Un velivolo senza pilota (UAV), comunemente noto come un drone, è un velivolo senza un pilota umano a bordo. Gli UAV sono un componente di un sistema aereo senza pilota (UAS); che includono un UAV, un controllore a terra e un sistema di comunicazione tra i due. Il volo degli UAV può operare con vari gradi di autonomia: o sotto controllo remoto da parte di un operatore umano o autonomamente dai computer di bordo.
Rispetto agli aerei con equipaggio, gli UAV erano originariamente utilizzati per missioni troppo “noiose, sporche o pericolose” per gli umani. Sebbene provenissero principalmente da applicazioni militari, il loro uso si sta rapidamente espandendo verso applicazioni commerciali, scientifiche, ricreative, agricole e di altro tipo, come la polizia, il mantenimento della pace e la sorveglianza, le consegne di prodotti, la fotografia aerea, l’agricoltura, il contrabbando e le corse di droni. Gli UAV civili ora superano di gran lunga gli UAV militari, con stime di oltre un milione vendute entro il 2015, quindi possono essere visti come una prima applicazione commerciale di cose autonome, a cui fanno seguito auto e robot domestici autonomi.
Classificazione
Gli UAV rientrano tipicamente in una delle sei categorie funzionali (sebbene le piattaforme di velivoli multi-ruolo stiano diventando più prevalenti):
Obiettivo e falso bersaglio: fornire a terra e cannoniere aeree un bersaglio che simula un aereo o un missile nemico
Ricognizione: fornisce l’intelligenza del campo di battaglia
Combattimento: fornitura di capacità di attacco per missioni ad alto rischio (vedi: Unmanned combat aerial vehicle (UCAV))
Logistica – consegna di merci
Ricerca e sviluppo – migliorare le tecnologie UAV
UAV civili e commerciali – agricoltura, fotografia aerea, raccolta dati
Il sistema militare UAV degli Stati Uniti viene utilizzato dai pianificatori militari per designare i vari elementi di un singolo aeromobile in un piano generale di utilizzo.
Schiebel S-100 equipaggiato con un missile multiruolo leggero
I veicoli possono essere classificati in termini di distanza / altitudine. Quanto segue è stato avanzato come pertinente ad eventi del settore come il forum ParcAberporth Unmanned Systems:
Altitudine di 600 metri (600 piedi) a mano, circa 2 km di distanza
Chiudi 5.000 piedi (1.500 m) di altitudine, fino a 10 km di raggio
Tipo NATO Altitudine di 3.000 metri (3.000 m), fino a un raggio di 50 km
Altezza tattica di 5500 metri (5.500 m), circa 160 km di distanza
MASCHIO (altitudine media, lunga durata) fino a 30.000 ft (9.000 m) e portata oltre 200 km
HALE (alta quota, lunga durata) oltre 30.000 piedi (9.100 m) e raggio indefinito
Ipersonico ad alta velocità, supersonico (Mach 1-5) o ipersonico (Mach 5+) 50.000 ft (15.200 m) o altitudine suborbitale, distanza superiore a 200 km
Orbita orbitale terrestre bassa (Mach 25+)
Trasferimento Luna-Luna Lunare CIS
Sistema di guida al sistema di assistenza al computer (CACGS) per UAV
Altre categorie includono:
UAV Hobbyist – che possono essere ulteriormente suddivisi in
Ready-to-fly (RTF) / commerciale-off-the-shelf (COTS)
Bind-and-fly (BNF): richiede conoscenze minime per far volare la piattaforma
Quasi pronto a volare (ARF) / Fai-da-te (fai-da-te): richiede conoscenze significative per entrare in aria
Telaio nudo: richiede una conoscenza significativa e le proprie parti per farlo volare in aria
UAV militari e commerciali di media taglia
Grandi UAV militari specifici
UAV da combattimento furtivo
Aereo versatile senza equipaggio (originariamente un Pipistrel Sinus a 2 posti)
Aeromobili sottoposti a equipaggio trasformati in UAV (o OpV opzionali) a pilotaggio opzionale
Le classificazioni in base al peso dell’aeromobile sono piuttosto semplici:
Micro aeromobile (MAV) – il più piccolo UAV che può pesare meno di 1g
UAV in miniatura (chiamato anche SUAS) – circa meno di 25 kg
UAV più pesanti
Componenti UAV
Gli aeromobili con equipaggio e senza equipaggio dello stesso tipo generalmente hanno componenti fisici riconoscibilmente simili. Le principali eccezioni sono il cockpit e il sistema di controllo ambientale o sistemi di supporto vitale. Alcuni UAV hanno carichi utili (come una macchina fotografica) che pesano molto meno di un adulto umano e, di conseguenza, possono essere considerevolmente più piccoli. Sebbene trasportino carichi pesanti, gli UAV militari sono più leggeri dei loro omologhi equipaggiati con armi comparabili.
