CC BY
39
Henryk Jafernika)*
'> Polish Air Force University / Instytut Nawigacji, Lotnicza Akademia Wojskowa * Corresponding author / Autor korespondencyjny: [email protected]
The Safety of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Missions in Storm and Precipitation Areas
Bezpieczenstwo lotow bezzatogowych statkow powietrznych (BSP) w obszarach wyst^powania opadow atmosferycznych i burz
ABSTRACT
Objective: The aim of the article is to present the state of the art on threats to UAVs posed by sudden changes of weather conditions, involving in particular storms and hail. Identifying such threats is likely to facilitate the development of hardware and software solutions aimed at improving the safety of the UAV missions.
Introduction: Severe weather phenomena strongly affect the safety of unmanned aerial vehicle (UAV) missions. The article describes in detail the implementation concept of atmospheric discharge and precipitation images using wireless Internet connections for an exemplary mobile application for multi-rotor flight control. The concept was developed to reduce risks associated with flights in storm and precipitation areas, and to maximise the performance of electric multi-rotor UAVs with a maximum take-off mass of no more than 25 kg. This is dealt with in the introductory section and in three substantive sections. UAV capabilities are discussed in the first section, while the second one analyses specific weather conditions which merit particular attention when constructing new UAVs, and the third one outlines some of the solutions employed in UAV steering systems control apps. A number of concluding remarks are presented in the end.
Conclusions: The analysis of usefulness has proven electric UAVs suitability for professional missions. However, these vehicles display a number of limitations, one of the most important being their high sensitivity to weather conditions. With no hermetically sealed hatch, on-board equipment is exposed to penetrating damp caused by various types of precipitation, including drizzle, rain and snow. These can cause a short-circuit and equipment damage, while hailstones can result in UAV mechanical damage. Severe turbulences and strong ascending or descending air currents, which are likely to occur during low-altitude flights, pose a threat of UAV's collision with overground objects. Using more resistant composite materials in the construction of hermetic UAVs could increase the application range of these vehicles. The wide range of possible uses of UAVs encourages further investigations aimed at ensuring their best possible working conditions. Keywords: weather radar, atmospheric discharge, precipitation, UAV Type of article: review article
Received: 10.06.2019; Reviewed: 21.08.2019; Accepted: 30.12.2019; Author's ORCID ID: 0000-0001-5745-698X;
Please cite as: SFT Vol. 54 Issue 2, 2019, pp. 194-204, https://doi.Org/10.12845/sft.53.2.2019.15;
This is an open access article under the CC BY-SA 4.0 license (https://creativecommons.Org/licenses/by-sa/4.0/).
ABSTRAKT
Cel: Celem artykulu jest przedstawienie stanu wiedzy o zagrozeniach dla BSP, jakie niosq ze sobq gwaltowne zmiany warunköw atmosferycznych, przede wszystkim takie jak burze czy grad. Identyfikacja tych zagrozen moze pomöc w wypracowaniu rozwiqzan hardware'owych i software'owych majqcych na celu poprawQ bezpieczenstwa realizacji zadan przez BSP.
Wprowadzenie: Gwaltowne zjawiska meteorologiczne majq zasadniczy wplyw na bezpieczne wykonywanie zadan przez BSP. W artykule przedstawiono szczegölowo koncepj implementacji zobrazowan wyladowan oraz opadöw atmosferycznych przy uzyciu bezprzewodowego lqcza internetowego do przykladowej mobilnej aplikacji kontrolujqcej lot wielowirnikowca. Koncepcja powstala w celu ograniczenia ryzyka zwiqzanego z wykonywaniem lotu w obszarach wyst^powania burz i opadöw atmosferycznych, a takze w celu maksymalizacji funkcjonalnosci wielowirnikowych bezzalogowych statköw powietrznych (BSP) o nap^dzie elektrycznym i masie startowej nieprzekraczajqcej 25 kilogramöw. Tresci te zawarto we wst^pie i trzech rozdzialach merytorycznych. W pierwszej cz^sci artykulu omöwiono mozliwosci BSP. Rozdzial drugi to analiza szczegölnych warunköw atmosferycznych, na ktöre nalezy zwröcic uwag§ przy konstrukcji nowych BSP. W ostatniej cz^sci artykulu zwröcono uwag§ na niektöre rozwiqzania aplikacji pozwalajqcych kon-trolowac systemy sterowania BSP. Calosc artykulu podsumowano wnioskami.
