Prestandan hos ett obemannat luftfarkostssystem vid flygning

Drönarens hjärna

Alla drönare har ett styrsystem. Det här systemet kan beskrivas som drönarens hjärna. Systemet får information från drönarens sensorer och system, behandlar information om position, höjd och hastighet samt förmedlar styrinformation till motorerna och/eller styrytorna för att stabilisera eller ändra flygläget.

I sin enklaste form förmedlar styrsystemet direkt de styrkommandon som kommer från sändaren till styrytorna, och systemet saknar funktioner för att stabilisera flygningen. Piloten observerar drönarens flygning och ger nödvändiga styrkommandon genom en radiosändare. Gyroskopiska stabiliseringar med en eller flera axlar kan finnas med som hjälpsystem, men de ger ingen perfekt stabilisering av flygningen. Traditionella modellflygplan har denna typ av styrning, och styrningen av dem baserar sig på att piloten hela tiden följer modellflygplanet med blicken och styr det. Fritt flygande modellflygplan med fasta vingar har vanligen ett styrsystem som kan programmeras på förhand, och vars funktion inte kan påverkas under flygningen, förutom via ett styrkommando som oåterkalleligen avbryter flygningen. Modellflygplanet landar då i ett flygläge där det inte längre kan flyga normalt, men behåller en fallhastighet som är säker för omgivningen.

I drönare som är försedda med ett stabiliseringssystem för flygningen är tröghetsmätningsenheten (Inertial Measurement Unit, IMU) en viktig del. Denna enhet identifierar drönarens läge och rörelser i förhållande till marken samt förändringar i dessa. Denna funktion är nödvändig för att det automatiska stabiliseringssystemet ska fungera.

En annan viktig del av styrsystemet är satellitpositioneringssystemet (Global Navigation Satellite System, GNSS). Det mest kända satellitpositionerinssystemet är GPS (Global Position System). Genom positioneringssystemet får drönaren exakta positionsuppgifter samt avståndet till startpunkten och platsuppgifter beroende på systemet. Till positioneringssystemet hör också en lufttrycksmätare, en barometer, som ger information om drönarens flyghöjd. Barometern ger mycket exaktare information om flyghöjden än vad satellitpositioneringssystemet gör.

Hur fungerar motorerna?

Drönarens motorer har som uppgift att få rotorerna eller propellrarna att snurra. Snurrande rotorer ger den lyftkraft som drönaren behöver, och för drönare med fasta vingar skapar propellrar den kraft som förflyttar drönaren i flygriktningen och den lufthastighet som drönaren behöver för att flyga. I drönare som flyger som helikoptrar måste rotorns varvtal vara så stort att lyftkraften blir lika stor som drönarens vikt. På en drönare med en rotor, som påminner om en helikopter, kan rotorns bladvinkel oftast justeras, och lyftkraften kan justeras genom att man ändrar bladvinkeln samtidigt som rotorns varvtal förblir stabilt. Styrningen av en drönare med flera rotorer baserar sig på justering av motorernas varvtal samt styrfunktioner som på detta sätt ger vridmoment och asymmetrisk lyftkraft.

Elmotorns funktion och motorns varvhastighet regleras av en elektronisk hastighetskontroll (Electronic Speed Controller ESC).

En drönare kan också ha en förbränningsmotor. Motorn kan vara en två- eller fyrtaktsmotor som drivs av metanol, bensin eller diesel. Den kan också drivas av en gasturbin. Den som flyger en drönare med förbränningsmotor ska noggrant bekanta sig med motorns funktion och motortillverkarens anvisningar. Man ska vara särskilt noggrann med att hantera och förvara bränslet på rätt sätt.

Kamerastativ med kamerastabilisering

Kamerastativ för drönare har ofta en stabiliseringsfunktion. Ett kamerastativ med stabilisering kallas för gimbal. En gimbal kan ha två eller tre axlar. En gimbal med två axlar stabiliserar kameran i lod- och vågrät riktning, medan en gimbal med tre axlar ger mjukare rörelser när drönaren snurrar kring sin egen axel.

Varje axel i gimbalen är försedd med en motor som håller kameran stabilt i den valda positionen. Dessa motorer är mycket små och går lätt sönder, så de bör behandlas varsamt. Man bör inte röra kameran, och framför allt inte motarbeta kamerans rörelser när gimbalen är aktiverad. Gimbalens låsbara transportskydd ska tas bort före flygningen, och man ska komma ihåg att sätta tillbaka det efter flygningen.