I piccoli UAV civili non hanno sistemi critici per la vita e possono quindi essere costruiti con materiali e forme più leggeri ma meno robusti e possono utilizzare sistemi di controllo elettronico meno collaudati. Per i piccoli UAV, il design del quadricottero è diventato popolare, sebbene questo layout sia usato raramente per gli aerei con equipaggio. La miniaturizzazione significa che possono essere utilizzate tecnologie di propulsione meno potenti che non sono fattibili per aeromobili con equipaggio, come piccoli motori elettrici e batterie.
I sistemi di controllo per gli UAV sono spesso diversi da quelli con equipaggio umano. Per il controllo umano a distanza, una telecamera e un collegamento video rimpiazzano quasi sempre le finestre del cockpit; i comandi digitali trasmessi via radio sostituiscono i controlli di cabina di guida fisici. Il software autopilota viene utilizzato su aeromobili con equipaggio e senza equipaggio, con set di funzionalità diverse.
Corpo
La differenza principale per gli aerei è l’assenza dell’area del cockpit e delle sue finestre. I quadricotteri Tailless sono un fattore di forma comune per gli UAV ad ala rotante mentre i mono-e-bi-coped tail sono comuni per le piattaforme presidiate.
Alimentazione e piattaforma
I piccoli UAV utilizzano principalmente batterie ai polimeri di litio (Li-Po), mentre i veicoli più grandi si affidano a motori di aeroplano convenzionali. La scala o la dimensione dell’aeromobile non è la caratteristica che definisce o limita la fornitura di energia per un UAV. Al momento, [quando?] La densità di energia di Li-Po è molto inferiore a quella della benzina. Il record di viaggio per un UAV (costruito in legno di balsa e pelle di mylar) attraverso l’Oceano Atlantico del Nord è detenuto da un aereo modello di benzina o UAV. Manard Hill in “nel 2003, quando una delle sue creazioni volò 1.882 miglia attraverso l’Oceano Atlantico con meno di un gallone di carburante” detiene questo record. Vedi: L’energia elettrica è utilizzata in quanto è necessario meno lavoro per un volo e i motori elettrici sono più silenziosi. Inoltre, opportunamente progettato, il rapporto spinta / peso per un motore elettrico o benzina che guida un’elica può oscillare o salire verticalmente. L’aeroplano Botmite è un esempio di un UAV elettrico che può arrampicarsi verticalmente.
Il circuito di eliminazione della batteria (BEC) è utilizzato per centralizzare la distribuzione dell’alimentazione e spesso ospita un’unità microcontroller (MCU). La commutazione più costosa dei BEC diminuisce il riscaldamento sulla piattaforma.
Informatica
La capacità di calcolo UAV ha seguito i progressi della tecnologia informatica, iniziando con i controlli analogici e evolvendo in microcontrollori, quindi con i computer system-on-a-chip (SOC) e single-board (SBC).
L’hardware di sistema per piccoli UAV viene spesso chiamato Flight Controller (FC), Flight Controller Board (FCB) o autopilota.
sensori
I sensori di posizione e movimento forniscono informazioni sullo stato dell’aeromobile. I sensori esterocettivi trattano informazioni esterne come le misurazioni della distanza, mentre quelle esproprotettive correlano stati interni ed esterni.
I sensori non cooperativi sono in grado di rilevare i bersagli autonomamente in modo da essere utilizzati per garantire la separazione e evitare le collisioni.