Wnioski: Analiza przydatnosci elektrycznych BSP wykazala ich uzytecznosc do dzialan profesjonalnych. Posiadajg one jednak szereg ograniczen. Jednym z istotniejszych jest znaczna wrazliwosc na warunki meteorologiczne. Brak hermetycznego luku technicznego naraza urzgdzenia pokladowe na penetracjç wilgocig spowodowang opadem mzawki, deszczu, sniegu, a w konsekwencji zwarcie elektryczne i zniszczenie urzgdzen. Ponadto opady gradu mogg powodowac uszkodzenia mechaniczne BSP. Wystçpowanie silnej turbulencji, silnych prgdow wstçpujgcych/zstçpujgcych w lotach na malych wysokosciach stanowig niebezpieczenstwo kolizji z obiektami naziemnymi. Budowa hermetycznych BSP z bardziej wytrzymalych materialow kompo-zytowych moze poszerzyc zastosowanie tego typu produktow. Szerokie mozliwosci wykorzystania BSP sklaniajg do dalszych badan nad zapewnieniem jak najlepszych warunkow pracy tych urzgdzen.
Stowa kluczowe: radar meteorologiczny, wyladowania atmosferyczne, opad atmosferyczny, BSP Typ artykutu: artykul przeglgdowy
Przyjçty: 10.06.2019; Zrecenzowany: 21.08.2019; Zatwierdzony: 30.12.2019; Identyfikator ORCID autora: 0000-0001-5745-698X;
Proszç cytowac: SFT Vol. 54 Issue 2, 2019, pp. 194-204, https://doi.org/10.12845/sft.53.2.2019.15;
This is an open access article under the CC BY-SA 4.0 license (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).
Introductory remarks
The article describes the concept of using data obtained, in particular, from foreign discharge detection systems (Blitzortung) and from the Polish weather radar network (POLRAD) in the planning and organisation of electric multi-rotor unmanned aerial vehicle (UAV) flights with a maximum take-off mass of no more than 25 kg. Such online data images could be easily used to that end. The article further outlines the impacts of selected weather factors, such as rain, storms, hail and strong ascending or descending air currents, on the use of electric UAVs.
Wstçp
W artykule przedstawiono koncepj wykorzystania w planowaniu oraz wykonywaniu lotow bezzatogowymi wielowirnikowcami z napç-dem elektrycznym o masie startowej do 25 kg danych pochodzqcych (przede wszystkim) z zagranicznych systemow detekcji wytadowan atmosferycznych Blitzortung, a takze z sieci polskich radarow meteo-rologicznych POLRAD. Dostçpne w Internecie zobrazowania tych danych mogq byc w prosty sposob zastosowane w planowaniu oraz re-alizacji lotow bezzatogowymi statkami powietrznymi (BSP). W pracy opisano rowniez wptyw wybranych czynnikow meteorologicznych, takich jak deszcz, burze, grad, silne prqdy wstçpujqce i zstçpujqce, na eksploataj BSP o napçdzie elektrycznym.
Examples of electric UAVs suitable for professional use
UAVs have been used, inter alia, for protecting PKP Cargo trains. A special task force which makes use, inter alia, of quad-rocopters, i.e. four-rotor drones (Figure 1), has been operative all over the country. Its duties are performed in cooperation with the police, rail protection guards and even prison services.
