Drony

I. Przegląd konstrukcji i układów zasilania dronów

Drony, czym tak naprawdę są ? Skąd się wzięły ? Jak można je zasilać ?
Coraz więcej osób korzysta z dronów ale czy zdaje sobie sprawę ile o nich wie. W tym krótkim artykule chciałbym przekazać trochę informacji na ich temat. Największą uwagę poświeciłem źródłom zasilania dronów ze względu na to, że jest to największe ograniczenie tych urządzeń pod względem konstrukcyjnym.

1. Rodzaje bezzałogowych statków powietrznych

Bezzałogowy statek powietrzy jest to obiekt latający nieposiadający osoby pilotującej na pokładzie, również nie ma możliwości zabrania na pokład pasażerów. Taki obiekt sterowany jest zdalnie lub jest autonomiczny. Powszechnie stosowaną nazwą jest dron – pojazd sterowny drogą radiową. „Technicznie rzecz ujmując, drony wylatują poza zasięg wzroku i mają możliwość działania autonomicznego (autopilot)” [1].
Rodzajów podziału tego typu urządzeń jest dużo; klasyfikacji można dokonać ze względu na: zastosowanie, zasięg, wielkość obiektu, układ nośny, układ aerodynamiczny, napęd, sposób startu czy sposób lądowania. Najbardziej przejrzystym podziałem jest uporządkowanie według typu [2]:

   śmigłowce:
– śmigłowce jednowirnikowe,
– śmigłowce dwuwirnikowe,
wielowirnikowce:
– quadrocoptery
– hexacoptery
– octocoptery
samoloty:
– samoloty zasilane,
– szybowce,
– motoszybowce.
Śmigłowiec to rodzaj wiropłatu, silnik lub silniki obracają odpowiednio wyprofilowanymi łopatami znajdującymi się powyżej całej konstrukcji. Obracający wirnik wytwarza siłę nośną, która pozwala na przemieszczanie się danego modelu. Śmigłowce jednowirnikowe posiadają tylko jedno śmigło osadzone na wale silnika. Śmigłowce dwuwirnikowe konstrukcyjnie mogą być różne z dwoma śmigłami osadzonymi na wspólnym wale lub dwa niezależne silniki napędzające łopaty, najczęściej rozłożone z przodu i z tyłu śmigłowca.
Wielowirnikowce to urządzenia, które swoją budową mogą znaczenie różnić się od siebie; rodzajów ich jest wiele, różnią się również materiałami z jakich są wykowane. Posiadają one w zależności od konstrukcji liczbę ramion, na których umiejscowione są silniki zasilające śmigła. Na przemieszczanie się takiego obiektu pozwala podobnie jak w śmigłowcach siła nośna, która wytwarza się na skutek obrotu odpowiednio wyprofilowanych łopat. Rozróżnia się trzy typy wielowirnikowców: quadrocoptery posiadające cztery ramiona, na których osadzone są silniki napędzające śmigła; hexacoptery zasilane sześcioma silnikami oraz octocoptery zbudowane z ośmiu ramion.
Samoloty są to statki powietrzne, które wykorzystują wytworzoną siłę nośnią do utrzymania się w powietrzu. W odróżnieniu od pozostałych grup w tym przypadku do latania wykorzystywane są skrzydła, a nie śmigła. Obiekty te wykorzystują silniki jedynie do utrzymania odpowiedniej prędkości w locie. Wyróżnia się trzy kategorie: samoloty zasilane – jest to grupa obiektów wykorzystujących silnika do ciągu, który gwarantuje utrzymanie odpowiedniej prędkości lotu; szybowce, które nie posiadają silników wykorzystują tylko siłę natury do przemieszczania się i ostatnia grupa to motoszybowce, które posiadają silniki do wspomagania w czasie lotu, taka maszyna może zarówno lecieć z włączonymi jak i wyłączonymi silnikami.
Wszystkie typy bezzałogowych statków powietrznych w mniejszym lub większym stopniu różnią się od siebie konstrukcyjnie, lecz każdy bezzałogowy statek powietrzny musi posiadać kontroler lotu oraz nadajnik i odbiornik sterujący. Jest to wyposażenie, bez którego lot byłby niemożliwy. Oprócz szybowca, który nie posiada do poruszania własnego napędu niezbędne są jednostki napędowe oraz układy zasilające. Dodatkowe wyposażenie modelu jest dostosowywane indywidualnie do potrzeb jak i do prawidłowego funkcjonowania obiektu latającego [3].

