Dronejen historiallinen kehitys
Dronejen kehitys alkoi pian ensimmäisen maailmansodan jälkeen. Toisen maailmansodan jälkeen monet sotilasmahdithat eri puolilla maailmaa muunsivat itsenäisesti erilaisia eläkkeelle jääneitä taistelulentokoneita kohdedroneiksi, mikä käynnisti dronejen nykyaikaisen kehityksen. Elektroniikkateknologian edistyessä dronet osoittivat yhä enemmän ylivoimaisuuttaan tiedustelutehtävissä. Esimerkiksi Vietnamin sodan aikana Yhdysvaltain armeija käytti usein droneja korkean arvon tai vahvasti puolustettujen kohteiden tarkkailuun taistelukentällä.
Viimeaikaiset alan kehitykset
"Vuoden 2024 8. maailman drone-konferenssi ja kansainvälinen matalalentotalouden ja miehittämättömien järjestelmien näyttely / 9. Shenzhenin kansainvälinen drone-näyttely / autonomisen ajamisen ja miehittämättömien ajoneuvojen teknologian näyttely", jonka teemana oli "Matalalentotalous, tulevaisuus on täällä", päättyi menestyksekkäästi toukokuun lopussa Shenzhenissä, drone-pääkaupungissa. Konferenssiin osallistui yli 10 000 alan asiantuntijaa, tutkijaa ja yrittäjää yli 110 maasta ja alueelta. Tapahtumassa oli yli 30 rinnakkaista foorumia ja yli 60 tuote- ja teknologiavaihtotilaisuutta, jotka käsittelivät aiheita kuten dronet ja matalalentotalous, matalalentoinen digitaalinen liikenne, matalalentopalvelut, eVTOL-teknologian innovaatio ja sovellukset, matalalentotilan avoimuus ja hallinta, logistiikan hätätilanteiden dronet, tekoälyrobotit, miehitetyt ja miehittämättömät ilma-alukset, matalalentoiset lentävät autot, matalanopeuksiset miehittämättömät ajoneuvot ja vesistöjen miehittämättömät järjestelmät.
Tällä hetkellä drone-teollisuus on myös uusi korkean teknologian ala, joka kattaa lukuisia aloja, aina tuotekehityksestä, tuotannosta ja valmistuksesta teollisuuden käyttöön, hallintaan ja palveluihin. Teollisuusketju ulottuu monille korkean teknologian alueille. Ylävirrassa ovat pääasiassa uudet materiaalit, kuten komposiittimateriaalit dronejen runkoihin, aseiden kantolaitteet, ohjausjärjestelmät, laukaisu- ja palautuslaitteet sekä muut komponentit. Alavirran markkinat ovat pääasiassa sotilaallisia ja siviilejä, painottuen sotilaskäyttöön, mutta mukaan kuuluvat myös tieteellinen tutkimus, maatalous, energia, liikenne, meteorologia ja monet muut alat. Siviilipuolella on myös valtava kehityspotentiaali.
Olipa kyse DoorDashin ja Wingin yhteistyöstä Virginiaan drone-toimituspalveluissa, Legon drone-valonäytöksestä, joka esittelee lasten avaruusalussuunnitelmia, Iso-Britannian suunnitelmasta rakentaa dronejen "supermoottoritie" tai Aerodomen aloitteesta käyttää droneja rikospaikkojen hätätilanteiden hoitoon, kaikki nämä esimerkit osoittavat dronejen yhä laajempaa käyttöä eri aloilla. Jopa raaka yhteenotto kahden Lähi-idän maan välillä vuonna 2020 korosti dronejen merkittävää roolia, kun lukemattomat sivustakatsojat ymmärsivät eri alustojen raporttien kautta, että tulevaisuuden kehityksen ydin on droneissa: ne, jotka hallitsevat droneja, hallitsevat kaikkea! Seuraavat 10–20 vuotta odotetaan olevan drone-kehityksen kultakausi, kun markkinoiden kysyntä kasvaa ja korkean teknologian läpimurrot jatkuvat, tarjoten valtavia kasvumahdollisuuksia.
