Waar zijn drones van gemaakt?

Topmaterialen gebruikt in drones:

• Met koolstofvezel versterkte composieten (CRFC's)
• Thermoplastische materialen zoals polyester, nylon, polystyreen, enz.
• Aluminium
• Lithium-ionbatterijen

Het lijkt gisteren dat drones noviteiten waren, prototypes gebouwd door bedrijven en ondernemende hobbyisten. Nu lijkt het alsof drones de wereld hebben overgenomen. Ze zijn overal en vervullen rollen in de industrie, kunst en zelfs als kinderspeelgoed . Mensen zien vaak over het hoofd dat deze kleine vliegmachines pas sinds kort gemeengoed. Drones staan ​​nog in de kinderschoenen en naarmate de materiaal- en microcontrollertechnologieën verbeteren, zullen de drones van de toekomst evolueren op manieren die bijna sciencefiction lijken .

Door te kijken naar de manier waarop drones zijn ontworpen en de materialen waaruit ze zijn gemaakt , kunnen we begrijpen hoe deze belangrijke technologie zich heeft ontwikkeld en een idee krijgen van hoe deze zich in de nabije toekomst zou kunnen ontwikkelen.

Dus, wat zijn drones? Hoe zijn ze ontworpen? En wat drijft hen ertoe om een ​​wijdverbreide technologie te worden?

Laten we het uitzoeken.

Wat zijn drones?

Voor de meeste mensen is een 'drone' een specifiek type onbemand luchtvaartuig (UAV) :de multirotor of multicopter. Zoals de naam al aangeeft, vliegen deze machines door de stuwkracht naar beneden te richten vanaf twee of meer motoraangedreven propellers .

De meest populaire consumentenmodellen zijn quadcopters (4 rotoren), maar commerciële varianten omvatten hexacopters (6 rotoren) en octocopters (8 rotoren) voor meer lift. Hoewel er een grote verscheidenheid aan militaire en civiele drones is daarbuiten, zullen we ons concentreren op gewone multirotor-drones en de materialen waarvan ze zijn gemaakt.

Om te kunnen vliegen, moeten drones in staat zijn voldoende opwaartse stuwkracht te genereren om hun eigen gewicht te overwinnen, dus de selectie van materialen in een drone wordt gedomineerd door het minimaliseren van de massa van de drone .

Elke gram materiaal dat wordt gebruikt om een ​​drone te maken kost energie om op te tillen, en elke gram die kan worden bespaard, verbetert de prestaties:

• Verhoogde laadcapaciteit
• Verlengde vliegtijd
• Verminderde inertie en verbeterde wendbaarheid

Dit proces van het selecteren van materialen en het ontwerpen van componenten om de massa te minimaliseren, wordt "lichtgewicht" genoemd ”. Dit geeft ons de belangrijkste selectiecriteria voor materiaaleigenschappen:het minimaliseren van de massa door materialen met een lage dichtheid te selecteren .

Uitsplitsing per onderdeel

Drones zijn complexe apparaten samengesteld uit verschillende componenten samenwerken. Elk onderdeel vervult een andere functie , dus verschillende overwegingen spelen een rol bij het selecteren van materialen voor elk onderdeel . Voor elk onderdeel van een drone moet echter rekening worden gehouden met de materiaaldichtheid om het gewicht te minimaliseren en de prestaties te maximaliseren .

Het frame:alles bij elkaar houden

Het frame geeft een drone zijn vorm en houdt alle subsystemen op hun plaats . Omdat het een mechanische functie heeft, is de belangrijkste materiaaleigenschap voor het frame sterkte . Voor commerciële drones zijn thermoplasten zoals varianten van nylon, polyester en polystyreen populaire keuzes omdat ze goedkoop zijn om er complexe onderdelen van te maken met behulp van spuitgietprocessen .

Thermoplasten bieden ook goede sterkte en lage dichtheid , met verschillende varianten met treksterkten van meer dan 100 MPa en dichtheden van minder dan 2 g/cm3. Veel thermoplasten zijn ook verkrijgbaar in filamenten die kunnen worden gebruikt om 3D-onderdelen op maat te printen , waardoor thermoplasten een populair onderdeel zijn van experimentele drones.

