Reševalna padala za multirotorske sisteme

 

Uporaba reševalnih padal na multikopterjih

Pri ONEDRONE že dve leti vgrajujemo reševalna padala na večino naših profesionalnih sistemov, v času preiskušanja pa smo izvedli več kot 50 poskusnih odpiranj padal v različnih režimih letenja, simulirali smo odpovedi različnih sistemov in se medtem o padalih mnogo naučili, zato ta članek namenjam vsem, ki vas zanima kako padala delujejo in če so zares učinkovita, ali celo škodljiva.

Zakaj varnostno padalo?

Sodobni sistemi brezpilotnih zrakoplovov so zelo zanesljivi in pri njih le redko pride do kritičnih odpovedi. Kljub temu, vse kar leti po zraku lahko odpove in pri tem je padalo zadnja obrambna linija, ki lahko prepreči katastrofo ob padcu več kiligramov težkega zrakoplova na tla. Odpovedi so torej redke, vendar možne tudi pri najbolj izpopolnjenih sistemih. Kadar ti letijo nad naseljenimi območji je verjetnost, da bodo ob padcu povzročili škodo, zelo velika. Kljub temu da padalo ni unčinkovito v vseh okoliščinah in da pomeni dodatno breme za zrakoplov, lahko zelo učinkovito zmanjša škodo, ki bi nastala ob padcu. Poleg vsega je padalo obvezno za nekatere kategorije opravljanja zračnih dejavnosti.

Pogoji, ki jih mora padalo izpolnjevati, da bi bilo učinkovito:

1.) Samodejna aktivacija:

Kadar pride do kritične napake, multirotorski letalnik pada zelo hitro. Iz višine 80m je na tleh v približno 3 sekundah, kar je pogostokraat premalo, da bi upravljalec pravočasno reagiral in ročno odprl padalo. Tudi, če bi reagiral, bi to lahko storil prepozno, saj moramo upoštevati, da nekateri sistemi padal potrebujejo 1-1,5 sekunde za odpiranje, kar lahko pomeni tudi 40m izgube višine. Senzorji v autopilotu bodo torej verjetno hitreje zaznali, da je letalnik v položaju iz katerega ni rešitve. V naših testiranjih smo izmerili, da autopilot potrebuje povprečno 0,1 do 0,2 sekunde, da zazna kritično napako. Po ugašanju motorjev, ki je prva operacija, s približno 0,2 sekundno zakasnitvijo autopilot sproži padalo, kar pomeni da se padalo proži že 0,3 do 0,4 sekunde po začetku napake, kar je vsaj 1 sekundo hitreje, kot bi ga prožil človek. Pri naših testiranjih je autopilot vedno pravilno zaznal kritično situacijo in pravočasno aktiviral padalo.

2.) Ločeno napajanje:

Odpoved pogonske baterije je zelo redka, ob pravilno vzdrževani bateriji skoraj nemogoča, pa se kljub temu včasih zgodi. Tudi če uporabljamo dve ločeni bateriji obstaja zelo majhna možnost napake na priključkih ali napeljavi. V primeru odpovedi pogonske baterije ni več elektrike, ki bi prožila padalo (proženje je običajno mehansko s pomočjo servo mehanizma). Edina rešitev je dodatna baterija, ki bo kljub odpovedi glavne pogonske baterije napajala autopilota in sprejemnik, ter s tem omogočala avtomatsko ali ročno proženje. Ponovno ugotovimo, da bo avtomatika hitreje zaznala napako, kot človek in s tem prihranila nekaj dragocenih metrov višinske razlike. Avtopiloti, ki omogočajo integracijo padala v sistem imajo praviloma možnost rezervnega napajanja z dodatno baterijo.