Johdanto dronen laitteiston osiin ja rakenteeseen
1. Runko
Runko on dronen runko, joka tukee kaikkia elektronisia komponentteja. Kuvassa näkyy, että kaikki elektroniset osat on kiinnitetty runkoon, jotta ne toimivat oikein. Rungon koko määritellään akselivälillä, ja suuremmat rungot vaativat tehokkaampia moottoreita ja suurempia potkureita; muuten drone ei voi nousta ilmaan. Tällä hetkellä rungot ovat pääasiassa muovia ja hiilikuitua. Hiilikuidulla on paremmat mekaaniset ominaisuudet, mutta se on kalliimpaa.
2. Potkurit
Potkurit ovat tiettyjä malleja, ja fysiikan periaatteiden mukaan potkurin pyörimisliike (pyörimisakseliin nähden) on suunnilleen verrannollinen säteen viidenteen potenssiin. Siksi suuremmat potkurit reagoivat hitaammin eivätkä pysty yhtä hyvin muuttamaan liikkumistilaansa (eli pyörimisnopeuttaan). Potkureita on myös myötä- ja vastapäivään pyöriviä versioita. Kun moottori pyörittää yhtä potkuria, se tuottaa voiman, joka saa dronen pyörimään vaakasuunnassa keskiakselinsa ympäri. Tämän vastapainoksi potkurit on asetettava pyörimään eri suuntiin; muuten moniroottorinen drone pyörisi jatkuvasti nousun jälkeen. Tämän periaatteen perusteella pyörimisnopeutta voidaan käyttää dronen kääntymisen ohjaukseen. Yleisesti ottaen pienemmät, korkealla pyörimisnopeudella varustetut potkurit lisäävät vakautta, jolloin drone lentää tasaisemmin, mutta tämä tapahtuu lyhyemmän lentoaikakeston kustannuksella.
3. Moottorit
Droneissa käytettävät moottorit ovat erikoistuneita kolmivaiheisia harjattomia moottoreita. Näissä moottoreissa on kolme napaa (ilman positiivista tai negatiivista napaisuutta, mikä mahdollistaa pyörimissuunnan vaihtamisen kytkemällä kaksi napaa keskenään). Ne pyörivät yhteen suuntaan, tuottavat suuren tehon, vähäisen kitkan ja voivat tarjota merkittävän nostovoiman.
Moottorin KV-arvo ilmaisee kierrosten määrän minuutissa (RPM) per voltti, kun moottori on kuormittamaton. Esimerkiksi 400KV-moottori tarkoittaa, että 1 voltilla moottori pyörii 400 kertaa minuutissa ilman kuormaa.
Saman sarjan ja fyysisten mittojen harjattomat moottorit osoittavat erilaisia KV-ominaisuuksia käämien kierrosluvun mukaan. Moottoreilla, joissa on enemmän käämityskierroksia, on matalampi KV-arvo, mikä johtaa alhaisempaan maksimivirtaan ja korkeampaan vääntöön. Vastaavasti moottoreilla, joissa on vähemmän käämityskierroksia, on korkeampi KV-arvo, mikä johtaa korkeampaan maksimivirtaan ja alhaisempaan vääntöön.
Korkeampi KV-arvo ei kuitenkaan aina tarkoita parempaa suorituskykyä. Samalla teholla korkeampi KV-arvo tarkoittaa, että moottori tuottaa vähemmän vääntöä. Siksi korkean KV:n moottoreita käytetään pienempien potkurien kanssa ja matalan KV:n moottoreita suurempien potkurien kanssa. Esimerkiksi 380KV-moottori käyttää tyypillisesti 16-tuumaisen halkaisijan potkuria, kun taas 980KV-moottori käyttää 10-tuumaisen halkaisijan potkuria. Vielä korkeampien KV-arvojen moottoreissa voi olla 6- tai 4-tuumaiset pienet potkurit, tai niitä käytetään kanavatuulettimina (käytetään kiinteäsiipisissä lentokoneissa, kuten hävittäjissä, takavetoina).
4. Sähköiset nopeussäätimet (ESC:t)
Sähköiset nopeussäätimet (ESC:t) ovat elektronisia laitteita, jotka vastaanottavat PWM-ohjaussignaaleja ja säätelevät moottoreiden nopeutta. Ne voivat vastaanottaa PWM-signaaleja Pixhawk-lentokontrollerilta tai signaalivastaanottimelta ja ohjata moottorin pyörimistä. Tällä hetkellä moniroottoridroneissa käytetään yleisesti Hobbywingin merkkiä, ja Letai-mallit on erityisesti suunniteltu moniroottorikäyttöön.
