, energetiku, dopravu, meteorologii a mnoho dalších odvětví. V civilním sektoru je také obrovský potenciál pro rozvoj.
Ať už jde o spolupráci DoorDash a Wing na službách doručování drony ve Virginii, Lego dronovou světelnou show představující dětské návrhy vesmírných lodí, plán Velké Británie vybudovat dronovou "superdálnici" nebo iniciativu Aerodome využít drony pro nouzové zásahy na místech trestných činů, všechny tyto příklady ukazují stále širší využití dronů v různých oblastech. Dokonce i brutální střet dvou blízkovýchodních zemí v roce 2020 zdůraznil významnou roli dronů, když nespočet svědků prostřednictvím různých zpráv na platformách pochopil, že podstata budoucího vývoje spočívá v dronech: ti, kdo ovládají drony, budou dominovat! Očekává se, že příštích 10-20 let bude zlatým obdobím pro vývoj dronů, s rostoucí poptávkou na trhu a neustálými průlomy ve vysokých technologiích, což nabízí obrovský potenciál pro růst.
Úvod do hardwarových komponent a struktury dronů
1. Rám
Rám je kostra dronu, která podpírá všechny elektronické součásti. Jak je ukázáno na obrázku, všechny elektronické součásti jsou připevněny k rámu, aby správně fungovaly. Velikost rámu je určena rozvorem kol, přičemž větší rámy vyžadují výkonnější motory a větší vrtule; jinak dron nemůže vzlétnout. V současnosti jsou rámy převážně vyrobeny z plastu a uhlíkových vláken. Uhlíková vlákna mají lepší mechanické vlastnosti, ale jsou dražší.
2. Vrtule
Vrtule jsou specifických modelů a podle fyzikálních principů je rotační setrvačnost vrtule (vzhledem k ose otáčení) přibližně úměrná páté mocnině poloměru. Proto větší vrtule reagují pomaleji a méně schopně měnit svůj stav pohybu (tj. rotační rychlost). Vrtule také existují ve verzích otáčejících se po směru hodinových ručiček i proti směru hodinových ručiček. Když je jedna vrtule poháněna motorem, vytváří sílu, která způsobuje, že dron se otáčí horizontálně kolem centrální osy. Aby se tomu zabránilo, musí být různé vrtule nastaveny tak, aby se otáčely v různých směrech; jinak by se multirotorový dron po vzletu neustále otáčel. Na základě tohoto principu lze však rotační rychlost použít k řízení pohybu dronu ve směru náklonu (yaw). Obecně menší vrtule s vysokými rotačními rychlostmi přispívají ke zvýšené stabilitě, což umožňuje dronu létat stabilněji, ale to je na úkor kratší výdrže.
3. Motory
Motory používané v dronech jsou specializované třífázové bezkartáčové motory. Tyto motory mají tři svorky (bez kladné nebo záporné polarity, což umožňuje obrácený směr otáčení přepnutím jakýchkoli dvou svorek). Otáčejí se jedním směrem, mají vysoký výkon, nízké tření a mohou poskytnout značný vztlak.
Hodnota KV motoru udává počet otáček za minutu (RPM), které motor vykoná na volt při nezatíženém stavu. Například motor s hodnotou 400KV znamená, že při 1V se motor otočí 400krát za minutu bez jakéhokoli zatížení.
Bezuhlíkové motory stejné řady a fyzických rozměrů budou vykazovat různé charakteristiky KV v závislosti na počtu závitů vinutí. Motory s větším počtem závitů mají nižší hodnotu KV, což vede k nižšímu maximálnímu výstupnímu proudu a vyššímu točivému momentu. Naopak motory s menším počtem závitů mají vyšší hodnotu KV, což vede k vyššímu maximálnímu výstupnímu proudu a nižšímu točivému momentu.
