Historyczny rozwój dronów
Rozwój dronów rozpoczął się krótko po zakończeniu I wojny światowej. Po II wojnie światowej wiele potęg wojskowych na całym świecie niezależnie przekształciło różne wycofane z eksploatacji samoloty bojowe w drony-celowniki, co zapoczątkowało nowoczesny rozwój dronów. Dzięki postępom w technologii elektronicznej drony coraz częściej wykazywały swoją przewagę w misjach rozpoznawczych. Na przykład podczas wojny w Wietnamie wojsko USA często używało dronów do rozpoznawania celów o wysokiej wartości lub silnie bronionych na polu bitwy.
Najnowsze wydarzenia w branży
Konferencja „8. Światowa Konferencja Dronów 2024 oraz Międzynarodowe Targi Gospodarki Niskiego Lotu i Systemów Bezzałogowych / 9. Międzynarodowa Wystawa Dronów w Shenzhen / Wystawa Technologii Autonomicznej Jazdy i Pojazdów Bezzałogowych”, pod hasłem „Gospodarka Niskiego Lotu, Przyszłość Jest Tutaj”, zakończyła się sukcesem pod koniec maja w Shenzhen, stolicy dronów. W konferencji wzięło udział ponad 10 000 ekspertów branżowych, naukowców i przedsiębiorców z ponad 110 krajów i regionów. Wydarzenie obejmowało ponad 30 równoległych forów oraz ponad 60 spotkań wymiany produktów i technologii, poruszając tematy takie jak drony i gospodarka niskiego lotu, cyfrowy transport niskiego lotu, usługi lotów niskiego lotu, innowacje i zastosowania technologii eVTOL, otwartość i zarządzanie przestrzenią powietrzną niskiego lotu, drony ratunkowe w logistyce, roboty AI, załogowe i bezzałogowe statki powietrzne, latające samochody niskiego lotu, bezzałogowe pojazdy niskiej prędkości oraz wodne systemy bezzałogowe.
Obecnie przemysł dronów to także nowy sektor wysokich technologii obejmujący liczne dziedziny, od badań i rozwoju produktów, produkcji i wytwarzania, po zastosowania przemysłowe, zarządzanie i usługi. Łańcuch przemysłowy obejmuje wiele obszarów zaawansowanych technologii. Górny strumień obejmuje głównie nowe materiały, takie jak materiały kompozytowe do korpusów dronów, wyposażenie do przenoszenia broni, systemy sterowania, urządzenia do startu i odzyskiwania oraz inne komponenty. Rynki dolnego strumienia to głównie sektor wojskowy i cywilny, z naciskiem na zastosowania wojskowe, ale także obejmujące badania naukowe, rolnictwo, energetykę, transport, meteorologię i wiele innych branż. Istnieje ogromny potencjał rozwoju również w sektorze cywilnym.
Niezależnie od tego, czy chodzi o współpracę DoorDash i Wing w zakresie usług dostaw dronami w Wirginii, pokaz świetlny dronów Lego prezentujący projekty statków kosmicznych dzieci, plan Wielkiej Brytanii budowy dronowej "superautostrady", czy inicjatywę Aerodome wykorzystującą drony do reagowania na miejsca przestępstw, wszystkie te przykłady pokazują coraz szersze zastosowanie dronów w różnych dziedzinach. Nawet brutalny konflikt między dwoma krajami Bliskiego Wschodu w 2020 roku podkreślił znaczącą rolę dronów, gdy niezliczeni obserwatorzy zrozumieli dzięki różnym raportom platform, że istota przyszłego rozwoju tkwi w dronach: ci, którzy kontrolują drony, będą dominować! Następne 10-20 lat ma być złotym okresem rozwoju dronów, z rosnącym popytem na rynku i ciągłymi przełomami w zaawansowanej technologii, oferując ogromny potencjał wzrostu.
