Inspiracją opracowania bieżącego  sprawozdania z badań patentowych był artykuł  Absurdalne, ale śmiertelnie skuteczne. Ukraińska kolumna pancerna zmieciona z powierzchni ziemi zaskakującą bronią (biznesinfo.pl),  który odwoływał się do   nagrania z ataku, do którego doszło pod Kurskiem, przeprowadzonego przez Rosjan na ukraińskie transportery opancerzone.  Do ostrzału,  wykorzystano drony sterowane po kablu. Chociaż takie rozwiązanie może wydawać się absurdalne, to najwyraźniej działa i jest śmiertelnie skuteczne. Pociski kierowane  kablowo to już historia, ale  drony sterowane za pośrednictwem kabli światłowodowych to osobliwość, która w warunkach bojowych zdaje jednak egzamin.  Na filmie z walk w okolicach Kurska, który opublikowano w mediach społecznościowych, widać jak rosyjskie drony FPV (First Person View) trafiają w kolejne pojazdy opancerzony ukraińskich sił zbrojnych, które zdobywają właśnie kolejne tereny putinowskiego reżimu. Uszkodzono co najmniej siedem transporterów kołowych BTR-4, ukraińskiej produkcji i jeden gąsienicowy transporter produkcji amerykańskiej M113. Historycznie analizując adaptacje dronów do sterowania za pomocą światłowodu należy wspomnieć o dronach na uwięzi, które znalazły swoje zastosowanie w obserwacji przestrzeni ochranianej systemowa, w tym również pola walki. Machine translation of the article: Fibre link for aeral drones20924end

 

WO2023135062A1 – DEPLOYABLE ON-BOARD OPTICAL FIBRE LINK FOR AERIAL DRONES, SEDI-ATI FIBRES OPTIQUES, LASKRI, Samir et al. Data aplikacji: 20.07.2023. Przedstawiony  wynalazek dotyczy dziedziny dronów powietrznych przeznaczonych do zobrazowania otaczającej przestrzeni w wysokiej rozdzielczości. Zastosowania zobrazowania w wysokiej rozdzielczości realizowane przez drony lotnicze rozwijają się w obszarze wydarzeń publicznych, podczas zawodów sportowych, koncertów, widowisk plenerowych, produkcji audiowizualnych, zgromadzeń, w urbanistyce, nadzorze lądowym i morskim, monitoringu wideo osób i mienia, nadzóru obszarów morskich i pomocy ratowniczej, w zastosowaniach przemysłowych, takich jak inspekcja wizualna infrastruktury przemysłowej, konstrukcji metalowych, dźwigów, anten, turbin wiatrowych, konstrukcji, a  nawet w zastosowaniach rolniczych, szczególnie z kamerami wielospektralnymi o wysokiej rozdzielczości, a nawet grup kamer do tworzenia kontrolnych  filmów 3D.    

Fig.1 przedstawia schematyczny widok systemu według wynalazku; Fig.2 przedstawia schematyczny częściowy przekrój szpuli światłowodowej według wynalazku; Fig.3 przedstawia schematyczny widok spójnego szkieletu szpuli światłowodu według wynalazku. 

Zaprezentowany wynalazek dotyczy systemu zobrazowania przestrzeni w czasie rzeczywistym o wysokiej rozdzielczości, składającego się z drona śmigłowego (10), który jest zdalnie sterowany za pomocą urządzenia sterującego (12), przy czym dron (10) jest wyposażony w co najmniej jedną kamerę wizyjną o wysokiej rozdzielczości oraz moduł przetwarzania sygnału do przetwarzania sygnałów z kamer, w celu wytworzenia strumienia obrazu oraz środki transmisji w czasie rzeczywistym do przesyłania strumienia obrazu w czasie rzeczywistym do stacji stacjonarnej (20). Omawiany system charakteryzuje się tym, że: (a). Środek transmisji w czasie rzeczywistym składa się ze światłowodu (21) nawiniętego na szpulę (20), (b). Szpula  (20) jest  zamocowaną na stałe  do drona (10) z osią zorientowaną pionowo, tzn. wyjście światłowodu (21) jest skierowane w dół, gdy dron powietrzny (10) znajduje się w pozycji poziomej, (c). Światłowód (21) jest pokryty substancją klejącą w celu zapobieżenia przedwczesnemu rozwijaniu się światłowodu, (d). Jeden z końców światłowodu (21) jest połączony z modułem przetwarzania sygnału drona za pomocą złącza optycznego (22), a drugi koniec jest sprzężony ze złączem optycznym (23) modułu przetwarzania stacji stacjonarnej (20). 