Vyšší hodnota KV však nemusí vždy znamenat lepší výkon. Při stejné síle znamená vyšší hodnota KV, že motor poskytuje menší točivý moment. Proto jsou motory s vysokým KV párovány s menšími vrtulemi a motory s nízkým KV s většími vrtulemi. Například motor s 380KV obvykle používá vrtuli o průměru 16 palců, zatímco motor s 980KV používá vrtuli o průměru 10 palců. Ještě vyšší KV motory mohou být vybaveny malými vrtulemi o průměru 6 nebo 4 palce, nebo použity jako trubkové ventilátory (používané u pevného křídla, například u stíhacích letounů, pro zadní pohon).
4. Elektronické regulátory otáček (ESC)
Elektronické regulátory otáček (ESC) jsou elektronická zařízení, která přijímají PWM řídicí signály a regulují rychlost motorů. Mohou přijímat PWM signály z řídicí jednotky Pixhawk nebo z přijímače signálu a poté ovládat otáčení motoru. V současnosti běžně používají vírníkové drony značku Hobbywing, přičemž modely Letai jsou speciálně navrženy pro vírníkové použití.
Jak je ukázáno na obrázku, ESC má tři typy vodičů. Tři černé kulaté konektory (známé jako banánové konektory, jak je ukázáno na druhém obrázku výše) se připojují k bezkartáčovému motoru bez ohledu na polaritu; obrácení jakýchkoli dvou spojení změní směr otáčení motoru. Dlouhé, silné černé a červené vodiče se připojují k napájení, přičemž černý vodič je připojen k zemi (negativní) a červený vodič k Vcc (pozitivní). Je zásadní tyto spoje neobracet, protože by to poškodilo ESC při připojení napájení.
Nakonec jsou zkroucené černé a bílé vodiče signální vodiče, které přijímají řídicí signály a regulují proud. Černý vodič je zem, a bílý vodič je signální linka, která se připojuje k přijímači signálu nebo k výstupnímu konci řídicí jednotky letu.
5. Proudový senzor
Snímač proudu není jen zařízení, které zobrazuje hodnotu proudu; je to modul, který dodává napájení řídicí jednotce letu. Připojuje se k vysokonapěťovým lithiumovým bateriím a poskytuje stabilní napětí pro napájení řídicí jednotky letu. Snímač proudu pro Pixhawk 4 (jak je znázorněno na obrázku) integruje ještě více funkcí, slouží jako rozbočovač pro napájení ESC (funguje jako distribuční deska napájení) a jako adaptér pro řídicí jednotku letu (rozšiřuje více pinů z řídicí jednotky letu, aby pomohl zmenšit její velikost).
6. Baterie
Baterie je zdrojem energie dronu, speciálně navržená pro vysoký výstupní výkon a efektivitu. "1S" označuje jednu lithium-iontovou bateriovou článek v sérii (drony používají lithium-iontové baterie zapojené v sérii). Například baterie 3S se skládá ze tří lithium-iontových článků v sérii. Čím větší dron, tím vyšší napětí je potřeba. Například dron velikosti 450 obvykle používá lithium-iontovou baterii 3S nebo 4S, dron velikosti 680 používá lithium-iontovou baterii 6S a velmi velké drony (s rozvorem přes 1000 mm) mohou používat lithium-iontovou baterii 12S.
Každá lithium-iontová bateriová článek má plné nabití napětí 4,2 V a nominální napětí 3,7 V. Proto když baterie dosáhne svého maximálního napětí (4,2 V na článek), je plně nabitá, a když dosáhne svého minimálního napětí (3,7 V na článek), neměla by být dále používána, aby nedošlo k poškození.