2. Zastosowanie dronów

Pierwsze drony były stworzone przez służby wojskowe i to właśnie te służby jako pierwsze używały bezzałogowych statków powietrznych. Stworzenie dronów wojskowych przyniosło wiele korzyści. Drony były już wykorzystywane przez wojsko w czasie pierwszej wojny światowej. Ich zadaniem było szpiegowanie jak i ataki, dzięki ich zastosowaniu można było ograniczyć liczbę ofiar ale również ograniczyć koszty utrzymania takiej maszyny w porównaniu do tradycyjnego samolotu wojskowego. Choć niektóre źródła podają, że pierwszy dron powstał przed naszą erą: „Możemy powiedzieć, że protoplastą bezzałogowego statku powietrznego był latawiec, którego pierwsze udokumentowane użycie w celach innych niż rekreacyjne miało miejsce w 202 roku p.n.e. w Chinach przez Han Hsina, celem wyznaczenia kierunku kopania tuneli podziemnych na tyły przeciwnika i uderzenia na jego oddziały” [4]. Z biegiem lat można zauważyć coraz szersze zastosowanie bezzałogowych statków latających. Już nie tylko znajdują swoją „prace” w wojsku, ale również są wykorzystywane w działaniach cywilnych. Choć w Polsce nie jest jeszcze tak bardzo popularne zastępowanie obowiązków człowieka maszyną latającą to widoczne jest jak wielu modelarzy korzysta z dronów. Również coraz częściej wybierane są jako prezent dla najbliższej osoby.
Popularne zastosowanie dronów na świecie: fotografowanie, transport, oceny szkód, pomiary, monitoring, dziennikarstwo, obserwacja plaż, ratownictwo medyczne, geodezja i kartografia, badanie obszarów ciężko dostępnych z ziemi, akcje poszukiwawcze i inne.
Zastosowań tego typu urządzeń jest coraz więcej, można je spotkać w prawie w każdej branży. Wykorzystanie bezzałogowych statków powietrznych przynosi wiele korzyści. Poprzez wykorzystanie dronów w fotografii można złapać ciekawe ujęcia na które człowiek poświęcił by dużo czasu lub w ogóle by nie osiągnął takiego efektu. Dla osób obserwujących na przykład trakcje kolejowe takie urządzenie pozwali zaoszczędzić czas i pieniądze. Również rolnicy nie muszą już chodzić po polach, żeby doglądać plonów, wystarczy użyć dronów, które dokonają oględzin. Z powietrza można o wiele więcej wychwycić dobrym tego przykładem może być obserwacja plaż, w sezonie gdzie jest pełno osób na plażach dodatkowy monitoring z powietrza uchroni przed niebezpiecznymi wypadkami [5].

3. Metody zasilania dronów

Rozwijająca się gospodarka w coraz większym stopniu wykorzystuje bezemisyjne środki transportu, co prowadzi do wdrażania nowych rozwiązań pozyskiwania energii jak i jej magazynowania, w celu zwiększenia zasięgu pojazdu. O ile rozwiązań pojazdów lądowych jest dużo to ograniczone możliwości mają statki powietrzne. Biorąc pod uwagę jeszcze ograniczenia ich rozmiarów, udźwigów wybór odpowiedniego magazynu energii dla dronów staje się znacznie zawężony. Najpopularniejszym rozwiązaniem dla dronów jest zastosowanie elektrochemicznych magazynów energii, wśród których najważniejsze to akumulatory: litowo-jonowy, litowo-polimerowy, niklowo-metalowo-wodorkowy, niklowo-kadmowy. W tabeli 1. przedstawiono porównanie parametrów wymienionych akumulatorów.