3.) Možnost ročnega proženja

Kadar je let pravilno načrtovan in sistem deluje tako kot mora, je verjetnost, da bi bilo treba uporabiti padalo, zelo majhna. Kljub temu med letom lahko pride do okoliščin, ki bi upravljalca prisilile v ročno odpiranje padala. Na primer pri multikopterju, ki zaradi večje odpovedi še vedno leti, vendar ima zelo zmanjšane maneverske sposobnosti in z njim ni možno varno pristati na željenem terenu za zasilni pristanek. V takšnih primerih se upravljalec lahko odloči za zmanjševanje škode z ročnim odpiranjem padala. Upoštevati moramo seveda reakcijski čas upravljalca. Glede na to, da vsi sistemi reševalnih padal omogočajo tudi ročno odpiranje imamo na napravi za radijsko vodenje vedno konfigurirano stikalo ali kombinacijo stikal, ki to omogočajo. Stikala morajo biti nameščena tako, da jih ni možno nehote vklopiti. Nekateri operaterji imajo proženje padala konfigurirano na ločeni napravi za radijsko vodenje in med osebjem usposobljenega človeka, ki je zadolžen izključno za proženje padala v primeru kritične odpovedi.

4.) Avtomatsko ugašanje motorjev

Avtomatsko ugašanje motorjev je obvezen pogoj za varno proženje padala. Močni motorji z ostrimi propelerji imajo veliko energije in z lahkoto prerežejo tudi močne kevlarske vrvice za katere je padalo privezano, zato je nujno, da se pred odpiranjem padala motorji ugasnejo. Kot boste videli na priloženem posnetku, se propelerji zaradi vztrajnosti vrtijo še vsaj 1 sekundo po ugašanju motorjev, vendar nimajo več potrebnega navora za pretrganje vrvic. Običajna sekvenca proženja padala pomeni najprej ugašanje pogonskih motorjev in odpiranje padala s približno 0,1 do 0,2 sekundno zakasnitvijo, ne glede na to ali gre za ročno ali avtomatsko proženje.

5.) Kinetična energija pri padanju

Padala, ki ustrezajo predpisom, morajo omogočati spuščanje z dovolj majhno hitrostjo, da sistem ob padcu ne bo presegel 79J kinetične energije. Ker kinetična energija narašča z maso sistema in kvadratom hitrosti, je ta pogoj najtežje dosegljiv zlasti za težje sisteme, saj mora na primer 12-kilogramski sistem imeti nameščeno približno 12 m2 veliko padalo (primerljivo z velikostjo jadralnega padala za 80-kilogramskega čoveka), takšna padala pa so tudi zložena razmeroma velika in težka, zato je ob vgradnji varnostnega padala obvezno potrebno upoštevati novo skupno težo sistema. Nekateri proizvajalci varnostnih padal priporočajo energijo pri padanju med 100 in 500J, kar še vedno pomeni neznatne poškodbe ob padcu sistema. Padala, ki so trenutno na tržišču so sposbna zadostiti zakonskim zahtevam za multirotorske sisteme z maso do približno 13,5 Kg, čeprav bi lahko enaka padala učinkovito uporabili tudi na sistemih z maso do 35Kg, zato je razmislek o spremembi zakonodaje v tej točki zagotovo na mestu.

Kinetično energijo ob padanju si lahko preprosto izračunate s pomočjo tabel proizvajalcev padal:

GALAXY GBS:

http://www.galaxysky.cz/multicopters-s71-en

OPALE:

http://www.opale-paramodels.com/index.php/en/shop-opaleparamodels/parachute-drone-1/rescue-chute/rescue-12sqm-69j-dgac-14kg-multiroto-detail

Integracija varnostnega padala v sistem:

Vgradnja varnostnega padala je možna naknadno na sisteme, kjer z dodatno težo ne bomo presegli največje dovoljene vzletne mase, pogoj za to pa je seveda ustrezna integracija z autopilotom in zagotovitev pravilnega delovanja.