Do tych zastosowań zwykle używamy platform latających, które mogą zawierać wyposażenie pokładowe, składające się z modułu przechwytywania obrazu w wysokiej rozdzielczości, na przykład jednej lub więcej kamer 4K.  Wszystkie drony, w formie modeli helikopterów objęte wynalazkiem,  są to tak zwane maszyny latające z obrotowymi skrzydłami, sterowane zdalnie za pomocą urządzenia sterującego. Ponieważ większość dronów jest sterowana za pomocą łącza radiowego sterowanego  przez pilota, to w  przypadku zastosowań związanych z zobrazowaniem pojawia się problem niezawodnego przesyłania danych wideo. Łącza radiowe między dronem a stacją naziemną zasadniczo nie są odpowiednie  ze względu na natężenie przepływu, solidność sygnału, rozmiar, autonomię i wagę sprzętu pokładowego do przetwarzania danych dostarczanych przez kamerę oraz  nawiązywania sesji  z  ziemią oraz protokoły przetwarzania i warstwy transportu sygnału. Dlatego ogólnie preferuje się zapisywanie danych cyfrowych w pokładowej pamięci RAM, co umożliwia dalszą pracę po powrocie drona sesji lotnej.

Omawiany system składa się z drona powietrznego z obracającymi się poziomymi  śmigłami, sterowanego zdalnie za pomocą urządzenia sterującego, przy czym dron ten jest wyposażony w co najmniej jedną kamerę wizyjną  o wysokiej rozdzielczości, a także moduł przetwarzania sygnału pochodzącego z kamery w celu wytworzenia strumienia obrazy i środki do transmisji strumienia obrazów czasie rzeczywistym do stacji stacjonarnej, znamienne tym, że środki transmisji w czasie rzeczywistym składają się ze światłowodu zamontowanego na  integralnej szpuli   w/w drona, przy czym jeden koniec wspomnianego światłowodu jest połączony z modułem przetwarzaniem sygnału obrazu drona za pomocą złącza optycznego, a drugi koniec jest połączony ze złączem optycznym modułu przetwarzającego odebrany obraz stacji stacjonarnej.

Szpula o średnicy 10cm  jest przymocowana do drona tak, aby jej oś była skierowana pionowo, a wylot światłowodu skierowany był w dół, gdy dron znajdował się w pozycji poziomej, przy czym  wspomniany światłowód jest włóknem jednomodowym z osłoną ochronną, pokrytą substancją przylegającą, na przykład smarem, aby zapobiec niezamierzonemu rozwinięciu się światłowodu nawiniętego na szpulę, która jest w zasadzie  jednorazowa. Światłowód jest uwalniany ze szpuli od wewnątrz, zaczynając od zwojów wewnętrzny. Dron według wynalazku  charakteryzuje się tym, że zawiera urządzenie optoelektroniczne przekształcające fotony przenoszone przez włókno na dwie odrębne informacje elektryczne odpowiadające sygnałom sterującym funkcjonalnościami wspomnianego drona i drugim służącym do transmisji strumienia wideo.

System według wynalazku wykorzystuje latający dron (10) wyposażony w czujnik obrazu o wysokiej rozdzielczości 4K (11), na przykład model sprzedawany pod nazwą „DJI Mavic 2 Zoom” sterowany za pomocą transceivera (12) częstotliwości radiowej.  Niewielka waga nawiniętego światłowodu  oraz jego wytrzymałość mechaniczna pozwalają na zapewnienie takiego połączenia bez istotnego pogorszenia parametrów lotu drona powietrznego, jednocześnie umożliwiając transmisję szerokopasmową w CWDM i DWDM na kilka kilometrów. Pod koniec misji akwizycji obrazu włókno łączące z  dronem  zostaje zerwane i porzucone. Jeżeli jednak wykorzystana zostanie tylko część zwiniętego włókna, cewkę wraz z pozostałym włóknem można ponownie wykorzystać do nowej misji, po ponownym podłączeniu wolnego końca do stacji sterującej (30).

Szpula  umożliwia rozwijanie włókna z bardzo dużą prędkością, która może przekraczać 100 km/godz. godzinę, a także na bardzo duże odległości, kilka kilometrów, a nawet dziesiątki kilometrów, nie powodując zerwania włókien.