Tab. 1. Porównanie parametrów wybranych akumulatorów [6]

Akumulatory litowo-polimerowe są najnowszym typem baterii, które zyskują największe uznanie wśród modelarzy, ale stosowane są również w wielu urządzeniach elektronicznych. Tego typu baterie charakteryzują się długim czasem pracy i dużą mocą lecz niestety, ze względu na swoją budowę, są bardzo narażone na przeładowania i łatwo je uszkodzić. Dlatego wybierając ten model trzeba dokładanie kontrolować proces ładowania. Budowa ogniw litowo-polimerowych jest zbliżona do ogniw litowo-jonowych jedyną różnicą jest to, że elektrolit nie jest płynny tylko ma postać stałą – polimeru. Taka zmiana w ogniwach pozwala w dużym stopniu na dostosowanie baterii do różnych kształtów, co jest dużym atutem podczas konstruowania urządzeń zasianych z akumulatora. „Pierwsze akumulatory litowo-polmerowe były ogniwami cylindrycznymi, natomiast zastąpienie ciekłego elektrolitu stałym otworzyło drogę do realizacji akumulatorów o niemal dowolnym krztałcie” [7].

Na rysunku 1. przedstawiono budowę ogniwa litowo-jonowego.

Rys. 1. Budowa akumulatora litowo-jonowego [7].

Pojedyncze ogniwo litowo-polimerowe ma znamionowe napięcie zasilania równe 3,7 V. Ogniwa w akumulatorze mogą być łączone zarówno w sposób szeregowy jak i równoległy. W przypadku połączeń szeregowych napięcie można obliczyć korzystając ze wzoru (1), natomiast gdy ogniwa są połączone równolegle napięcie całego pakietu jest równa napięciu pojedynczego ogniwa. Ilość ogniw w pakiecie oznaczana jest literą S w przypadku ogniw połączonych szeregowo i P w przypadku połączenia równoległego, układ z połączeniem szeregowo-równoległy zawiera w oznaczeniu obie litery. Wydajność prądową można wyliczyć po przez zastosowanie wzoru (2), na akumulatorze zawsze podawana jest informacja oznaczona symbolem C – co oznacza maksymalne natężenie prądu pobierane z akumulatora. Ważnym parametrem jest też podanie maksymalnego prądu ładowania jaki również jest wyrażany w postaci symbolu C – „To bezwymiarowy (nieokreślony żadną jednostką) parametr, który jest zapisany w formacie np. 25C” [8], obliczyć maksymalny prąd ładowania można zgodnie ze wzorem (3). Ostatnim z istotnych parametrów jest pojemość podawana zazwyczaj w mAh, ten parametr informuje przez jaki czas można pobierać prąd. Obliczyć pojemność można z zastosowania wzoru (4) [9].

Rysunek 2 przedstawia zależność prądu i napięcia od czasu podczas ładowania ogniwa litowo-polimerowego. Ładowanie przebiega w dwóch fazach: pierwsza to ładowanie stałym prądem, natomiast druga to przy stałym napięciu. Dzieje się tak ze względu, że początkowo napięcie wzrasta do wartości ustalonej, dopuszczalnej w danej temperaturze, po osiągnięciu tego napięcia przechodzi do drugiej fazy, co objawia się mniejszym prądem ładowania. Do ładowani akumulatorów są wykorzystywane specjalne ładowarki sterowane mikrokontrolerem, który monitoruje napięcia na poszczególnych ogniwach, żeby nie doszło do ich uszkodzenia [9].

Rys. 2. Ładowanie ogniwa litowo-polimerowego [9].

Podczas rozładowywania akumulatora również trzeba zwracać uwagę na nadmierne rozładowanie ogniwa co może skutkować elektrochemicznym uszkodzeniem akumulatora. Na rysunku 3 przedstawiającym rozładowanie akumulatora 6S1P prądem 2C, widoczne jest, że w momencie gwałtownego wzrostu prądu gwałtownie spada napięcie co jest niebezpieczne dla akumulatora. Ponadto można zauważyć jak po długim rozładowaniu gwałtownie spada napięcie do 3,2 V.