Przyktadowe BSP o napçdzie elektrycznym do zastosowan profesjonalnych
BSP znalazty zastosowanie m.in. w ochronie sktadow kolejo-wych przewoznika PKP Cargo. Na terenie catego kraju dziata spe-cjalna grupa operacyjna, ktora wykorzystuje m.in. quadrocoptery, czyli drony o czterech wirnikach (ryc. 1). Swoje zadania realizuje we wspotpracy ze stuzbami, takimi jak Policja, Straz Ochrony Kolei, a nawet Stuzba Wiçzienna.
Figure 1. A UAV patrolling PKP Cargo trains
Rycina 1. Przyktad BSP patrolujgcego sktady kolejowe spotki PKP Cargo
Source/Zrodto: http://static.antyweb.pl/uploads/2015/12/150827PKPCargoDron_040-1280x720.jpg/ [6]
In 2018, PKP Cargo Group carried 119.1 million tonnes of cargo, its transport performance reaching 31.0 billion tkm. The share of Silesia in the total transport performance on the Polish market reached 51.6% [16], and this was the region from which most of the national and international cargo trains departed. For that reason, a decision was made to use UAVs to monitor PKP Cargo trains in Silesia, and the initial success encouraged PKP Cargo Group to use aerial platforms all over the country. In order to control crime, a decision was also made to intensify preventive measures. At present, mainly UAVs equipped with 4K cameras are used to monitor railway routes, and drones featuring thermal-imaging cameras are deployed for night patrols. They can survey the area within a few-kilometre distance from the operator. UAVs are capable of recording images close to the trains and transmit them in real time to the task force's headquarters, facilitating the collection of evidence to help the police identify potential thieves. Once they take off, the vehicles are hardly audible, and given their size and colour, they are almost invisible as well. These qualities significantly increase their efficiency. UAVs can also be operated in adverse weather conditions, including fog and smog [4], enabling detection of human presence from a distance of more than 1 km. This function has proven useful in identifying groups of thieves on many occasions, allowing prompt responses by, and good cooperation between, competent services, and usually resulting in perpetrators being arrested. Such operations have been conducted since 2014 with much success [13].
Electric UAVs with a maximum take-off mass of no more than 25 kg have also been used to measure air quality in selected cities. This involves, in particular, collecting data on entities violating restrictions on burning certain materials and substances, and on the emission of certain harmful pollutants. Such a solution is used, for instance, by the City Guard in Katowice, in collaboration with the Katowice City Office, the Institute for Chemical Processing of Coal and the technical support provider. They deploy a hexacopter (a six-rotor UAV) for preventive purposes. The device has been modified to move the measuring device to different locations to collect air samples and assess their chemical composition. Once it reaches the target spot, it records and measures the level of harmful substances in smoke.
The hexacopter is capable of scanning large urban areas, alerting the operator about the probable use of banned fuels. Along with detecting substances generated through the combustion of the most common fuels, the device also allows measurement of ethanol, ammonia, formaldehyde, hydrogen chloride, as well as PM1, PM2,5 and PM10 content in air samples. Based on the air pollution data thus obtained, the operator decides on sending a patrol to the pollution area in order to conduct routine inspections and verify environmental pollution reports, without the need to involve wardens [1 0], [13]. UAVs can be operated from a several-kilometre distance.