Aby zapewnić przyczepność zwojów na zewnątrz nawoju, powłokę światłowodu pokrywa się spoiwem o odpowiedniej konsystencji. Konsystencja jest tak dobrana, aby uniknąć odwijania się włókna światłowodowego w przypadku braku przyczepności na dolnym końcu światłowodu oraz aby podczas wykonywania takiego naciągu wywierać niski opór, aby uniknąć zerwania światłowodu w przypadku nagłego przyspieszenia drona lub jego ruchu z dużą prędkością. Zwykle jest to lepkie lub nadające się do natryskiwania spoiwo o konsystencji, której wskaźnik NLGI mieści się w zakresie od  2  do 4, ale specjaliści w tej dziedzinie będą w stanie wybrać w drodze kolejnych eksperymentów rodzaj spoiwa i konsystencję najbardziej odpowiednią do pogodzenia przyczepności w spoczynku i zmniejszone hamowanie podczas odwijania.

Szpula (20) jest zamontowana na dronie w sposób stały i nieobrotowy ale zapewnia odwijanie  uzwojenia  podczas przemieszczania drona powietrznego. Dron może posiadać płytkę do szybkiego mocowania szpuli, za pomocą klipsa lub zatrzaskowego  zaczepu (22), aby umożliwić szybki i pewny montaż szpuli na dolnej powierzchni drona. Te elementy do zawieszania można również umieścić na akumulatorze (13) zamocowanym pod dronem (10). Górny koniec światłowodu (21) zawiera złącze optyczne (22) połączone z komplementarnym złączem drona (10).  Alternatywnie, szpula (20) składa się wyłącznie z nawiniętego włókna, bez rdzenia, przy czym włókno jest ewentualnie pokryte lepką lub lepką powłoką i jest zablokowane pomiędzy dwoma poprzecznymi kołnierzami (41, 42)  łączącymi się ze sobą dwie poprzeczne powierzchnie czołowe (24, 25) szpuli (20). 

Opcjonalnie światłowód (21) można również wykorzystać do transmisji danych i poleceń ze stacji stacjonarnej (30) do drona (10), na przykład w redundancji z poleceniami przesyłanymi przez pilota (12), szczególnie w przypadku zakłóceń elektromagnetycznych lub złych warunków atmosferycznych lub jako zamiennik sterowania częstotliwością radiową.  Łącze światłowodowe umożliwia  pilotowanie drona (10)  z jednoczesnym skierowaniem obrazu do pilota, w obszarach zakłóconych: miejscach, w których transmisja HF jest zabroniona (lotniska, rafinerie itp.) lub zakłócona (podziemne galerie, bunkry, itp.). piwnice itp., oraz  podczas  misji wojskowych, którym towarzyszą celowe zakłócenia wroga.

W  omawianym wariancie dron (10) jest wyposażony w multiplekser optoelektroniczny, podobnie jak stacja stała (30), przy czym multipleksowanie transmisji polega na przesyłaniu dwóch różnych długości fal w jednym włóknie (21): Do sterowania maszyną przeznaczona jest długość fali (zwykle 1300 nm), druga długość fali przeznaczona jest do transportu transmisji wideo (zwykle 1550 nm, ponieważ dostępna szerokość pasma jest jeszcze większa).  W tym wariancie dron (10) korzystnie wyposażony jest w komputer sterujący, który w znany sposób steruje  powrotem do pozycji referencyjnej w przypadku utraty komunikacji, na przykład w wyniku przerwania światłowodu (21).  Preferowany przykład wykonania wynalazku dotyczy zastosowania nieruchomej szpuli światłowodowej przymocowanej do drona, zamocowanej pionowo na dronie wielowirnikowym  i skierowanej w stronę ziemi, gdy dron  jest przystosowany do lotu poziomego.  Pokazana szpula składa się z samonośnego uzwojenia włókien pokrytych lepką przylegającą substancją, tworzących pusty walec (20), którego włókno odwija się z wewnętrznej powierzchni walca  i   opuszcza go  zasadniczo  w osiowym kierunku  dna szpuli,  przy czym  lekka przyczepność  kompensuje  opór mechaniczny wynikający z siły przylegania  pomiędzy sąsiednimi warstwami włókien. Ta przyczepność może być bardzo mała i po prostu wynikać z ciężaru już uwolnionego włókna, tak że siła wywierana na strefę odwijania jest prawie zerowa.