Terwijl commerciële drones wat extra gewicht kunnen opofferen om betaalbaarder te zijn, industriële drones prioriteit prestaties . Een materiaal met een hoge sterkte kan in kleinere hoeveelheden worden gebruikt, wat zorgt voor een nog lichtere, krachtigere drone.

Als we een Matmatch-zoekopdracht gebruiken om de materialen met de laagste dichtheid en de hoogste sterkte te vinden, vinden we de beste keuze voor hoogwaardige droneframes:met koolstofvezel versterkte composieten . Deze composieten bieden een hoge sterkte, lage dichtheid en hoge stijfheid om lichte, stijve drone-frames te maken.

Motoren en propellers:opstijgen

Zonder stuwkracht zou een drone nooit van de grond komen. De motoren die drones aandrijven zijn conventionele elektromotoren met koperen windingen en permanente magneten . De behuizing van de motoren kan worden gekozen om het gewicht te minimaliseren, en thermoplasten of aluminiumlegeringen bieden goede sterkte-gewichtsverhoudingen.

Motoren kunnen echter aanzienlijke warmte genereren. Dus materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals aluminium , kan worden gebruikt voor de behuizing om de motor te helpen koelen.

De rotorbladen van de drones draait met hoge snelheden, dus ze hebben de neiging om de meeste slijtage te absorberen wanneer een drone vliegt (of crasht). Net als de framematerialen, het kiezen van een optimaal rotorbladmateriaal is een kwestie van het maximaliseren van kracht en het minimaliseren van het gewicht.

Sommige rotorbladen zijn gemaakt van met koolstofvezel versterkte composieten . Rotorbladen worden echter vaak beschadigd en vervangen, zoveel zijn gemaakt van thermoplasten om de vervangingskosten te verlagen ze wanneer ze breken.

Omdat rotorbladen gewoonlijk beschadigd raken bij botsingen met hoge snelheid tijdens het draaien, kan een ingenieur die een duurzaam rotorblad wil ontwerpen, materialen filteren op slagsterkte en dichtheid om een ​​geschikt materiaal te selecteren.

Batterijen:de kracht om te vliegen

Van alle componenten in een drone, verbeteringen aan batterijtechnologie misschien wel de belangrijkste doorbraak die moderne multirotor-drones mogelijk maakten. Op dezelfde manier waarop sterkte-gewichtsverhoudingen worden overwogen bij het ontwerpen van mechanische componenten, kunnen batterijprestaties worden gemeten in termen van het gewicht van de batterij .

Metingen zoals specifieke energie (J/kg) en specifiek vermogen (W/kg) beschrijven het vermogen van een batterij om energie op te slaan en vrij te geven in termen van de massa van de batterij .

Oudere loodzuur- en Ni-Cd-batterijen te veel gewogen voor een drone konden ze lang vliegen, als hij zichzelf al van de grond zou kunnen tillen. Echter, moderne lithium-ionbatterijen bieden voldoende energie en kracht in een lichtgewicht pakket om de multirotor-drones van vandaag mogelijk te maken. Toekomstige ontwikkelingen in batterij- en condensatortechnologie zullen nog lichtere, krachtigere drones mogelijk maken.

Sensoren:het zenuwstelsel van de drone

Multirotor-drones zijn elke keer dat ze vliegen bezig met een delicate evenwichtsoefening . Als één motor teveel stuwkracht levert, zal de drone kantelen of zelfs kantelen. Net zoals het menselijk lichaam een ​​complex netwerk van zintuigen en zenuwen gebruikt om zichzelf in evenwicht te houden tijdens het lopen, gebruiken multirotor drones een indrukwekkende reeks sensoren en feedbackmechanismen om in de lucht te blijven .

De meest vitale onderdelen van het "zenuwstelsel" van een drone zijn de kantelsensoren . Door een combinatie van gyroscopische sensoren en versnellingsmeters te combineren, zijn kantelsensoren verbonden in feedbacklussen met de motoren van de drone.