Drönare med rotorer

Den vanligaste typen av drönare är en drönare av helikoptertyp, med flera rotorer. Sådana drönare kan kallas för multirotordrönare. De flesta multirotordrönare har fyra rotorer, men rotorerna kan också vara fler. Antalet rotorer måste dock alltid var jämnt. Dessa drönare är ofta av plast, men stommen kan också bestå av andra material, såsom kol- eller glasfiber. Mindre modeller har ofta rotorer av plast, medan i synnerhet tyngre modeller brukar ha rotorer av kolfiber.

Tack vare sin förmåga att sväva behöver multirotordrönare inte någon landningsbana för att starta och landa.

En drönare kan också likna en traditionell helikopter, med en huvudrotor som ger lyftkraft och en stjärtrotor som kompenserar den kraft som vill få drönaren att snurra. En sådan drönare styrs genom justering av rotorernas bladvinkel, vilket möjliggör en stor rörelseförmåga. En drönare som liknar en traditionell helikopter är en mekaniskt komplex helhet, och betydligt mer utmanande att styra än en drönare med flera rotorer. För att flyga en sådan drönare krävs särskild träning, och flygområdet ska vara stort. En drönare som liknar en traditionell helikopter kan ofta landa utan motoreffekt, med hjälp av autorotation. Detta möjliggör en kontrollerad landning vid problem med motorn.

Drönare med fasta vingar

En drönare med fasta vingar påminner om ett traditionellt flygplan, eftersom den lyftkraft som krävs för att flyga skapas med fasta vingar. På en drönare kan vingarnas form och placering dock varierar mycket, med tanke på optimeringen av den avsedda funktionen. Drönarens stomme och vingar består av lätta och starka material och är konstruerade med metoder där man kombinerar olika material. Vingarna kan exempelvis vara av formskuren eller pressad polystyren (styrox) och eventuellt täckta med ett tunt lager träfaner av balsa eller abachi, eller med glas- eller kolfiber. Tack vare den lyftkraft som vingarna ger är drönaren inte beroende av batterier eller någon annan kraftkälla för att hålla sig i luften. Kraftkällans energi används för att upprätthålla den hastighet som för drönaren framåt och därigenom för att stiga eller hålla flygningen stabil. En drönare med fasta vingar kan kontrolleras även vid motorproblem. Drönaren kan fortfarande styras till en kontrollerad landning utan motoreffekt, till skillnad från en drönare med flera rotorer, som i värsta fall störtar rakt ner.

Till skillnad från drönare som påminner om helikoptrar behöver drönare med fasta vingar tillräckligt med fart vid start och landning. Drönaren kan starta från en landningsbana, eller så kan man kasta upp den i luften eller använda en katapultliknande anordning. Drönaren behöver en tillräckligt stor landningsbana för att landa, eller så kan den landa med hjälp av en fallskärm.

Hybriddrönare med vingar och rotorer

Drönare med fasta vingar finns både med och utan propellrar. Drönare med flera motorer och vingar kan även användas på samma sätt som drönare med flera rotorer, och kan hovra på ett ställe. I hybriddrönare har förmågan att hovra förverkligats på olika sätt, antingen med svängbara motorer eller med separata hovringsmotorer, som gör det möjligt att hovra samt att stiga och landa lodrätt. På detta sätt kan man kombinera helikopterns fördelar vid start och landning med den högre hastighet och det mindre effektbehov vid stabil flygning som förknippas med drönare med fasta vingar.

Allting som inte är en ursprunglig del av drönaren betraktas som nyttolast. Hur mycket drönaren kan lastas beror på vilken typ av drönare det är fråga om. För vissa drönare rekommenderas att man inte alls flyger med nyttolast. Drönare med fasta vingar kan exempelvis vanligen inte bära lika stor last som drönare med flera rotorer. Även nyttolastens placering är mer kritisk när det gäller en drönare med fasta vingar, och last utanför stommen kan påverka en sådan drönares funktion i betydande grad.

Piloten ska bekanta sig med tillverkarens anvisningar och information om drönarens lastkapacitet. Den totala vikt vid flygning som drönarens tillverkare har angett (drönaren + nyttolast) får inte överskridas. När det gäller vikten vid start ska man också beakta drönarens klassificering och verksamhetskategori.