Budoucí trendy dronů
1. Logistika a doručení
Od rychlého doručování každodenního zboží po včasnou přepravu nouzových lékařských zásob a dokonce i jako „romantičtí poslové“ přinášející překvapení a teplo, průmysl dronové logistiky a doručování se tiše integroval do každodenního života lidí. Například společnosti jako DoorDash a Wing již začaly testovat služby doručování drony, aby zvýšily rychlost a efektivitu. V budoucnu by se drony mohly stát běžnými nástroji pro expresní doručování, zejména v městském prostředí a těžko dostupných oblastech. (Homepage | Defensebridge)
2. Veřejná bezpečnost a vymáhání práva
Použití dronů v oblasti veřejné bezpečnosti a prosazování práva se také rozšiřuje. Policie může využívat drony pro dohled, sledování a nouzové zásahy. Například společnost Aerodome začala používat drony na místech trestných činů k poskytování videa a dat v reálném čase. Tato technologie může zvýšit efektivitu a bezpečnost orgánů činných v trestním řízení.(MIT News) (Pilot Institute)
3. Monitorování a údržba infrastruktury
Drony mají významný potenciál v monitorování a údržbě infrastruktury. Mohou být použity k inspekci mostů, potrubí, elektrických vedení a budov, což poskytuje efektivní a nákladově výhodná řešení. Například ve Velké Británii existují plány na vybudování dronové "superdálnice" na podporu využití dronů v logistice a monitorování infrastruktury.(MIT News)
4. Zemědělství
Zemědělství je další důležitou oblastí pro využití dronů. Drony lze použít pro monitorování plodin, řízení škůdců a precizní hnojení. Jsou schopny poskytovat vysoce kvalitní snímky a data, která pomáhají farmářům zvyšovat výnosy a snižovat plýtvání zdroji.
5. Zábava a vzdělávání
Použití dronů v zábavě a vzdělávání také roste. Například Lego uspořádalo světelnou show s drony, která představila dětské návrhy vesmírných lodí. To ukazuje kreativní využití dronů v zábavě a vzdělávání.(Homepage | Defensebridge)
6. Chytrá města
Drony budou hrát důležitou roli v budoucích chytrých městech. Mohou být použity pro monitorování dopravy, environmentální dohled a veřejné služby. Integrací s zařízeními Internetu věcí (IoT) mohou drony poskytovat data v reálném čase, která pomohou městským manažerům činit lepší rozhodnutí. (MIT News)
7. Technologický a regulační vývoj
Jak technologie dronů postupuje, nové algoritmy a technologie umělé inteligence dále zvýší autonomii a efektivitu dronů. Například nové algoritmy vyvinuté MIT mohou pomoci dronům efektivněji zvládat úkoly v složitých prostředích.(Pilot Institute) Kromě toho, jak se rozšiřují aplikace dronů, související předpisy a politiky budou nadále zdokonalovány, aby byla zajištěna bezpečnost a ochrana soukromí při provozu dronů.
Drony se staly důležitou podporou rozvoje ekonomiky nízkých výšek
Jako vedoucí odvětví v ekonomice nízkých výšek mají drony roční míru růstu přesahující 20 %, stávají se novým růstovým bodem národní ekonomiky. Poskytují nové prostředky pro sociální veřejné služby, účinně podporují modernizaci schopností a systémů vládního řízení. Drony také nabízejí nový prostor pro regionální ekonomický rozvoj, optimalizují regionální ekonomické uspořádání a podporují trojrozměrný regionální ekonomický růst.
Důrazné podporování rozvoje nízkoletové ekonomiky nejen pomáhá rozšiřovat tržní prostor, ale také naplňuje vnitřní poptávku po kvalitním rozvoji. Nízkoletová ekonomika dědí tradiční režimy všeobecného letectví a zároveň integruje nové nízkoletové výrobní služby podporované drony. Využívajíc informační a digitální řídicí technologie, vytváří vysoce dynamickou a kreativní komplexní ekonomickou formu, která umožňuje a podporuje koordinovaný rozvoj v různých oblastech. Pro dosažení lepšího rozvoje nízkoletové ekonomiky je otevřenost nízkoletového prostoru nevyhnutelným trendem. Budování městských nízkoletových vzdušných cest na podporu rozsáhlého a komerčního rozvoje aplikací dronů, nízkoletová ekonomika reprezentovaná drony se také očekává jako nový motor pohánějící sociální a ekonomický růst.