US11104434 Roaming airborne explorer system, SHILAT OPTRONICS LTD, Guetta et al. Data patentu: 31.08.2021. Przedmiotem patentu jest latające urządzenie do obserwacji zamkniętego obszaru, składające się z platformy wyposażonej w kamere wizyjną oraz dołączonego balonu nośnego lżejszego od powietrza. Wirnik ustawiony poziomo zapewnia dodatkową siłę nośną, podczas gdy wirnik pionowy skierowany wzdłuż platformy zapewnia ruch do przodu i do tyłu, a dodatkowe wirniki boczne  sterują  obracaniem rządzenie. Wirniki napędzane są silnikami elektrycznymi zasilanymi z akumulatora pokładowego. Pionowo skierowany czujnik odległości mierzy i kontroluje odległość zawisu urządzenia od dachu. Szpula światłowodu jest zainstalowana na tylnym końcu platformy, a światłowód rozwija się ze szpuli urządzenia, podczas jego ruchu  do przodu. Ten światłowód przenosi dane obrazu z powrotem do monitora. Długość rozłożonego światłowodu, w połączeniu z odczytami położenia  w trzech kierunkach  i akcelerometrem, może być wykorzystana do określenia bezwzględnej pozycji urządzenia w przestrzeni..

FIG.1 przedstawia schematycznie widok elewacji bocznej platformy urządzenia mobilnego zgodnie z przykładowym wdrożeniem niniejszego wynalazku; FIG.2 przedstawia schemat blokowy przykładowego układu elektronicznego sterowania  dla urządzenia mobilnego, którego platforma jest pokazana na FIG.1;  FIG.3  schematycznie ilustruje platformę urzadzenia z FIG.1 przymocowaną do balonu wypornościowego.

Platforma ładunkowa jest nieco podobna do drona typu quadcopter, ponieważ część siły nośnej jest zapewniana przez wirnik o pionowo ustawionych osiach obrotu, przy czym wirnik jest napędzany za pomocą silnika elektrycznego zasilanego z pokładowego źródła akumulatora. Jednak w przeciwieństwie do konwencjonalnych urządzeń typu quadcopter, w obecnych urządzeniach większość siły nośnej urządzenia zapewnia lżejszy od powietrza balon, z którego podtrzymywana jest platforma urządzenia. W optymalnych konfiguracjach balon jest wykonany tak, aby miał taką objętość i wypełnienie gazem, że może zapewnić zwykle ponad 90% wyporności wymaganej do utrzymania platformy w powietrzu. Ma to natychmiastowy efekt w postaci zapewnienia znacznie dłuższego czasu lotu niż konwencjonalne urządzenie typu quadcopter, ponieważ akumulator musi dostarczać energię tylko dla ułamka wymaganej siły nośnej, podczas gdy w urządzeniu typu quadcopter akumulator musi zapewnić 100% siły podnoszenia urządzenia, oprócz napędu ruchu poziomego. Ponadto, dodatkowa wyporność i stateczność zapewniana przez balon oznacza, że może być użyty pojedynczy wirnik nośny, zamiast czterech wirników stosowanych w quadkopterach, chociaż użycie więcej niż jednego wirnika w obecnie opisywanym urządzeniu nie jest wykluczone. Dodatkowo zastosowanie balonu podtrzymującego od góry platformę ładunkową, zwiększa stabilność sterowania urządzenia.

Wirnik lub wirniki obecnie opisywanego urządzenia mogą być znacznie mniejsze niż wirniki quadkoptera o podobnej wielkości, ale są wtedy mniej wydajne w zapewnianiu ruchu wzdłużnego (do przodu i do tyłu) oraz ruchów pochylenia i odchylenia. Jednak dodatkowe wirniki dodane do platformy ładunku użytecznego mogą wykonywać te ruchy, na ogół z większą wydajnością, łatwością sterowania i stabilnością niż w przypadku konwencjonalnych quadkopterów. Liczba używanych wirników może wynosić od czterech do sześciu, a ta kombinacja powinna umożliwić urządzeniu:

(i) unoszenia się w przestrzeni na ustalonej wysokości od sufitu lub podłogi,

(ii) poruszanie się na boki we wszystkich czterech kierunkach (do przodu, do tyłu, w prawo i w lewo),

(iii) obracać się wokół własnej osi (osi odchylenia) w stanie zwisu,

(iv) dostosowanie kąta nachylenia platformy urządzenia, oraz

(v) regulacje kąta przechyłu platformy urządzenia.