Även vanlig utrustning räknas som nyttolast

Man kanske tänker att nyttolast först och främst är föremål och annat som man transporterar mellan två ställen, men också vanlig utrustning som fästs vid drönare, såsom kameror, gimbaler och propellerskydd räknas som nyttolast. Användning av sådan utrustning under flygningen kan medföra försvagad prestanda, eftersom utrustningen ökar luftmotståndet och den totala massan. Detta är något som man alltid bör tänka på när man flyger en drönare med nyttolast.

Beaktande av drönarens tyngdpunkt

Tillverkaren har alltid definierat en tyngdpunkt för drönaren (center of gravity, CG). Denna punkt kan inte vanligen flyttas eller kalibreras om manuellt. Man ska alltid kontrollera tyngdpunktens läge när man flyger en drönare med nyttolast. Vid behov ska man flytta lasten så att tyngdpunkten hamnar inom det tillåtna området. Nyttolasten ska fästas

• så nära tyngdpunkten som möjligt
• så stadigt som möjligt
• så nära drönarens stomme som möjligt, eftersom en dåligt fastgjord och rörlig last under flygningen kan påverka tyngdpunkten så att man tappar kontrollen över drönaren.

Tyngdpunktens placering varierar beroende på drönarens typ, och för vissa modeller kan det vara möjligt att kalibrera om den. I vissa fall är en omkalibrering till och med nödvändig med tanke på nyttolastens placering. När man placerar nyttolasten ska man också tänka på att den inte får täcka drönarens batterier, eftersom det kan orsaka risk för överhettning av batterierna.

Drönarens batterier, den vanligaste kraftkällan

Drönarens batterier kräver omsorgsfull service och underhåll. Batterierna ska tas loss och laddas så snabbt som möjligt efter varje landning. Batterierna ska förvaras skyddade från ljus i ett svalt utrymme med brandsäkra ytor. Om batterierna inte laddas efter flygningen utan placeras i förvaring med för låg laddning (under 10 procent), kan de skadas permanent och orsaka risker under nästa flygning. I fall av en brand kräver många batterier särskild släckningsutrustning för att kunna släckas.

I fråga om batterierna bör man beakta att

• batteriet är en förbrukningsartikel som inte kan laddas hur många gånger som helst
• batteriets kapacitet sjunker efter varje laddning

Man kan kontrollera det rekommenderade maximala antalet laddningar i tillverkarens bruksanvisning.

Hur många celler finns i ditt batteri?

Batterier består av flera celler. Drönarens vikt avgör hur många celler som behövs i batteriet. Även om batteriet fungerar betyder det inte att alla dess celler fungerar korrekt. Det är omöjligt att kontrollera cellernas skick visuellt, men de flesta drönarsystem varnar för eventuella skador eller fel.

Du kan i regel kontrollera battericellernas status på fjärrstyrningssystemets skärm. Cellernas elektroniska potential mäts i volt (V), och den borde vara på samma nivå i alla batteriets celler. Om effekten i en cell skiljer sig från de övriga ska du ladda batteriet fullt (100 procent) och kontrollera om alla celler når den fulla nivån. Om de inte gör det ska drönaren inte flygas med batteriet i fråga.

Den vanligaste batteritypen för drönarflygning

Lipo-batterier (litiumpolymer) är de vanligaste batterierna i drönare. Det finns också andra batterityper, men lipo-batterierna är de som bäst tål en stor urladdningsström. Lipo-batterierna har också en god förmåga att lagra elektrisk energi i förhållande till sin vikt.

Nedan beskrivs hur effektiviteten beräknas.

Hur beräknar man energi?

Genom att multiplicera spänningen med kapaciteten beräknar man mängden elektrisk energi i batteriet. Enheten för elektrisk energi är wattimmar (Wh). Exempel: om cellens spänning är 3,5 V och kapaciteten är 3 Ah, är mängden elektrisk energi 10,5 Wh.

V x Ah = Wh

Hur beräknar man effekt?

Den effekt som battericellen avger mäts i watt (W), och den beräknas genom att multiplicera spänningen med den elektriska strömmen, vars enhet är ampere (A). Effekten är beroende av tid, så om en cell laddas ur med stor ström har den stor effekt, men kapaciteten förbrukas och batteriet laddas ur snabbare:

• om cellen laddas ur med en ström på 3 A är effekten 10,5 W, och urladdningen tar en timme.
• om samma cell laddas ur med en ström på 10 A är effekten 35 W, men urladdningen tar bara ungefär 15 minuter.

V x A = W