Wprowadzenie do komponentów sprzętowych i struktury drona
1. Rama
Rama jest szkieletem drona, wspierającym wszystkie komponenty elektroniczne. Jak pokazano na obrazku, wszystkie komponenty elektroniczne są przymocowane do ramy, aby działać prawidłowo. Rozmiar ramy określa rozstaw osi, przy czym większe ramy wymagają mocniejszych silników i większych śmigieł; w przeciwnym razie dron nie może wystartować. Obecnie ramy są głównie wykonane z plastiku i włókna węglowego. Włókno węglowe ma lepsze właściwości mechaniczne, ale jest droższe.
2. Śmigła
Śmigła mają określone modele, a zgodnie z zasadami fizyki, moment bezwładności obrotowej śmigła (względem osi obrotu) jest w przybliżeniu proporcjonalny do piątej potęgi promienia. Dlatego większe śmigła reagują wolniej i mają mniejszą zdolność do zmiany swojego stanu ruchu (czyli prędkości obrotowej). Śmigła występują również w wersjach obracających się zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Gdy pojedyncze śmigło jest napędzane przez silnik, generuje siłę powodującą obrót drona wokół osi centralnej w poziomie. Aby temu przeciwdziałać, różne śmigła muszą być ustawione do obracania się w różnych kierunkach; w przeciwnym razie dron wielowirnikowy ciągle by się obracał po starcie. Jednak na podstawie tej zasady prędkość obrotowa może być używana do kontrolowania ruchu yaw drona. Zazwyczaj mniejsze śmigła o wysokich prędkościach obrotowych przyczyniają się do zwiększenia stabilności, pozwalając dronowi latać bardziej stabilnie, ale odbywa się to kosztem krótszej wytrzymałości.
3. Silniki
Silniki używane w dronach to specjalistyczne trójfazowe silniki bezszczotkowe. Te silniki mają trzy zaciski (bez dodatniej lub ujemnej polaryzacji, co pozwala na odwrócenie kierunku obrotów przez przełączenie dowolnych dwóch zacisków). Obracają się w jednym kierunku, mają dużą moc, niskie tarcie i mogą zapewnić znaczny udźwig.
Wartość KV silnika wskazuje liczbę obrotów na minutę (RPM), które silnik wykona na każdy wolt przy braku obciążenia. Na przykład silnik 400KV oznacza, że przy 1V silnik obróci się 400 razy na minutę bez żadnego obciążenia.
Silniki bezszczotkowe tej samej serii i wymiarów fizycznych będą wykazywać różne charakterystyki KV w zależności od liczby zwojów uzwojenia. Silniki z większą liczbą zwojów mają niższą wartość KV, co skutkuje niższym maksymalnym prądem wyjściowym i wyższym momentem obrotowym. Natomiast silniki z mniejszą liczbą zwojów mają wyższą wartość KV, co skutkuje wyższym maksymalnym prądem wyjściowym i niższym momentem obrotowym.
Jednak wyższa wartość KV nie zawsze oznacza lepszą wydajność. Przy tej samej mocy wyższa wartość KV oznacza, że silnik zapewnia mniejszy moment obrotowy. Dlatego silniki o wysokim KV są łączone z mniejszymi śmigłami, a silniki o niskim KV z większymi śmigłami. Na przykład silnik 380KV zazwyczaj używa śmigła o średnicy 16 cali, podczas gdy silnik 980KV używa śmigła o średnicy 10 cali. Jeszcze wyższe silniki KV mogą być wyposażone w małe śmigła o średnicy 6 lub 4 cali lub używane jako wentylatory kanałowe (stosowane w samolotach o stałym skrzydle, takich jak myśliwce, do napędu tylnego).
4. Elektroniczne regulatory prędkości (ESC)
Elektroniczne regulatory prędkości (ESC) to urządzenia elektroniczne, które odbierają sygnały sterujące PWM i regulują prędkość silników. Mogą przyjmować sygnały PWM z kontrolera lotu Pixhawk lub odbiornika sygnału, a następnie kontrolować obrót silnika. Obecnie drony wielowirnikowe powszechnie korzystają z marki Hobbywing, a modele Letai są specjalnie zaprojektowane do użytku wielowirnikowego.