Een drone tijdens de vlucht maakt voortdurend kleine aanpassingen aan de motorstuwkracht om waterpas te blijven, zodat hij kan herstellen van luchtstromingen en extreme manoeuvres. Enkele geavanceerde drones kan ook elke rotor onafhankelijk kantelen , waardoor de drone zowel de richting als de kracht van de stuwkracht kan regelen die het van elke rotor krijgt.

Drones kunnen ook gebruik maken van een verscheidenheid aan andere sensoren om hun interne systemen en de wereld om hen heen te bewaken. Stroom- en spanningssensoren help de drone de energie te volgen die uit zijn krachtreserves wordt gehaald , zodat de piloot weet wanneer het tijd is om te landen en op te laden.

GPS en magnetische sensoren helpen bij navigatie door de locatie en oriëntatie van de drone te meten. Luchtstroomsensoren laat drones hun luchtsnelheid of windstromen detecteren, en die informatie kan worden teruggevoerd naar de balanceringscircuits om de vlucht van de drone nog stabieler te maken.

Microcontrollers en camera's:slimmere drones

Dezelfde vooruitgang in microchiptechnologie waarmee de moderne smartphone is gemaakt, maakt het mogelijk dat drones vliegende computers zijn . Veel van dezelfde chips die te vinden zijn in smartphones (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm, etc.) komen ook voor in drones.

Naarmate drones slimmer worden, zijn ze in staat meer geavanceerde taken op zich te nemen met minder menselijke controle . Op dit moment betekent dit dat drones vooraf bepaalde paden kunnen volgen zonder een menselijke piloot of metingen van een nog grotere reeks sensoren kunnen registreren. Maar onderzoekers leren drones te programmeren om steeds complexere taken uit te voeren zonder menselijke hulp.

Voor de meeste mensen is het hele doel van drones om een camera naar hoogten te dragen die een mens anders niet zou kunnen bereiken . Zelfs eenvoudige drones op consumentenniveau hebben een camera die ofwel video terugzendt naar een smartphone of beelden opslaat in het geheugen.

Filmstudio's gebruiken high-end drones om hun films met een groot budget op te nemen. Door vooruitgang op het gebied van "computervisie" worden camera's echter meer dan alleen een nuttige lading of hulpmiddel voor menselijke piloten. De drones van de toekomst zullen camera's gebruiken om de wereld om hen heen te zien en gebruik die informatie om zichzelf te besturen.

Drones kunnen steeds beter vliegen zonder hulp van een menselijke piloot of zelfs GPS om te navigeren , en dit geeft aanleiding tot een krachtige nieuwe mogelijkheid:drones werken samen. Dronezwermen bestonden voorheen uit teams van drones die GPS gebruikten en communiceren met een centrale controller om te bepalen waar elk individu in de groep past.

Geavanceerd onderzoek heeft echter drones opgeleverd die hun eigen sensoren aan boord en zelfs hun camera's gebruiken om andere drones te herkennen en in formatie te vliegen . Binnenkort kan het gebruikelijk worden om teams van autonome drones te zien optreden als strandwachten , zorg voor gewassen , of vliegen in zoekformaties om hulpverlening bij rampen te ondersteunen .

Technologie met wereldwijde impact

Drones lijken nu overal te zijn. Ze maken films, spelen in films, helpen onroerend goed verkopen, zenden sport uit, creëren nieuwe sporten, werken op boerderijen en fabrieken, jagen op andere drones, en binnenkort bezorgen ze misschien pakketten . Naarmate materialen, AI en microcontrollers verbeteren, zullen drones een revolutie blijven teweegbrengen in een breed scala aan industrieën .

De toekomst van drones

Drones worden met de dag populairder en brengen een revolutie teweeg in de manier waarop de wereld werkt en speelt. De materialen die in drones worden gebruikt zijn geselecteerd om de prestaties te verbeteren met zeer sterke frames en hoge batterijcapaciteiten, terwijl het gewicht wordt geminimaliseerd.

Het minimaliseren van het gewicht van de drones maximaliseert hun prestaties , of het nu gaat om een ​​bioscoopdrone die langere opnames kan maken of om een ​​racedrone nog wendbaarder te maken. Drones worden ook steeds slimmer, en het kan niet lang duren voordat autonome drones een inherent onderdeel zijn geworden van het dagelijks leven.