Na trgu se vsak dan srečujemo z novimi avtopiloti, ki ponujajo številne funkcije, stari pa z nadgradnjami programske opreme dobivajo nove. Od trenutno najbolj popularnih avtopilotov podpirajo integracijo varnostnega padala naslednji:

a.) DJI A2:

DJI A2, eden izmed najbolj priljubljenih avtopilotov med profesionalnimi snemalci podpira funkcijo varnostnega padala, vendar nima klasičnega PWM signala za proženje padala, zato sistem ne deluje s padali, ki se prožijo s pomočjo klasičnega servo mehanizma. Sistem deluje samo z DJI-jevim padalom DROPSAFE in z nekaterimi padali, ki imajo posebej prirejen sistem proženja, ki je kompatibilen z DJI-jem (naprimer GALAXY GBS z DJI proženjem). Ker je nekatera padala, še zlasti takšna s pirotehnično polnitvijo težko ali nemogoče preiskusiti je pri vgradnji treba natančno upoštevati dokumentacijo proizvajalca.

b.) PIXHAWK:

Pixhawk je avtopilot, ki je zaradi svojih številnih sposobnosti vedno bolj priljubljen med profesionalnimi uporabniki. Podpora varnostnemu padalu je odlična in omogoča zelo natančno nastavljanje. Od minimalne višine odpiranja, do natančne nastavitve za različne servo mehanizme. Sistem je preprost in učinkovit.

c.) DJI A3:

Nov avtopilot, naslednik priljubljenega A2 ima med tehničnimi podatki omenjeno podporo sistemu varnostnega padala, vendar ga navodila za uporabo v času pisanja tega članka še ne omenjajo, zato bo verjetno funkcija na voljo pri eni izmed prihodnjih nadgradenj programske opreme.

Naknadna vgradnja v sistem:

Vemo, da bodo mutirotorski sistemi optimalno delovali, kadar moč motorjev v režimu lebdenja ne bo presegla 65% polne moči, zato sistemi ki delujejo na zgornji meji dovoljene obremenitve ne bodo prenesli še dodatne teže padala, ki ponavadi pomeni 5-10% povečanje teže sistema. Glavno vodilo je, da z dodajanjem padala v sistem ne presežemo največje dovoljene mase, zato je idealno da je multirotor že načrtovan za uporabo s padalom. Kadar padalo dodajamo naknadno se moramo sprijazniti s krajšim časom letenja, ali zmanjšanjem mase koristnega tovora (manjša in ponavadi manj zmogljiva kamera).

Načini proženja padala:

a.) Mehansko proženje:

Zelo priljubljena padala OPALE imajo najpreprostejši način proženja: Elastika ali vzmet odvrže padalo od kopterja. Ko se zaradi zračnega upora ustvari razlika v padanju padala in kopterja, zračni tok odpre padalo. Način je preprost in zelo zanesljiv, čas odpiranja pa je nekoliko daljši kot pri padalih s prisilnim odpiranjem, zato so ta padala učinkovita iz višin 30m in več.

b.) Izmetavanje z vzmetjo:

Sistemi z vzmetjo iz posebnega kontejnerja izvržejo padalo. Padalo se začne odpirati takoj po izmetu, zato je odpiranje hitrejše, kot pri mehanskih sistemih. Ponovno zlaganje padala je neoliko zahtevnejše, pazljivi pa moramo biti tudi pri montaži in ravnanju na tleh.

c.) Odpiranje s plinsko polnitvijo (CO2):

Padala , ki se odpirajo s pomočjo CO2 polnitve, kot naprimer DJI DROPSAFE se odprejo in napihnejo zelo hitro, zato so učinkovita že iz nizkih višin od 10m naprej. Pri ponovni uporabi moramo zamenjati CO2 bombico in ponovno zložiti padalo.

d.) Padala s pirotehnično polnitvijo:

Padala s pirotehnično polnitvijo, kot naprimer GALAXY GBS so tovarniško zložena in pripravljena za vgradnjo. S pomočjo pirotehničnega naboja se sprožijo zelo hitro in so učinkovita iz zelo majhnih višin. Pri ravnanju z njimi moramo natančno upoštevati navodila proizvajalca in se natančno držati predpisanega vzdrževanja. Po proženju morajo na ponovno zlaganje in obnovo k proizvajalcu.

Padalo da ali ne?

Vprašanje, ki že dolgo deli uporabnike in ima mnogo zagovornikov na obeh straneh. Seznam argumentov za in proti je zelo dolg, zato se bom dotaknil le nekaterih:

Slovenska zakonodaja za nekatere kategorije predpisuje padalo. Hitre spremembe ni pričakovati, zato se moramo z njo sprijazniti. Padalo v vsakem primeru povečuje nivo varnosti, zato je uporaba smiselna vedno, kadar letimo nad naseljenimi območji, v bližini ali celo nad skupino ljudi.