Rys. 3. Rozładowywanie akumulatora litowo-polimerowego [9].

Parametry akumulatorów elektrochemicznych różnią się w zależności od temperatury w jakiej pracują. Podczas pomiarów trzeba zwrócić uwagę w jakich warunkach pracuje układ zasilający z magazynem energii. W okresie jesienno-zimowym osiągi akumulatorów są znaczenie gorsze niż przy temperaturze 25˚C. Ogniwa litowe ulegają degradacji nie tylko w czasie pracy ale również podczas przechowywania. W funkcji czasu zmniejsza się pojemność akumulatora oraz wzrasta samorozładowanie – jest to proces straty energii, który objawia się na w skutek straty ładunku, który zgromadził akumulator. Głównymi przyczynami przyśpieszającymi starzenie są: ładowanie i rozładowywanie w nieoptymalnym zakresie temperatury, przechowywanie przez długi okres w pełni naładowanych ogniw, ich przeciążenia oraz „zmniejszeniem się aktywnej powierzchni interkalacyjnej katody oraz spadkiem koncentracji jonów litu w elektrolicie” [11]. Na rysunku 4. przedstawiono utraty pojemności na skutek zmiany temperatury w zależności od cykli. Można zauważyć istotny wpływ temperatury na pojemność akumulatora [9].

Rys. 4. Utrata pojemności względem cyklami ładowani i rozładowania [12,13].

Elektrochemiczne magazyny energii można w szczególnych wypadkach zastąpić magazynami elektrycznymi – superkondensatorami. Tego typu źródło zasilania dronów jest bardzo rzadko wykorzystywane jako główny magazyn energii ze względu na małą gęstość energii czyli parametr, który ogranicza czas pracy dronów w powietrzu. Zastosowanie superkondensatorów w dronach wiąże się głównie z badaniami.
Superkondensator jest to elektryczny magazyn energii, można go przedstawić jako ulepszoną wersję kondensatora elektrolitycznego. W porównaniu do klasycznych kondensatorów charakteryzuje się bardzo dużą pojemnością elektryczną nawet kilku tysięcy faradów, przy napięciu pracy między 2 a 3 V. W swojej budowie posiadają metalowe elektrody powlekane materiałem z aktywnego węgla o dużej powierzchni w obrębię jakich gromadzą ładunki elektryczne. Na rysunku 5. pokazano przekrój poprzeczny superkondensatora gdzie: 1- płyta zewnętrzna, 2 – elektroda węglowa, 3 – porowata membrana, 4 – elektrolit, 5 – nieprzewodząca przekładka. Ważnym w działaniu superkondensatora jest fakt, ze każde ogniwo zachowuje się jak dwa kondensatory połączone w sposób szeregowy. Dlatego schemat ogniwa superkondensatora można przedstawić jak na rysunku 6., Całkowitą pojemność ogniwa wylicza się ze wzoru (5), natomiast do obliczenia energii zmagazynowanej w kondensatorze trzeba się posłużyć zależnością przedstawioną wzorem (6). Charakterystycznymi właściwościami tego typu magazynów energii jest duża gęstość mocy nawet do 15 kW/l, okres życia, który sięga nawet do miliona cykli oraz szybkie ładowanie i rozładowywanie, dzięki którymi możliwe jest pobierania bardzo dużych prądów oraz ładowanie bardzo dużymi prądami. Używanie dużych prądów ładowania oraz rozładowania nie powoduje takich skutków jak w przypadku elektrochemicznych magazynów energii. Naukowcy opracowują coraz nowsze technologie magazynowania energii, przeprowadza się dużo badań na superkondensatorach. Jednym z badań są szacowania czasu użyteczności superkondensatorów, z których można się dowiedzieć, że „czas pracy dla warunków nominalnych – wynoszący ponad 50 lat, przekracza gwarantowany przez producenta okres minimum 10 lat” [14]. W ostatnich latach elektryczne magazyny energii poprawiły swoje właściwości magazynowani do tego stopnia, ze są coraz częściej wybieranymi wśród konstruktorów [15, 16].