The model used by PKP Cargo is a four-rotor UAV with four electric engines effectively powering biplane propellers. Its maximum take-off mass is 1.22 kg. The UAV can move at a maximum altitude of 6 km, with a maximum speed of 16 m/s (approx. 58 km/h), with the wind speed close to 0 m/s. Such parameters, together with
W roku 2018 Grupa PKP CARGO przewiozta 119,1 mln ton towa-rów oraz wykonata pracç przewozowq na poziomie 31,0 mld tkm. Jednoczesnie udziat Slqska pod wzglçdem wykonanej pracy przewozowej na rynku w Polsce wynióst 51,6% [16]. To wtasnie z tego województwa wyruszata wiçkszosc przewozów krajowych i miçdzynarodowych. Dlatego tez do kontroli sktadów pociqgów przewoznika PKP Cargo postanowiono wykorzystac tam BSP. Sukces grupy operacyjnej PKP Cargo wykorzystujqcej BSP na Slqsku spowodowat, ze spótka zaczçta stosowac platformy la-tajqce na terenie catej Polski. Aby ograniczyc skalç przestçpstw, zostata podjçta decyzja o zintensyfikowaniu dziatan prewencyj-nych. Do monitorowania szlaków kolejowych wykorzystywane sq przede wszystkim BSP wyposazone w kamerç 4K, a do nocnego patrolowania torów takze drony z kamerq termowizyjnq. Odlatu-jq one od operatora na odlegtosc kilku kilometrów. Bezzatogowe statki powietrzne rejestrujq obraz w poblizu sktadów i przesytajq go w czasie rzeczywistym do siedziby zespotu operacyjnego, co pozwala na skuteczne zdobycie materiatu dowodowego, dziçki któremu np. Policja identyfikuje sprawców kradziezy. W powie-trzu maszyny sq praktycznie niestyszalne, a z uwagi na niewielkie rozmiary i kolorystykç stajq siç prawie niewidoczne. Te aspekty zde-cydowanie zwiçkszajq ich skutecznosc. BSP mogq byc takze wykorzystywane podczas niesprzyjajqcych warunków atmosferycznych spowodowanych wystqpieniem mgiet lub smogu [4]. Mozliwe jest wtedy wykrycie cztowieka z odlegtosci ponad kilometra. Funkcjo-nalnosc ta sprawdza siç niejednokrotnie przy ujawnianiu grup ztodziei. Dziçki szybkiej reakcji oraz dobrej wspótpracy pomiçdzy stuzbami, zwykle udaje siç sprawnie ujqc sprawców. Tego typu dziatania prowadzone sq od 2014 roku [13].
Kolejnym zastosowaniem bezzatogowych wielowirnikowców o napçdzie elektrycznym i masie startowej do 25 kg jest bada-nie jakosci powietrza w wybranych miastach. Mowa tutaj przede wszystkim o zebraniu danych o podmiotach tamiqcych zakazy do-tyczqce spalania materiatów i substancji oraz emisji szkodliwych zanieczyszczen. Jednym z uzytkowników stosujqcych w tym celu bezzatogowe wielowirnikowce jest Straz Miejska w Katowicach, dziatajqca wraz z Urzçdem Miasta Katowice, Instytutem Chemicz-nej Przeróbki Wçgla oraz firmq odpowiadajqcq za technologiczne zaplecze projektu. Do dziatan prewencyjnych wykorzystywany jest heksacopter (BSP posiadajqcy 6 wirników) [7]. Zostat on zmody-fikowany w ten sposób, aby przenosic urzqdzenie pomiarowe do pobierania oraz badania sktadu chemicznego powietrza. Dolatu-je on w dowolnie wybrane miejsce, wykonuje zawis oraz pomiar szkodliwych substancji w dymie
Heksacopter skanuje znaczne obszary miasta, informujqc operatora o prawdopodobnym wykorzystaniu niedozwolonego paliwa. Zastosowana aparatura poza wykryciem substancji po-chodzqcych z najczçsciej spalanych odpadów pozwala na analizç zawartosci w badanym powietrzu etanolu, amoniaku, formaldehy-du, chlorku wodoru oraz pytów PM1, PM2,5, PM10. Nastçpnie dys-pozytor - dysponujqc informacjq o zanieczyszczeniu powietrza - podejmuje decyzjç o wystaniu funkcjonariuszy w rejon zanieczyszczen bez koniecznosci przeprowadzania rutynowych kontroli oraz weryfikacji zgtoszen o zanieczyszczaniu srodowiska z udzia-tem strazników [10], [13]. Operator BSP ma mozliwosc sterowania dronem z odlegtosci kilku kilometrów.
an S4 lithium polymer (LiPo) battery with a capacity of 4,480 mAh, allow the flight to continue for up to 25 minutes. The vehicle has automatic, operatorless take-off and landing functions. Using distance detectors, the UAV scans the area below and around it, and automatically determines whether it is safe to land on. That mode can be turned on using the flight control app, whereas automatic landing is activated independently from the operator once the battery is critically low. The air temperature suitable for UAV operation ranges from -10°C to +40°C, and position control is possible only via the Global Positioning System (GPS), as the model in question does not feature an efficiently-operating Global Navigation Satellite Systems (GLONASS). Stability and real-time image transmission are possible thanks to a 12-megapixel camera suspended on a 3-axis Gimbal stabiliser, enabling 27 K-resolution recordings.