Jak pokazano na obrazku, ESC ma trzy rodzaje przewodów. Trzy czarne okrągłe złącza (znane jako wtyki bananowe, jak pokazano na drugim obrazku powyżej) łączą się z silnikiem bezszczotkowym bez względu na polaryzację; odwrócenie dowolnych dwóch połączeń spowoduje zmianę kierunku obrotu silnika. Długie, grube czarne i czerwone przewody łączą się z zasilaniem, przy czym czarny przewód jest podłączony do masy (ujemny), a czerwony do Vcc (dodatni). Bardzo ważne jest, aby nie odwracać tych połączeń, ponieważ spowoduje to uszkodzenie ESC po podłączeniu zasilania.
Na koniec, skręcone czarne i białe przewody to przewody sygnałowe, które odbierają sygnały sterujące i regulują prąd. Czarny przewód to uziemienie, a biały przewód to linia sygnałowa, która łączy się z odbiornikiem sygnału lub wyjściem kontrolera lotu.
5. Czujnik prądu
Czujnik prądu to nie tylko urządzenie wyświetlające wartość prądu; jest to moduł dostarczający zasilanie do kontrolera lotu. Łączy się z wysokonapięciowymi bateriami litowymi i dostarcza stabilne napięcie do zasilania kontrolera lotu. Czujnik prądu do Pixhawk 4 (jak pokazano na zdjęciu) integruje jeszcze więcej funkcji, służąc jako centrum zasilania ESC (działając jak płytka rozdzielcza zasilania) oraz jako płytka adaptera dla kontrolera lotu (rozszerzając wiele pinów z kontrolera lotu, co pomaga zmniejszyć jego rozmiar).
6. Bateria
Bateria jest źródłem zasilania drona, specjalnie zaprojektowana do wysokiego prądu rozładowania i efektywności. "1S" oznacza pojedynczą ogniwo litowe połączone szeregowo (drony używają baterii litowych połączonych szeregowo). Na przykład bateria 3S składa się z trzech ogniw litowych połączonych szeregowo. Im większy dron, tym wyższe napięcie jest wymagane. Na przykład dron o rozmiarze 450 zazwyczaj używa baterii litowej 3S lub 4S, dron o rozmiarze 680 używa baterii litowej 6S, a bardzo duże drony (z rozstawem osi powyżej 1000 mm) mogą używać baterii litowej 12S.
Każda ogniwo baterii litowej ma pełne napięcie ładowania wynoszące 4,2 V oraz nominalne napięcie 3,7 V. Dlatego, gdy bateria osiąga swoje maksymalne napięcie (4,2 V na ogniwo), jest w pełni naładowana, a gdy osiąga minimalne napięcie (3,7 V na ogniwo), nie powinna być już używana, aby zapobiec uszkodzeniom.
Przyszłe trendy w dronach
1. Logistyka i Dostawa
Od szybkiej dostawy codziennych towarów po terminowy transport awaryjnych materiałów medycznych, a nawet pełnienie roli "romantycznych posłańców" dostarczających niespodzianki i ciepło, branża logistyki i dostaw dronami cicho zintegrowała się z codziennym życiem ludzi. Na przykład firmy takie jak DoorDash i Wing już rozpoczęły testy usług dostaw dronami, aby zwiększyć szybkość i efektywność. W przyszłości drony mogą stać się powszechnymi narzędziami do ekspresowej dostawy, zwłaszcza w środowiskach miejskich i trudno dostępnych miejscach. (Homepage | Defensebridge)
2. Bezpieczeństwo publiczne i egzekwowanie prawa
Zastosowanie dronów w bezpieczeństwie publicznym i egzekwowaniu prawa również się rozszerza. Departamenty policji mogą wykorzystywać drony do nadzoru, śledzenia i reagowania w sytuacjach awaryjnych. Na przykład Aerodome zaczęło używać dronów na miejscach przestępstw, aby zapewnić wsparcie wideo i danych w czasie rzeczywistym. Ta technologia może zwiększyć efektywność i bezpieczeństwo agencji egzekwujących prawo.(MIT News) (Pilot Institute)
3. Monitorowanie i konserwacja infrastruktury
Drony mają znaczący potencjał w monitorowaniu i utrzymaniu infrastruktury. Mogą być wykorzystywane do inspekcji mostów, rurociągów, linii energetycznych i budynków, zapewniając efektywne i opłacalne rozwiązania. Na przykład w Wielkiej Brytanii planuje się budowę dronowej "superautostrady" wspierającej wykorzystanie dronów w logistyce i monitorowaniu infrastruktury.(MIT News)
4. Rolnictwo
Rolnictwo to kolejna ważna dziedzina zastosowań dronów. Drony mogą być wykorzystywane do monitorowania upraw, zwalczania szkodników oraz precyzyjnego nawożenia. Są w stanie dostarczać obrazy i dane o wysokiej rozdzielczości, pomagając rolnikom zwiększać plony i ograniczać marnotrawstwo zasobów.
