Derfor flyr dronen din

STADIG MER KAPASITET: – Kapasiteten til hardwaren om bord i dronen blir stadig mer avansert. Her snakker vi om alt fra flightcontrolleren og sensorene som ivaretar styringssystemet til dronen, forklarer universitetslektor Bernt Inge Hansen ved Universitetet i Tromsø.

– Hva som er de kritiske delene, spør du? Alt, ler universitetslektor Bernt Inge Hansen ved Universitetet i Tromsø.

Han er egentlig fysiker, som jo passer bra, når man skal prøve å forklare litt lettfattelig: Hva og hvordan beveger droner seg?

Han spør raskt tilbake: hva er egentlig forskjellen på en datamaskin nå og for 20 år siden? Den ser ganske lik ut, men batterikapasiteten, prosessorkraft og brukeropplevelser øker stadig, som for hver mobiltelefon vi kjøper. Slik, ja, sier Hansen – og ber meg google «principles of flight»

Tre former for løft

La oss begynne med å nevne tre ulike typer droner: Fly, i drone-språket gjerne kalt fixed wing, helikopter(-droner) og multirotor-droner. Alle må lage et løft for å fly, og det foregår ulikt.

BEVEGELSENE TIL ET FLY: Et fly er mer energieffektivt fordi vingene holder kroppen i luften selv, men trenger mer kraft for å ta av, og har mindre bevegelighet. Ordene er forklart i teksten.

En fly-drone fungerer som et ordinært fly. Propellen eller jetmotoren drar flyet fremover, og man skaper overtrykk under, og undertrykk over vingene for å lage løft. Flyene har dessuten flere ror, som man kan justere på for å presse flyet opp, ned eller svinge.

BEVEGELSENE TIL EN DRONE: Rotorbladene på en multirotor går annenhver vei, med og mot klokken, for å skape stabilitet. Yaw, roll og pitch forklarer ulike bevegelser. Ordene er forklart i teksten.

Fly kan være foretrukket dersom man ønsker lang flytid på relativt lett vekt, siden løftet lages når de store vingene glir gjennom luften. Ulempen er at du må ha mye fart for å skape løftet.

En type fly-drone som har blitt mer vanlig de siste årene kalles VTOL (Vertical Take Off and Landing). De tar på ulike vis av vertikalt, men flyr som et vanlig fly når de er kommet i luften.

Se også her: Slik flyr en multirotor

Se også her: Slik flyr et fly

Se også her: Slik flyr et helikopter

Annerledes er det med et helikopter, og her blir det spennende. Det har også vinger, men her roterer vingene i luften for å skape løft. De roterende vingene kalles helikopterets rotorblader. I flymiljøet kalles helikopter faktisk for «rotorving».

Rotorbladene på et helikopter går ikke bare rundt og rundt. Vinkelen, eller vridningen, på rotorbladene endres kontinuerlig på ferden rundt helikopteret. Den vridningen kalles pitch, og påvirker hvor mye løft man får.

BEVEGELSENE TIL ET HELIKOPTER: Vingene, eller rotoren på et helikopter vrir og endrer vinkel mens de går rundt og rundt, og den justerte vinkelen gir helikopteret ulike bevegelser. Ordene er forklart i teksten.

Vridningen som varierer mens bladet roterer rundt helikopteret påvirker om man får mer løft foran, bak, eller på en av sidene. Det er dette som avgjør om helikopterkroppen får fart fremover, bakover eller til siden.

Hvis du noen gang har holdt i en drill, så kjenner du at du må gi motkraft slik at drillen ikke spinner ut av hånden din. På et helikopter motvirker man denne vridningskraften fra hovedrotoren gjennom en egen rotor som står ytterst på halen. På film har du kanskje sett et helikopter få skutt av halerotoren. Da kan helikopteret gå i spinn og miste kontrollen.

Fordelen med et helikopter kontra droner med flere små propeller er at man får et mye større effektivt vingeareal som lager mer løft. Dermed kan de være mer energieffektive. Drivstoff som bensin har også større energitetthet enn batterier, slik at man kan oppnå lenger flytid sammenlignet med elektriske droner.

Ulempen er all mekanikken og tuningen som skal til for at rotorbladene skal ha riktig pitch til enhver tid.