Kamera skierowana do przodu jest zainstalowana w części dziobowej platformy urzadzenia, aby zapewnić obraz w czasie rzeczywistym w kierunku, w którym porusza się platforma.  Dodatkowym wyposażeniem jest źródło światła, które powinny mieć miejsce w większości sytuacji — w których nie ma oświetlenia otoczenia lub jest ono niewielkie. Stosowanie źródeł diod elektroluminescencyjnych (LED) jest ogólnie korzystne i wygodne. Źródła mogą być wybrane tak, aby emitowały w zakresie widzialnym lub w podczerwieni. Zastosowanie zobrazowania w podczerwieni skierowanej do przodu (FLIR) umożliwia systemowi obrazowania penetrację dymu i oparów, które mogą być obecne w środowisku, w którym urządzenie jest używane. Kamera może być zamontowana na gimbalu lub zamontowana w pozycji obrotowej i sterowana elektronicznie w celu obrazowania różnych sektorów na ścieżce urządzenia mobilnego, umożliwiając w ten sposób oświetlenie po bokach ścieżki urządzenia, dzięki czemu można zapewnić pokrycie co najmniej 180° w kierunku lotu urządzenia mobilnego. Sygnały wyjściowe zawierające obrazy wideo generowane przez kamerę światła widzialnego mogą być zawracane do modułu sterującego za pomocą łącza światłowodowego, co zapewnia wolne od zakłóceń łącze o dużej przepustowości  i  bardzo niskiej wadze.

Projekt urządzenia roamingowego pokazany na FIG.1  schematycznie ilustruje widok elewacji bocznej platformy nośnej 9.  Rama 10 platformy  9 powinna być wykonana z lekkiego materiału, takiego jak lekka konstrukcja polimerowa lub włóknista, ponieważ im lżejszy ładunek, tym mniejszy rozmiar balonu jest wymagany do jego podtrzymania. A im mniejszy rozmiar balonu, tym mniejsze wymiary przejść, przez które urządzenie wędrujące może się przemieszczać lub wędrować. Na górnej krawędzi ramy znajdują się łączniki 11 w celu przymocowania ramy 10 do jej lżejszego od powietrza balonu, jak pokazano na FIG.3. Dodatkowa wyporność i kontrola wysokości zawisu platformy ładunkowej są zapewniane przez główny wirnik wypornościowy 12, który jest zamontowany z łopatami wirnika zasadniczo poziomymi, tak aby mógł dostarczać ładunek. Ten wirnik jest napędzany silnikiem elektrycznym 13, tak jak ma to miejsce w przypadku wszystkich innych wirników na platformie ładunkowej. Główny wirnik ruchu do przodu 14 jest zamontowany ze swoją osią w orientacji niemal poziomej i wzdłuż osi podłużnej platformy ładunkowej i jest zainstalowany nieznacznie za środkiem ciężkości platformy. Nieznaczne pochylenie do góry nadane temu wirnikowi ma na celu skompensowanie zmniejszenia siły nośnej przez wirnik podnoszenia, gdy inne wirniki pracują i odprowadzają prąd z głównego akumulatora, co  zapewnia dodatkowy element siły nośnej w tych warunkach. Para skierowanych bocznie wirników 15 jest umieszczona w pobliżu przedniego i tylnego końca platformy ładunkowej w celu zapewnienia platformie ruchu odchylenia, który jest wykorzystywany do umożliwienia urządzeniu wędrownemu obracania się wokół siebie w celu pokonywania narożników przejścia lub przestrzeni, w której się porusza. Na tylnym końcu ramy zainstalowano swobodnie obracającą się szpulę lub kołowrotek 16, podpartą na konstrukcji rozpórkowej 17.  Włókno optyczne 18 jest nawinięte na tę rolkę 16,  a  gdy urządzenie wędrujące przesuwa się do przodu przez nadzorowany lub mapowany korytarz, rolka obraca się swobodnie, gdy włókno optyczne 18 jest rozkładane za ruchomym urządzeniem. Urządzenie liczące obroty, takie jak urządzenie kodujące optyczne i optyczny zespół przełącznika szczelinowego 19 lub dowolne inne odpowiednie urządzenie może być użyte do zliczenia liczby obrotów rolki, co może zostać przełożone na długość rozwiniętego włókna, tak aby można było określić odległość przebytą przez urządzenie.