Nowym rozwiązaniem w zakresie dronów są Hycoptery, które w swoich ramionach gromadzą wodór. Za pomocą ogniw paliwowych wytwarzana jest energia elektryczna zasilająca bezzałogowy statek powietrzny. Producenci podają, że maszyna może przebywać w powietrzu bez obciążenia przez cztery godziny jest to stosunkowo dużo w porównaniu do innych typów zasilania, gdzie maszyna może pozostać w powietrzu zazwyczaj kilkanaście minut [16].
Konstruktorzy dronów coraz częściej stosują rozbudowane systemy zasilania, poprawiając tym samym parametry bezzałogowych statków powietrznych. Łącząc różne typy magazynów energii oraz dodając źródła zasilania system zasilający staję się bardziej korzystny dla użytkowników. Ładowanie oraz wymiana podzespołów się zmniejsza co idzie z parą z oszczędnościami w procesie użytkowania. Również występują rozwiązania, gdzie dron w przypadku stanu krytycznego rozładowania sam ląduje do stacji i po ponownym naładowaniu automatycznie kontynuuje lot. Występują również rozwiązanie gdzie bezzałogowy statek powietrzy zasilany jest przez przewód [17].

Przypis

[1] Jakóbik I. Drony Wprowadzenie, Technologia i rozwiązania, Wydawnictwo HELION, Gliwice 2014, s 7,
[2] http://www.countryreports.eu/zastosowanie-i-rodzaje-dronow/, [dostęp: 03.05.2018]
[3] Jakóbik I. Drony Wprowadzenie, Technologia i rozwiązania, Wydawnictwo HELION,
Gliwice 2014, s 20-26,
[4] Karpowicz J.,Kozłowski K., Bezzałogowe statki powietrzne i miniaturowe aparaty latające,
Warszawa 2003
[5] http://zrobsobiedrona.blogspot.com/2014/04/zastosowania-dronow-cywilnych-na-swiecie.html,
[dostęp: 03.05.2018]
[6] Jastrzębska G., Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne, Wydawnictwa Naukowo-
Techniczne, Warszawa, 2007.
[7] Akumulatory litowe, Elektronika praktyczna 3/2015, s 48-56, https://ep.com.pl/files/11011.pdf
[8] http://axidro.pl/budowa-i-parametry-akumulatora-li-pol/
[9] Czerwiński A., Akumulatory, baterie, ogniwa, WKiŁ, 2005
[10] https://forbot.pl/blog/akumulatory-litowo-polimerowe-li-po-kompendium-id291
[11] Jaroszyński L., Akumulatory litowe w pojazdach elektrycznych, Politechnika Lubelska,
Akumulatory-litowe-w-pojazdach-elektrycznych.pdf, czerwiec 2015
[12] Nazri G-A., Pistoia G., Lithium Batteries: Science and Technology, Springer, 2009
[13] Yancheng Zhang, Chao-Yang Wang, Cycle-Life Characterization of Automotive Lithium-Ion Batteries
with LiNiO2 Cathode, J Electrochem Soc, 156 7 (2009), A527-A535
[14] Tarczyński W., Kopka R., Szacowanie czasu użytkowania superkondensatora na podstawie przyśpieszonych testów starzeniowych z wykorzystaniem modeli stochastycznych, Poznan University of Technology Academic Journals, nr 86, tarczynski_wieslaw_szacowanie_86_2016.pdf, Poznań 2016,
[15] https://mlodytechnik.pl/technika/28855-superkondensatory-super-a-nawet-ultra,
[dostęp: 03.05.2018]
[16] http://www.ekoenergia.pl/index.php?id_art=187&cms=73&plik=Superkondensatory.html,
[dostęp: 03.05.2018]
[17] http://antyweb.pl/dzieki-nowemu-sys temowi-zasilania-drony-moga-przebywac-w-powietrzu-kilka-
godzin/, [dostęp: 03.05.2018]