Ordliste til bevegelsene

Yaw: Dreie rundt vertikalaksen, (på en multirotor: hvordan den kan snurre rundt som en tallerken i mikrobølgeovnen)

Pitch: Propellens vridning, men også hvor mye fartøyet vipper forover/bakover.

Roll: Horisontal bevegelse rundt sin egen akse

Throttle: Pådrag, gass kraft.

Moderne droner

Det de fleste av oss kaller droner i dager, er gjerne mindre droner med fire propeller – eller roterende vinger om du vil, og kalles et quadkopter. Siden de har flere propeller som lager løft kalles de gjerne multirotor. Selv om fire er det vanlige, kommer de i utgaver fra to og opp til åtte.

I motsetning til helikoptre, har multirotorene nesten alltid fast pitch. Vingene kan altså ikke vris. Siden de ikke har halerotor for å motvirke vridningskraften fra motorene, har de parvise motorer som roterer i hver sin retning. På denne måten utligner de vridningskraften til hverandre. På et quadkopter roterer annenhver rotor med-urs og mot-urs.

For å endre retning på dronen, må man balansere mellom de ulike rotorene. Øker man kraften på de bakerste, vil man lage en vinkel på dronen og øke farten fremover.

– Det er hele tiden balansen mellom de ulike fire rotorene som gir fart og retning, sier Hansen.

Mer kraft på høyre side gjør at dronen kan rulle – rolle – på engelsk, altså fagspråket. Slik kan også en multirotor-drone stå stille i luften, bevege seg frem- og bakover, side til side, eller snurre rundt sin egen akse.

Stadig bedre

Som vi opplever telefoner og datamaskiner blir stadig kraftigere, gjeldet det samme utviklingen i styringen av dronene med. Når du beveger stikkene på radiostyringen til dronen din, tolker flightcontrolleren i dronen dine stikkebevegelser. Den beregner hvordan hastigheten på de ulike rotorene må endres for å skape den bevegelsen du har «bestilt».

– Dronen er dessuten fullstappet med sensorer som kontinuerlig måler hvordan dronen oppfører seg i luften, slik at det blir samsvar mellom det du ber om når du beveger stikkene, og det dronen faktisk gjør i luften, forklarer Hansen.

– Men hva om dronen mister et blad?

– Da blir dronen fort ustabil, siden den mister litt av evnen til å opprettholde balansen den hadde med fire fungerende propeller. Avanserte droner kan ha evnen til å lande til dels kontrollert med kun tre fungerende rotorer, men da snakker vi i utgangspunktet om at du er i en nødsituasjon, sier Hansen.

Mulighetene for å klare seg, og dermed også sikkerheten, blir større om man øker til seks eller åtte motorer, altså hexakopter eller octokopter.

– Da har fartøyet fortsatt muligheten til å balansere på de gjenværende propellene om man skulle få feil på en motor eller propell. Man taper fortsatt løft og reduserer manøvreringsevnen, men man har som oftest større sjanse til å kunne lande med større grad av kontroll – gitt at dronen din har funksjonalitet for å detektere motorfeil og er satt opp til å kompensere for det.

Nå vi spør om teknologiutvikling, forklarer Hansen at selve prinsippet rundt det som skaper løft – at en vinge (eller rotorblad) passerer gjennom luften, det har ikke endret seg så mye.

– Stadig mer avansert

– Mye annet utvikler seg. Man får bedre batteriteknologi, andre materialer og produksjonsmetoder til skrog og propeller samt mer effektive motorer og styringssystemer. Kapasiteten til hardwaren om bord i dronen blir stadig mer avansert. Her snakker vi om alt fra flightcontrolleren og sensorene som ivaretar styringssystemet til dronen, men også nyttelastene.

– Nyttelastene?

– Med kunstig intelligens kan man gjerne binde sammen flightcontrolleren og nyttelasten, slik at en drone kan fly automatisk, kjenne igjen og følge etter folk og objekter og så videre, sier Hansen.

Når alt blir raskere, kraftigere og bedre, åpner det nye muligheter. Hansen oppfordrer til å søke seg til dronestudiet i Tromsø.

– Vi har ikke engang sett konturene av alle de fremtidige applikasjonene hvor droner får en helt sentral rolle i fremtiden, mener Hansen.