 Ładunek monitorujący jest zamontowany w przedniej części ramy, a kamera zobrazowa 1 jest zamontowana z przodu, na sterowanym obrotowym gimbalu lub osi obrotu 2, tak aby kierunek pola widzenia kamery mógł być regulowany zgodnie z wymaganiami operatora. Urządzenie oświetleniowe LED 3 jest również zamontowane na przednim końcu ramy. Płytka  elektroniczna 4 jest używana zarówno do przetwarzania wyjścia wideo kamery, jak i do sterowania wszystkimi funkcjami ruchu i stabilności platformy ładunku poprzez różne wirniki i czujniki platformy. Te obwody elektroniczne mogą być również używane do sterowania wysokością zawisu i do wykrywania położenia i odległości, wykorzystując dane wejściowe z różnych czujników zainstalowanych na platformie nośnej.  Ponadto płytka elektroniczna może być używana do konwersji elektronicznego sygnału wideo z kamery na sygnał optyczny do transmisji w dół światłowodu 18.  Czujnik wysokości 5 może być wygodnie optycznym czujnikiem wysokości, przesyłającym modulowaną wiązkę optyczną w górę i określającym czas przejścia impulsów, aby powróciły do ​​detektora po odbiciu od dachu lub sufitu. Na koniec zainstalowano lekką baterię 6 do zasilania obwodów elektronicznych i silników elektrycznych różnych wirników zainstalowanych na omawianej platformie.

 FIG.2, ilustruje schematyczny diagram blokowy przykładowego wykonania układu elektronicznego sterowania  urządzenia lotnego pokazanego na FIG.1. Sterowanie urządzeniem jest wykonywane w centralnym mikroprocesorze sterującym 20, korzystnie wdrożonym na programowalnym układzie (FPGA),  zamontowanym na płytce obwodu elektronicznego 4 na platformie ładunku 9.  Kontroler odbiera dane wejściowe z różnych czujników w celu zdefiniowania położenia urządzenia. Te dane wejściowe obejmują dane wejściowe z czujnika wysokości 21, dane wejściowe z czujnika obrotu szpuli 22, który jest używany do określania przebytej odległości liniowej, dane wejściowe z czujnika orientacji magnetometru lub kompasu magnetycznego 23  oraz dane wejściowe z urządzeń akcelerometru i żyroskopu MEMS 24. Te dwa ostatnie czujniki  23, 24 mogą być zintegrowane w pojedynczym układzie scalonym śledzącym ruch. Jedno z takich urządzeń, MPU-9250, dostępne w firmie InvenSense Inc. z San Jose w Kalifornii w USA, ma  czułość 9-osiową  i  jest obecnie dostępne w pojedynczej lekkiej obudowie o wymiarach nie większych niż 3mm×3mm×1mm, zawierającej 3-osiowy żyroskop, 3-osiowy akcelerometr, 3-osiowy kompas cyfrowy i pokładowy mikroprocesor przetwarzający dane ze wszystkich tych funkcji, aby zapewnić orientację platformy we wszystkich 3 wymiarach.

Zintegrowane informacje wyjściowe dotyczące ścieżki i położenia urządzenia są przesyłane przez światłowód do stacji monitorującej 30, gdzie operator urządzenia może przeglądać trasę  urządzenia.  Na podstawie przebiegu penetracji i dowolnego zaplanowanego programu nadzorującego operator urządzenia może wprowadzać polecenia sterujące 25 do urządzenia, aby poinstruować je, aby wykonało wymagane kroki ruchu i poinstruować oświetlenie przednie 27, aby  kontrolowało ustawienie kamery 28.  Sygnały wideo odbierane przez kamerę zobrazową 31, które trafiają do sterownika są przesyłane do stacji monitorującej 29,  po konwersji z cyfrowych i analogowych sygnałów elektronicznych na sygnały optyczne.