Gradi di libertà (DOF) si riferisce sia alla quantità e alla qualità dei sensori a bordo: 6 DOF implica giroscopi a 3 assi e accelerometri (una tipica unità di misura inerziale – IMU), 9 DOF si riferisce a un IMU più una bussola, 10 DOF aggiunge un barometro e 11 DOF di solito aggiunge un ricevitore GPS.
attuatori
Gli attuatori UAV includono regolatori di velocità elettronici digitali (che controllano l’RPM dei motori) collegati a motori / motori ed eliche, servomotori (principalmente per aerei ed elicotteri), armi, attuatori di carico utile, LED e altoparlanti.
Software
Il software UAV ha chiamato lo stack di volo o il pilota automatico. Gli UAV sono sistemi in tempo reale che richiedono una risposta rapida al cambiamento dei dati del sensore. Esempi includono Raspberry Pis, Beagleboards, ecc. Schermati con NavIO, PXFMini, ecc. O progettati da zero come Nuttx, preemptive-RT Linux, Xenomai, Orocos-Robot Operating System o DDS-ROS 2.0.
Panoramica dello stack di volo
| Livello | Requisiti | Operazioni | Esempio | ||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Firmware | Time-critical | Dal codice macchina all’esecuzione del processore, accesso alla memoria | ArduCopter-v1.px4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Middleware | Time-critical | Controllo del volo, navigazione, gestione della radio | Cleanflight, ArduPilot | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Sistema operativo | intensiva Computer- | Flusso ottico, evitamento degli ostacoli, SLAM, processo decisionale | ROS, Nuttx, distribuzioni Linux, Microsoft IOT Gli stack open source di uso civile includono: ArduCopter Principi del ciclo Anello aperto: questo tipo fornisce un segnale di controllo positivo (più veloce, più lento, a sinistra, a destra, in alto, in basso) senza incorporare il feedback dai dati del sensore. Controlli di volo Gli UAV possono anche implementare appollaiati su una superficie verticale piatta. comunicazioni Nelle più moderne applicazioni UAV è richiesta la trasmissione video. Quindi, invece di avere 2 collegamenti separati per C & amp; C, telemetria e traffico video, un collegamento a banda larga viene utilizzato per trasportare tutti i tipi di dati su un singolo collegamento radio. Questi collegamenti a banda larga possono sfruttare le tecniche di qualità del servizio per ottimizzare il traffico C & C a bassa latenza. Di solito questi collegamenti a banda larga trasportano il traffico TCP / IP che può essere instradato su Internet. Il segnale radio dal lato operatore può essere emesso da: Controllo a terra – un essere umano che utilizza un trasmettitore / ricevitore radio, uno smartphone, un tablet, un computer o il significato originale di una stazione di controllo a terra militare (GCS). Recentemente è stato dimostrato anche il controllo da dispositivi indossabili, riconoscimento del movimento umano, onde cerebrali umane. Autonomia L’autonomia di base proviene dai sensori propriocettivi. L’autonomia avanzata richiede consapevolezza situazionale, conoscenza dell’ambiente che circonda l’aereo dai sensori exteriocettivi: la fusione del sensore integra le informazioni provenienti da più sensori. Principi di base Esempi di algoritmi di medio livello: Pianificazione del percorso: determinazione del percorso ottimale che il veicolo deve seguire nel rispettare gli obiettivi e i vincoli della missione, quali ostacoli o requisiti di carburante I pianificatori di compiti gerarchici UAV evoluti usano metodi come la ricerca di alberi di stato o algoritmi genetici. Caratteristiche di autonomia Autolivello: stabilizzazione dell’atteggiamento sugli assi di beccheggio e rollio. funzioni Livelli medi di autonomia, come l’autonomia reattiva e alti livelli che utilizzano l’autonomia cognitiva, sono già stati raggiunti in una certa misura e sono campi di ricerca molto attivi. Autonomia reattiva La maggior parte dei sensori di portata analizza la radiazione elettromagnetica, riflessa dall’ambiente e arrivata al sensore. Le telecamere (per flusso visivo) agiscono come semplici ricevitori. Lidar, radar e sonar (con onde meccaniche sonore) emettono e ricevono onde, misurando il tempo di transito di andata e ritorno. Le fotocamere UAV non richiedono l’emissione di energia, riducendo il consumo totale. Radar e sonar sono principalmente usati per applicazioni militari. L’autonomia reattiva ha