Kuvassa näkyy, että ESC:ssä on kolme erilaista johtoa. Kolme mustaa pyöreää liitintä (tunnetaan banaanipistokkeina, kuten toisessa kuvassa yllä) kytkeytyvät harjattomaan moottoriin ilman napaisuusvaatimusta; kahden liitännän vaihtaminen kääntää moottorin pyörimissuuntaa. Pitkät, paksut musta ja punainen johto kytketään virtalähteeseen, musta johto maahan (miinus) ja punainen johto Vcc:hen (plus). Näiden kytkentöjen kääntäminen on erittäin tärkeää välttää, sillä se vahingoittaa ESC:tä, kun virta kytketään päälle.
Lopuksi, kiertyneet mustat ja valkoiset johdot ovat signaalijohtoja, jotka vastaanottavat ohjaussignaaleja ja säätelevät virtaa. Musta johto on maa, ja valkoinen johto on signaalilinja, joka yhdistetään signaalivastaanottimeen tai lentokontrollerin lähtöpäähän.
5. Virrananturi
Virrananturi ei ole pelkästään laite, joka näyttää virran arvon; se on moduuli, joka syöttää virtaa lentokontrollerille. Se kytketään korkeajännitteisiin litiumakkuihin ja tuottaa vakaan jännitteen lentokontrollerin ohjaamiseksi. Pixhawk 4:n virrananturi (kuvassa) yhdistää vielä enemmän toimintoja, toimien keskuksena ESC:iden virtalähteenä (toimien kuin virtajakelulevy) ja sovitinlevynä lentokontrollerille (laajentaen useita nastoja lentokontrollerista auttaen pienentämään sen kokoa).
6. Akku
Akku on dronen virtalähde, erityisesti suunniteltu korkeaan purkaustehoon ja tehokkuuteen. "1S" tarkoittaa yhtä litiumkennoa sarjassa (dronet käyttävät sarjaan kytkettyjä litiumakkuja). Esimerkiksi 3S-akku koostuu kolmesta litiumkennosta sarjassa. Mitä suurempi drone, sitä korkeampi jännite vaaditaan. Esimerkiksi 450-kokoinen drone käyttää tyypillisesti 3S- tai 4S-litiumakkua, 680-kokoinen drone käyttää 6S-litiumakkua, ja erittäin suuret dronet (pyöräväli yli 1000 mm) voivat käyttää 12S-litiumakkua.
Jokaisella litiumakunsolulla on täyteen ladattu jännite 4,2 V ja nimellisjännite 3,7 V. Siksi kun akku saavuttaa maksimijännitteen (4,2 V per solu), se on täysin ladattu, ja kun se saavuttaa minimijännitteen (3,7 V per solu), sitä ei tulisi enää käyttää vaurioiden estämiseksi.
Droonien tulevaisuuden suuntaukset
1. Logistiikka ja toimitus
Nopeasta arkipäiväisten tavaroiden toimituksesta hätätilanteiden lääkintätarvikkeiden oikea-aikaiseen kuljetukseen ja jopa "romanttisten sanansaattajien" rooliin yllätyksiä ja lämpöä tuomassa, drone-logistiikka ja -toimitusala on hiljalleen sulautunut ihmisten arkeen. Esimerkiksi yritykset kuten DoorDash ja Wing ovat jo aloittaneet drone-toimituspalvelujen testaamisen nopeuden ja tehokkuuden parantamiseksi. Tulevaisuudessa droneista voi tulla yleisiä pikakuljetuksen työkaluja, erityisesti kaupunkiympäristöissä ja vaikeasti saavutettavilla alueilla. (Homepage | Defensebridge)
2. Julkinen turvallisuus ja lainvalvonta
Droonien käyttö julkisessa turvallisuudessa ja lainvalvonnassa laajenee myös. Poliisilaitokset voivat käyttää droneja valvontaan, seurantaan ja hätätilanteisiin vastaamiseen. Esimerkiksi Aerodome on alkanut käyttää droneja rikospaikoilla tarjotakseen reaaliaikaista videota ja datatukea. Tämä teknologia voi parantaa lainvalvontaviranomaisten tehokkuutta ja turvallisuutta.(MIT News) (Pilot Institute)
3. Infrastruktuurin valvonta ja ylläpito
Droonit tarjoavat merkittäviä mahdollisuuksia infrastruktuurin valvontaan ja ylläpitoon. Niitä voidaan käyttää siltojen, putkistojen, sähkölinjojen ja rakennusten tarkastamiseen, tarjoten tehokkaita ja kustannustehokkaita ratkaisuja. Esimerkiksi Isossa-Britanniassa on suunnitelmia rakentaa droonien "superväylä" tukemaan droonien käyttöä logistiikassa ja infrastruktuurin valvonnassa.(MIT News)
4. Maatalous
Maatalous on toinen tärkeä droonien sovellusalue. Droonit voivat olla avuksi kasvien seurannassa, tuholaistorjunnassa ja tarkassa lannoituksessa. Ne pystyvät tarjoamaan korkearesoluutioisia kuvia ja dataa, mikä auttaa viljelijöitä lisäämään satoja ja vähentämään resurssien hukkaa.