The City Guard in Katowice use a different UAV model. It is also an electric multi-rotor aerial vehicle, but its maximum takeoff mass is 15.1 kg (9.1. kg without GPS suspensions). This applies to a GPS equipped with standard TB47S LiPo batteries (six batteries mounted on the frame), each offering a capacity of 4500 mAh. With the robust air quality measurement apparatus suspended, the maximum UAV flight duration is around 26 min. When TB48S LiPo batteries are used instead, offering a much higher capacity (5700 mAh), the UAV mass reaches 9.6kg, and its maximum flight duration with an additional apparatus is extended to nearly 30 min. The vehicle has six actively cooled dust-resistant electric engines and six biplane propellers, allowing it to reach a maximum speed of 18 m/s (approx. 65 km/h) with the wind speed close to 0 m/s, and a maximum altitude of 2,500 m. The air temperature suitable for UAV operation ranges from -10°C to +40°C, and position control is possible via the GPS. The vehicle's landing skids can be raised and lowered manually. The nominal operating radius of the UAV steering systems used for flight control in the described models is 500 and 3,500, respectively [8].
The operating radius can be further increased. Using the directional antenna Tracker FPV to follow the GPS signal [9] in a relatively open area allows for the radius in a given direction to be quite easily extended to 8 km [1], [14].
In both models under analysis, the GPS operates in frequency bands 5.725 - 5.825 GHz, and can cooperate with a tablet or a smartphone when placed in a special holder. This enables a remote UAV flight control, using a dedicated app operated through these mobile devices. The current app version, via its main screen (Figure 2), makes it possible to simultaneously view the images sent by the camera mounted on the UAV and the map (the bottom-left corner of the screen), with an arrow indicating the spatial positioning of the controlled UAV.
The two views can be enlarged interchangeably, but one of them, in the bottom-left corner of the screen, will always be downsized. The visualised map scale can be adjusted to mission-specific requirements. In addition, the map can be blocked in the northern direction, or aligned with the flight direction of the UAV, whose position can also be centred and blocked. The route already covered is also displayed on the map. Information displayed at the top includes the GPS range and satellite number, the control apparatus range, the remaining battery-based flight time and the battery level, the range of video transmission, and
Model wykorzystywany np. przez spôtkç PKP Cargo to cztero-wirnikowy BSP napçdzany czterema silnikami elektrycznymi, które umozliwiajq skuteczny napçd przy pomocy smigiet dwutopatowych. Dopuszczalna masa startowa modelu to 1,22 kg. Moze on poruszac siç na wysokosci maksymalnej równej 6 km z prçdkosciq 16 m/s (blisko 58 km/h) przy prçdkosci wiatru zblizonej do wartosci 0 m/s. Takie parametry wraz z bateriq litowo-polimerowq (LiPo) 4S o po-jemnosci 4480 mAh pozwalajq na lot do 25 minut. BSP posiada funkcjç automatycznego startu i lqdowania bez kontroli operatora. Na podstawie czujników odlegtosci skanuje teren pod sobq i do-okota siebie, by stwierdzic czy jest on odpowiedni do lqdowania. Tryb ten mozna wtqczyc z pozycji aplikacji kontrolujqcej lot, a auto-matyczne lqdowanie aktywuje siç niezaleznie od dziatan operatora w momencie osiqgniçcia przez bateriç krytycznego poziomu nata-dowania. Temperatura powietrza, w której moze pracowac, wynosi od -10°C do +40°C. Kontrola nad jego pozycjq jest mozliwa wytqcz-nie przez system GPS (ang. Global Positioning System), gdyz model ten nie posiada wydajnego systemu GLONASS (ang. Global Navigation Satellite Systems). Kamera podwieszona na trzyosiowym stabi-lizatorze (gimabalu) pozwala na skutecznq stabilizacjç i przesytanie obrazu w czasie rzeczywistym. Ma ona rozdzielczosc 12 megapik-seli, co umozliwia nagrywanie filmów w rozdzielczosci 27 K.