in qualche modo già raggiunto i mercati dei consumatori: potrebbe essere ampiamente disponibile in meno di un decennio. Localizzazione e mappatura simultanee Due campi di ricerca correlati sono la fotogrammetria e il LIDAR, specialmente in ambienti 3D a bassa quota e interni. Lo SLAM fotogrammetrico e stereofotogrammetrico per interni è stato dimostrato con quadricotteri. formicolio Futuro potenziale militare Radio cognitiva Capacità di apprendimento Mercato Civile Il mercato degli UAV civili è relativamente nuovo rispetto ai militari. Allo stesso tempo, le aziende stanno emergendo sia nelle nazioni sviluppate che in quelle in via di sviluppo. Molte startup in fase iniziale hanno ricevuto supporto e finanziamenti da investitori come negli Stati Uniti e da agenzie governative come nel caso dell’India. Alcune università offrono programmi di ricerca e formazione o lauree. I soggetti privati forniscono anche programmi di formazione online e di persona sia per l’uso di UAV ricreativo che commerciale. I droni consumer sono anche ampiamente utilizzati dalle organizzazioni militari di tutto il mondo a causa della natura economica del prodotto di consumo. Nel 2018, l’esercito israeliano ha iniziato a utilizzare DJI Mavic e Matrice serie di UAV per la missione di ricognizione leggera poiché i droni civili sono più facili da usare e hanno maggiore affidabilità. I droni DJI sono anche il sistema aereo senza pilota commerciale più utilizzato che l’esercito americano abbia impiegato. I droni illuminati stanno iniziando a essere utilizzati nelle esposizioni notturne per scopi artistici e pubblicitari. Trasporto Considerazioni sullo sviluppo Imitazione animale – etologia Il Nano Hummingbird è disponibile in commercio, mentre i microUAV sub-1g ispirati alle mosche, anche se usano un power tether, possono “atterrare” su superfici verticali. Altri progetti includono “coleotteri” senza equipaggio e altri insetti. La ricerca sta esplorando sensori miniaturizzati a flusso ottico, detti ocelli, che mimano gli occhi degli insetti composti formati da più sfaccettature, che possono trasmettere dati a chip neuromorfici in grado di trattare il flusso ottico e discrepanze di intensità della luce. Resistenza A causa delle dimensioni ridotte, del peso ridotto, delle vibrazioni ridotte e dell’elevato rapporto peso / potenza, i motori rotativi Wankel sono utilizzati in molti grandi UAV. I loro rotori del motore non possono grippare; il motore non è suscettibile al raffreddamento degli urti durante la discesa e non richiede una miscela di carburante arricchito per il raffreddamento ad alta potenza. Queste caratteristiche riducono l’utilizzo di carburante, aumentando la portata o il carico utile. Il corretto raffreddamento dei droni è essenziale per la resistenza dei droni a lungo termine. Il surriscaldamento e il conseguente guasto del motore sono la causa più comune di guasto del drone. Le celle a combustibile a idrogeno, che utilizzano la potenza dell’idrogeno, possono essere in grado di estendere la durata di piccoli UAV, fino a diverse ore. La resistenza dei veicoli aerei Micro è stata finora raggiunta al meglio con gli UAV a ala svolazzante, seguiti da aerei e multirotori in piedi per ultimi, a causa del minor numero di Reynolds. UAV solari-elettrici, un concetto originariamente promosso dall’AstroFlight Sunrise nel 1974, hanno ottenuto tempi di volo di diverse settimane. I satelliti atmosferici a energia solare (“atmosfere”) progettati per funzionare a quote superiori a 20 km (12 miglia o 60.000 piedi) per un periodo di cinque anni potrebbero potenzialmente svolgere compiti più economici e con maggiore versatilità rispetto ai satelliti a bassa orbita terrestre. Le applicazioni possibili includono il monitoraggio meteorologico, il ripristino di emergenza, l’imaging della terra e le comunicazioni. Gli UAV elettrici alimentati dalla trasmissione di potenza a microonde o dal raggio laser sono altre potenziali soluzioni di resistenza. Un’altra applicazione per un UAV ad alta resistenza sarebbe quella di “fissare” un campo di battaglia per un lungo intervallo (ARGUS-IS, Gorgon Stare, Integrated Sensor Is Structure) per registrare eventi che potrebbero poi essere riprodotti all’indietro per tracciare le attività sul campo di battaglia. Lunghi voli di resistenza
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