5. Rozrywka i Edukacja
Zastosowanie dronów w rozrywce i edukacji również rośnie. Na przykład Lego zorganizowało pokaz świetlny z dronami, prezentujący projekty statków kosmicznych dzieci. Pokazuje to kreatywne wykorzystanie dronów w rozrywce i edukacji.(Strona główna | Defensebridge)
6. Inteligentne miasta
Drony odegrają ważną rolę w przyszłych inteligentnych miastach. Mogą być wykorzystywane do monitorowania ruchu, nadzoru środowiskowego oraz usług publicznych. Poprzez integrację z urządzeniami Internetu Rzeczy (IoT), drony mogą dostarczać dane w czasie rzeczywistym, pomagając zarządcom miast podejmować lepsze decyzje. (MIT News)
7. Rozwój technologiczny i regulacyjny
W miarę rozwoju technologii dronów, nowe algorytmy i technologie sztucznej inteligencji będą dalej zwiększać autonomię i efektywność dronów. Na przykład nowe algorytmy opracowane przez MIT mogą pomóc dronom w bardziej efektywnym wykonywaniu zadań w złożonych środowiskach.(Pilot Institute) Dodatkowo, w miarę rozszerzania zastosowań dronów, odpowiednie przepisy i polityki będą nadal udoskonalane, aby zapewnić bezpieczeństwo i ochronę prywatności operacji dronów.
Drony stały się ważnym wsparciem dla rozwoju gospodarki niskiego pułapu
Jako wiodąca branża w gospodarce niskiego pułapu, drony mają roczny wskaźnik wzrostu przekraczający 20%, stając się nowym punktem wzrostu dla gospodarki narodowej. Zapewniają nowe środki dla społecznych usług publicznych, skutecznie wspierając modernizację zdolności i systemów zarządzania rządem. Drony oferują również nową przestrzeń dla rozwoju gospodarczego regionów, optymalizując regionalny układ gospodarczy i promując trójwymiarowy wzrost gospodarczy regionu.
Energetyczne promowanie rozwoju gospodarki niskiego pułapu nie tylko pomaga rozszerzyć przestrzeń rynkową, ale także odpowiada na wewnętrzne zapotrzebowanie na wysokiej jakości rozwój. Gospodarka niskiego pułapu dziedziczy tradycyjne tryby lotnictwa ogólnego, integrując jednocześnie nowe usługi produkcyjne na niskim pułapie wspierane przez drony. Opierając się na technologiach informacyjnych i cyfrowego zarządzania, tworzy wysoce dynamiczną i kreatywną kompleksową formę gospodarczą, która uwzględnia i promuje skoordynowany rozwój w wielu dziedzinach. Aby osiągnąć lepszy rozwój gospodarki niskiego pułapu, otwartość na niskim pułapie jest nieuniknionym trendem. Budowa miejskich dróg powietrznych na niskim pułapie wspierających masowy i komercyjny rozwój zastosowań dronów, gospodarka niskiego pułapu reprezentowana przez drony ma również szansę stać się nowym silnikiem napędzającym wzrost społeczny i gospodarczy.