Inny analizowany produkt wykorzystywany jest w stuzbie Strazy Miejskiej w Katowicach. Jest on równiez wielowirnikowcem o na-pçdzie elektrycznym, jednak jego dopuszczalna masa startowa to az 15,1 kg (masa nieobciqzonego podwieszeniami GPS równa siç 9,1 kg). Masa ta dotyczy GPS ze standardowymi akumulato-rami LiPo TB47S (szesc sztuk zamontowanych na ramie), z któ-rych kazdy posiada pojemnosc 4500 mAh. Przy podwieszeniu masywnej aparatury stuzqcej do pomiaru jakosci powietrza, dtu-gosc lotu BSP wynosi okoto 26 minut. Przy zastosowaniu akumu-latorów LiPo TB48S o znacznie wyzszej pojemnosci (5700 mAh) masa modelu rosnie do 9,6 kg, a maksymalny czas lotu z dodat-kowq aparaturq wydtuza siç do blisko 30 minut. Maszyna posiada szesc aktywnie chtodzonych i pytoodpornych silników elektrycz-nych oraz szesc dwutopatowych smigiet. Daje to mozliwosc roz-winiçcia maksymalnej prçdkosci równej 18 m/s (okoto 65 km/h) przy prçdkosci wiatru zblizonej do 0 m/s oraz osiqgniçcie maksy-malnego putapu lotu 2500 m. Kontrola jego pozycji odbywa siç za pomocq systemu GPS, a temperatura otoczenia, w której pracuje, musi oscylowac w zakresie -10°C do +40°C. Jego ptozy podwozio-we sq podnoszone i opuszczane rçcznie. Systemy sterowania stu-zqce do kontroli lotu analizowanych modeli posiadajq nominalny zasiçg dziatania odpowiednio 500 i 3500 m [8].
Zasiçg dziatania systemu sterowania moze zostac jednak zwiçkszony. Zastosowanie kierunkowej anteny do sledzenia sy-gnatu GPS typu Tracker FPV [9] we wzglçdnie otwartym terenie pozwala na przyrost zasiçgu na danym kierunku bez wiçkszych problemów maksymalnie do 8 km [1], [14].
W obu porównywanych modelach systemy sterowania GPS dziatajq w zakresie czçstotliwosci 5,725-5,825 GHz. Posiadajq one mozliwosc wspótpracy z tabletem lub smartfonem zamoco-wanym na specjalnym uchwycie. Umozliwia to zdalnq kontrolç lotu kazdego z opisywanych BSP poza zasiçgiem wzroku przy pomocy dedykowanej aplikacji obstugiwanej na wspomnianych urzq-dzeniach mobilnych. Obecna wersja aplikacji w gtównym widoku
the multi-rotor working mode (GPS, ATTI) which can be activated using the icon on the left side of the screen.
ekranu (ryc. 2) pozwala przede wszystkim na jednoczesny widok z kamery zamontowanej na bezzatogowym statku powietrznym oraz widok mapy (dolny lewy rog aplikacji), na ktorej znajdujemy znacznik odpowiadajqcy pozycji pilotowanego BSP w przestrzeni.