5. Viihde ja koulutus
Droonien käyttö viihteessä ja koulutuksessa kasvaa myös. Esimerkiksi Lego järjesti droonivalonäytöksen, jossa esiteltiin lasten avaruusalussuunnitelmia. Tämä osoittaa droonien luovan käytön viihteessä ja koulutuksessa.(Homepage | Defensebridge)
6. Älykaupungit
Droonit tulevat näyttelemään tärkeää roolia tulevaisuuden älykaupungeissa. Niitä voidaan käyttää liikenteen valvontaan, ympäristön seurantaan ja julkisiin palveluihin. Yhdistämällä ne esineiden internetin (IoT) laitteisiin, droonit voivat tarjota reaaliaikaista dataa, joka auttaa kaupunkien johtajia tekemään parempia päätöksiä. (MIT News)
7. Teknologiset ja sääntelyyn liittyvät kehitykset
Drone-teknologian kehittyessä uudet algoritmit ja tekoälyteknologiat parantavat entisestään dronejen autonomiaa ja tehokkuutta. Esimerkiksi MIT:n kehittämät uudet algoritmit voivat auttaa droneja hoitamaan tehtäviä monimutkaisissa ympäristöissä tehokkaammin.(Pilot Institute) Lisäksi dronejen sovellusten laajentuessa niihin liittyviä säädöksiä ja politiikkoja kehitetään jatkuvasti varmistaen drone-toimintojen turvallisuus ja yksityisyyden suoja.
Dronet ovat muodostuneet tärkeäksi tueksi matalalentotalouden kehitykselle
Droneista, matalalentotalouden johtavasta alasta, on tullut kansantalouden uusi kasvupiste, jonka vuotuinen kasvuvauhti ylittää 20 %. Ne tarjoavat uusia keinoja yhteiskunnan julkisiin palveluihin ja tukevat tehokkaasti hallinnon modernisointia ja järjestelmien kehittämistä. Dronet tarjoavat myös uutta tilaa alueelliselle talouskehitykselle, optimoiden alueellista talousrakennetta ja edistäen kolmiulotteista alueellista talouskasvua.
Matalalentotalouden kehityksen voimakas edistäminen ei ainoastaan laajenna markkinatilaa, vaan myös vastaa laadukkaan kehityksen luontaiseen tarpeeseen. Matalalentotalous perii perinteiset yleisilmailun toimintamallit samalla kun se integroi dronejen tukemia uusia matalalentotuotantopalveluja. Luottaen tieto- ja digitaalisen hallinnan teknologioihin, se muodostaa erittäin dynaamisen ja luovan kokonaisvaltaisen talousmuodon, joka mahdollistaa ja edistää monialojen koordinoitua kehitystä. Matalalentotalouden parempaan kehitykseen pääsemiseksi matalalentojen avoimuus on väistämätön suuntaus. Kaupunkien matalalentoreittien rakentaminen tukemaan drone-sovellusten laajamittaista ja kaupallista kehitystä, matalalentotalous, jota drone edustaa, odotetaan myös muodostuvan uudeksi moottoriksi, joka vauhdittaa yhteiskunnallista ja taloudellista kasvua.