Na koniec, na podstawie danych wejściowych dotyczących odległości, wysokości i orientacji oraz zaplanowanej lub nakazanej pozycji, wysokości i orientacji urządzenia, do silników różnych wirników 26A, 26B, 26C, . . . 26N dostarczane są dane wyjściowe elektryczne w celu uzyskania pożądanych rezultatów.  W  odniesieniu do FIG.3, która schematycznie ilustruje platformę ładunku 9 typu pokazanego na FIG.1, przymocowaną do jej balonu wypornościowego 35, tak aby  unieść 90% ciężaru platformy ładunku typu, wymagane jest wypełnienie balonu helem o objętości około 200 do 250l. Ponieważ taki balon może utrzymać ciężar około 120 g, a przykładowy projekt platformy urzadzenia z FIG.1 waży 130g, więc  używając opisanego powyżej balonu, dodatkowy udźwig 10g musi być dostarczony przez wirnik nośny platformy. Ten przykład ilustruje korzyść, jaką można uzyskać dzięki użyciu balonu wypornościowego w opisywanych obecnie systemach. Podczas gdy konwencjonalny quadrocopter o takiej zdolności unoszenia może mieć akumulator o pojemności pozwalającej na utrzymanie go w powietrzu przez 10 do 15 minut, tak więc użycie balonu wypornościowego 35, wydłuża czas lotu do ponad 30 minut.

US11884175 Self-powered drone tether, ROBOTIC RES OPCO LLC, LACAZE ALBERTO DANIEL et al. Data patentu:30.01.2024. Przedstawiony wynalazek opisuje drona z własnym zasilaniem, który obejmuje drona z możliwością ładowania akumulatora, zwanego dalej dronem lotnym połączonym z  dronem na uwięzi, który jest połączony liną zasilania, zwanego dalej dronem bazowym  z możliwością łączenia drona lotnego,  za pomocą mechanizmu sprzęgającego pomiędzy dronem lotnym a dronem na uwięzi.

W tym przypadku dron na uwięź przesyła zarówno energię, jak i dane, a także przenosi układ obniżający napięcie, który potrafi zmienić napięcie z linii zasilania  na napięcie potrzebne do ładowania akumulatora drona lotnego. Mechanizm sprzęgający pomiędzy dronem bazowym a dronem  lotnym  to elektromagnes, płytka galwaniczna, magnes trwały lub mechaniczny mechanizm wiążący. Podczas procesu ładowania drona lotnego, jego ciężar jest podnoszony  wyłącznie przez drona bazowego lub wyłącznie przez drona ładowanego, lub przez kombinację obu tych urządzeń.

Fig.1 —Ilustracja przedstawiająca różne części drona z możliwością ładowania, drona z uwięzią i stacji bazowej; Fig.2 —rysunek drona z możliwością ładowania ( 200 ), drona z uwięzią ( 202 ), uwięzi ( 203 ), mechanizmu dokującego ( 204 ), uchwytu uwięzi ( 205 ) i  łącza zasilania pojazdu ( 206 ).

Fig.1 pokazuje schemat różnych części związanych z dronem lotnym, dronem na uwięzi i stacją bazową, która jest wyposażona w przetwornik napięcia ładującego akumulatory drona lotnegoł. Dron na uwięzi jest podłączony za pomocą uwięzi przez mechanizm dokujący do stacji bazowej, która ma przetwornik napięcia zasilania systemu dronów z  akumulatorów lub generatora napiecia. Według Fig.2 dron na uwięzi ( 202 ) jest przymocowany do końca uwięzi ( 203 ).  Gdy główny dron (dron z akumulatorem ( 200 )) odłączy się, dron na uwięzi ( 200 ) może przytrzymać odłączoną uwięzi ( 203 ) albo na miejscu, albo podczas powolnego zwijania jej z uchwytu uwięzi ( 205 ). Jeżeli wystarczająca moc może zostać przesłana przez uwięzi ( 203 ), dron lotny ( 200 ), gdy jest podłączony, może się wyłączyć (np. zatrzymać silnik lub w inny sposób spowolnić) swóje silniki 207 i naładować akumulatory.  Akumulatorowy dron ( 200 ) może być ponownie podłączony do uwięzi ( 203 ) utrzymywanej w górze przez drona z uwięzią ( 202 ). Umożliwia to  dronowi ( 200 ) ponowne podłączenie bez konieczności lądowania i przerywania misji obserwacyjnej.

Uwięź przesyła zarówno moc, jak i dane z mobilnej stacji naziemnej do drona na uwięzi. Napięcie zasilania systemu wynosi ponad 500V. Dron na uwięzi posiada system obniżania napięcia, który jest w stanie przekształcić napięcie z uwięzi na napięcie potrzebne dronowi lotnemu. Przetwornica napięcia, znana również jako przetwornik mocy lub transformator napięcia, to urządzenie do konwersji energii elektrycznej, służące do zmiany wyjścia elektrycznego źródła zasilania.  Mechanizm sprzęgający  208 pomiędzy dron na uwięzi 202  a  dronem lotnym 200 to elektromagnes,  magnes trwały lub mechaniczny mechanizm wiążący utrzymywany w pewnej odległości od dron na uwięzi 202 przez łącznik 209. Elektromagnes to rodzaj magnesu, w którym pole magnetyczne wytwarzane jest przez prąd elektryczny, który zazwyczaj  składają się z drutu nawiniętego w cewkę, a prąd płynący przez drut tworzy pole magnetyczne, które jest skoncentrowane w otworze oznaczającym środek cewki.