Figure 2. The main screen of the UAV operation app (an example)
Rycina 2. Przyktadowy ekran gtowny aplikacji do obstugi BSP
Source/Zrodto: https://phantompilots.com/attachments/img_0110-png.69432/
Automatic take-off or landing mode icons are also displayed there, depending on whether the UAV is airborne or on the ground, along with the Return-to-Home (RHT) mode which makes the vehicle return from any point in space to an automatically memorised take-off point. At the bottom of the screen, basic pilotage information is displayed, including forward speed, vertical speed and flight altitude. Extensive descriptions of camera functions, including basic photographic and video-recording settings, can be found on the right, together with fast-recording and image-stabilisation settings. The app, thanks to an embedded planner, also offers a possibility to plan the UAV flight along as many as several dozen predefined points, which should be set at relatively even distances from one another. In addition, the app features a range of setting options - from the most basic to the most advanced ones. Such complex settings (Figures 3 and 4) enable extensive personalisation and optimisation of the UAV, its flight, cameras, maps and the app itself, making its use highly efficient.
Kazdy z widokow mozna naprzemiennie powi?kszac, jednak zawsze jeden z nich b?dzie w postaci zmniejszonej w lewym dol-nym rogu ekranu. Wizualizowana skala mapy moze byc ustawiana w zaleznosci od wymogow misji. Map? mozna zablokowac wzgl?-dem potnocy lub moze byc ona zorientowana zgodnie z kierunkiem lotu BSP ktorego pozycja moze byc rowniez wycentrowana i za-blokowana. Na mapie wyswietlana jest takze linia przebytej drogi. W gornej cz?sci gtownego ekranu znajduje si? szereg informacji np. o zasi?gu GPS i liczbie satelitow, zasi?gu aparatury sterujqcej, pozostatym czasie lotu na baterii i procencie jej natadowania, za-si?gu transmisji video i trybie pracy wielowirnikowca (GPS, ATTI), ktory moze byc wybrany przy pomocy ikony po lewej stronie ekranu. W tym miejscu znajdujq si? takze ikony trybu automatycznego startu lub lqdowania, w zaleznosci od tego czy BSP jest w powie-trzu, czy na ziemi oraz trybu „powrotu do domu" RTH (ang. Return-to Home) czyli samoczynnego lotu z dowolnego miejsca w przestrzeni do automatycznie zapami?tanego miejsca startu). Dolna cz?sc ekranu prezentuje podstawowe informacje pilotazowe, takie jak pr?dkosc post?powa i pionowa oraz wysokosc lotu. Po prawej stronie znajdujq si? bardzo rozbudowane opisy funkcji kamery wraz z podstawowymi parametrami fotograficzno-filmowymi oraz mozli-wosciq szybkiego wtqczenia nagrywania i ustawienia stabilizatora obrazu. Aplikacja, dzi?ki wbudowanemu plannerowi, ma takze moz-liwosc zaplanowania lotu po uprzednio wyznaczonych punktach drogi. Program oferuje mozliwosc wyboru kilkudziesi?ciu punktow, ktore powinny byc oddalone od siebie stosunkowo rownomiernie. Oprocz tego aplikacja daje dost?p do szeregu ustawien poczqw-szy od podstawowych do wysoce zaawansowanych. Rozbudowane ustawienia (ryc. 3 i 4) dajq mozliwosc bardzo szerokiej personaliza-cji i optymalizacji BSP jego lotu, kamery, mapy oraz samej aplikacji i pozwalajq na korzystanie z niej w jak najbardziej wydajny sposob.
CLp MC Settings X
Basic Settings Return-to-Home Altitude (20~500m) | jm
¿B HD I The aircraft will go to the altitude listed here before returning to Home Point. A Modifying this altitude will affect automatic ▼ and manual Return to Home. Flight Restrictions
liA Beginner Mode )
In Beginner Mode, the aircraft can only fly within a 30 radius of the Home Point at significantly slower speeds.