Največji argument proti padalu sta dodatna teža in skorajda absurdne velikosti, pri težjih sistemih, saj so multikopterji za dvigovanje težjih kamer ponavadi konstruirani povsem optimalno za predviden tovor, kar ne dopušča dodatnih obremenitev. Poleg tega mnogo zahtevnih snemanj poteka na zelo nizkih višinah, ki ne omogočajo varnega odpiranja padala, zato bi bile na tem področju smiselne ustrezne sprmembe zakonodaje ali izjeme. 25-kilogramska naprava bi naprimer z 12m2 padalom padla na tla s hitrostjo 4,5 m/s (16,2 Km/h). Kljub energiji približno 260J padec ne bi povzročil hujših posledic, teža sistema padala pa znaša 725g, kar je dobrih 3% teže sistema.

Zaključek:

Najprej želja po večji varnosti, kasneje pa prisila s strani države je padala naredila za obvezen del opreme zahtevnejših multirotorskih sistemov. Kljub dodatni teži in dodatnem strošku se mi zdi njihova uporaba smiselna, pričakujem pa da bodo zakonodajalci čez čas, po dovolj opravljenih poskusih, ustrezneje postavili tehnične zahteve za varnostna padala.

Izobraževanja ONEDRONE

 

Pri podjetju ONEDRONE se že od ustanovitve ukvarjamo z izobraževanji uporabnikov sistemov brezpilotnih zrakoplovov. S prihodom težko pričakovane Uredbe o sistemih brezpilotnih zrakoplovov je tudi to področje zakonsko urejeno, zato natančno vemo, kako in s kakšno opremo lahko oprevljamo dejavnosti dela v zraku in kaj s svojimi napravami lahko počnemo v prostem času za zabavo.

Širok razpon znanja smo združili v tečaje različnih nivojev, ki so namenjeni vsem, ki želite pridobiti ali razšititi svoje znanje o sistemih brezpilotnih zrakoplovov. Tečaji so razdeljeni v tri zahtevnostne nivoje:

1. Osnovni tečaji:

Osnovni tečaji so namenjeni začetnikom, ki nimajo še nikakršnih izkušenj z brezpilotnimi zrakoplovi. Obisk teh tečajev priporočamo vsem, ki se odločajo o nakupu ali že imajo svoje prvi brezpilotnik, pa tudi vsem, ki razmišljajo o samogradnji. Na njih se boste naučili vseh osnov o sistemih, ki so vgrajeni v zrakoplov, njihovemu načinu delovanja, tehniki letenja, nadgrajevanju programske opreme, podrobno pa si bomo ogledali tudi nekatere tipe najbolj priljubljenih komercialno dosegljivih zrakoplovov.

2. Tečaji za operaterje:

Če že imate osnovno znanje in ste se odločili, da boste brezpilotnih zrakoplov začeli uporabljati pri opravljanju svoje dejavnosti, se boste na našit tečajih naučili vsega, kar mora znati operater pri opravljanju svoje dejavnosti, seznanili se boste s potrebno dokumentacijo in se pripravili na opravljanje potrebnih izpitov.

3. Specialni tečaji:

Potrebujete sistem brezpilotnega zrakoplova za posebne namene ? Geodezija, kmetijstvo, gozdarstvo, nadzor iz zraka in številne druge dejavnosti zahtevajo posebno opremo in posebne načine uporabe. Na specializiranih tečajih, ki jih lahko prilagodimo vašim zahtevam se boste načili vsega, kar potrebujete za varno opravljanje svoje dejavnosti.

Tečaj za pridobitev izpita iz poznavanja pravil letenja 25.8.2016:

Naslednji izpitni rok za pridobitev potrdila o pozanvanju pravil letenja pri CAA je že 2. Septembra, zato smo že 25.8.2016 pripravili tečaj za vse, ki se želite bolje pripraviti na izpit:
http://onedrone.si/izobrazevanje/priprava-na-izpit-iz-poznavanja-pravil-letenja-za-operaterje-bpl/