Dron uwięziony może wystartować i pociągnąć uwięzi do pożądanej wysokości sprzęgania, a manewr sprzęgania można wykonać zarówno w powietrzu, jak  przed startem tego drona z ziemi. Ruchy potrzebne do wyrównania i połączenia mechanizmu sprzęgającego są wykonywane przez pozostawienie drona uwięzionego w pozycji stacjonarnej, która zapewnia sprzężenie  drona lotnego z dronem stacjonarnym w locie. 

WNIOSKI

Według stanu techniki system dronów uwięzionych wykorzystuje stałe łącze fizyczne w postaci elastycznego przewodu lub kabla, aby zapewnić zasilanie i komunikację z UAV (bezzałogowym statkiem powietrznym).  Ze względu na niezdolność dronów ze skrzydłami stałymi do nieruchomego zwisu, systemy  uwięzione UAV wykorzystują  quadrocoptery lub inne drony wielowirnikowe, a także aerostaty. Są one używane w sytuacjach, w których wymagany czas aktywnego lotu jest większy niż w przypadku drona latającego swobodnie, a potrzebny jest tylko minimalny obszar operacyjny. Uwięź drona zazwyczaj zapewniają do kilkuset metrów wysokości operacyjnej, przy czym czynnikiem ograniczającym jest zdolność drona do utrzymania ciężaru uwięzi. Uwięzi drona mogą być wykonane z aramidu lub innych lekkich materiałów syntetycznych, aby zapewnić wytrzymałość, z miedzią lub miedzią platerowaną do przewodzenia zasilającej energii elektrycznej mocy, a światłowodem do przesyłania danych i komunikacji. System może być sterowany ze stacji naziemnej lub z stacji na pojeździe.

Najczęstszym zastosowaniem quadrocopterów na uwięzi jest zapewnienie możliwości stałego nadzoru w celu zachowania świadomości sytuacyjnej. Wojskowe drony na uwięzi są używane do ISR (wywiad, nadzór i rozpoznanie), reagowania na katastrofy, zarządzania zdarzeniami i bezpieczeństwa, monitorowania ruchu i wielu innych zastosowań. Dane przesyłane za pomocą światłowodowego łącza z drona na uwięzi mają tę zaletę, że są bezpieczniejsze, ponieważ są mniej podatne na zakłócenia niż sygnały bezprzewodowe i  nie  mogą być zagłuszane jak sygnały RF.

Drony te  są również wykorzystywane jako część przekaźników komunikacyjnych dalekiego zasięgu do tworzenia tymczasowych sieci dla sygnałów komórkowych, radiowych i szerokopasmowych. Prowadzone są również badania nad wykorzystaniem systemów UAV do wytwarzania energii elektrycznej poprzez wykorzystanie energii wiatrowej. Drony na uwięzi mogą być wyposażone w różnego rodzaju ładunki odpowiednie do konkretnej misji, w tym kamery IR i HD do przesyłania strumienia wizji  w czasie rzeczywistym oraz przekaźniki radiowe i czujniki środowiskowe.

Stacja naziemna systemu uwięzi UAV z zasady dostarcza energię do drona i jego ładunków z połączenia z siecią elektryczną lub generatorem. Może być dostępny akumulator zapasowy na wypadek przerw w głównym źródle zasilania. Stacje naziemne  UAV mogą obejmować inteligentne zarządzanie energią, a także automatyczną kontrolę  uwięzi z pozycjonowaniem GPS w celu utrzymania pułapu lotu i pozycji nawet w niesprzyjających warunkach pogodowych. Monitorowanie, kontrole stanu i procedury bezpieczeństwa dla bezzałogowego systemu powietrznego mogą być również wbudowane w zakres adaptacyjny stacji naziemnej.

ORION 2.2 TE – Tactical Tethered Drone for ISR and Telecommunications

ORION 2 Tethered Drone for FOB Protection

 

.