Figure 3. An example of advanced settings of the UAV operation app - main controller settings
Rycina 3. Przyktadowe ustawienia zaawansowane aplikacji do obstugi BSP - ustawienia gtowne kontrolera
Source/Zrodto: https://www.drony.net/matrice-600-dji.html/
The impact of selected weather factors on the use of electric UAVs
Precipitation exerts a key impact on the selected electric multi-rotor UAVs described in the previous section of the article. These vehicles do not display sufficient waterproofness. According to the manufacturer's manual [17], they cannot be exposed to drizzle, rain or snow, as these weather phenomena, when occurring during the UAV flight, can cause water to penetrate into the integrated circuit board inside the vehicle structure. This can result in a short-circuit and a more-or-less severe damage to the steering unit. In consequence, the UAV steering in the air can be hindered or - most likely - impossible. Hail, in turn, can cause mechanical damage not only to the vehicle structure but (especially) to the delicate propellers, which can be easily broken given the high rotating speed. Hailstorms are often accompanied by strong winds, including gusts from various directions (turbulences, wind shears), their speed frequently exceeding 30 m/s [2]. Even during storms with lower vertical extend the wind can reach up to 25 m/s. These values exceed the maximum speed allowed for the analysed UAVs, which renders the flight and any task performance impossible. Together with the vertical speed of the ascending or descending air currents, which exceeds 20 m/s in Cumulonimbus clouds, such weather conditions involve an extremely high risk of the loss of maneuverability and, in consequence, UAV damage. The specifications for each UAV model under analysis prescribe a maximum vertical (climbing) speed of 5 m/s. It is, therefore, extremely dangerous for the vehicle to enter a storm cloud where the speed of the ascending or descending air currents is four times higher. Due to the high
Analiza aplikacji wykazata jej duzq wszechstronnosc. Jed-nak aplikacja ta w zadnej cz^sci, w tym w zaktadce, nie zawie-ra jakichkolwiek informacji o aktualnych parametrach meteo-rologicznych, mi^dzy innymi takich jak opady i wytadowania atmosferyczne.
cib Aircraft Battery X
Critical Battery Warning •— 0%
□B Low Battery Warning •— - 0%
HD Flight Time 00:00
fA Show Voltage on Main Screen CD
Time to Discharge 1 Day
Figure 4. An example of advanced settings of the UAV operation app - battery settings
Rycina 4. Przyktadowe ustawienia zaawansowane aplikacji do obstugi BSP - ustawienia baterii
Source/Zrodto: https://www.drony.net/matrice-600-dji.html/
Wpfyw wybranych czynnikow meteorologicznych na eksploataj BSP o nap^dzie elektrycznym
Kluczowy wptyw na wybrane bezzatogowe wielowirnikowce o nap?dzie elektrycznym, opisywane w poprzedniej cz^sci arty-kutu, ma opad atmosferyczny. Maszyny te nie posiadajq stosow-nej klasy wodoodpornosci i zgodnie z instrukcjq producenta [17] nie mogq bye narazone na opad mzawki, deszczu czy sniegu. Tego typu zjawiska mogq podczas lotu powodowae przenika-nie wody do ptyty scalonej znajdujqcej si? we wn?trzu konstruk-cji, doprowadzie do zwarcia obwodow i mniej lub bardziej rozle-gtych uszkodzen jednostki sterujqcej. W konsekwencji sterowanie BSP w powietrzu moze bye utrudnione lub - co mozna stwier-dzie z duzym prawdopodobienstwem - niemozliwe. Opad gradu moze spowodowae z kolei uszkodzenia mechaniczne nie tylko konstrukcji, ale przede wszystkim delikatnych smigiet, ktore przy duzej pr?dkosci obrotowej mogq zostae potamane. Zjawisku bu-rzy z gradem zwykle towarzyszq bardzo silne porywy wiatru wie-jqcego ze zmiennych kierunkow (turbulencje, uskoki wiatru). Ich pr?dkose niejednokrotnie przekracza 30 m/s [2]. Przy burzach o mniejszej rozbudowie pionowej porywy wiatru dochodzq do 25 m/s. Taka pr?dkose przewyzsza pr?dkose maksymalnq anali-zowanych BSP co uniemozliwia lot i wykonywanie jakichkolwiek zadan. Wraz z pr^dkosciq pionowq prqdu wstepujqcego/zstepu-jqcego, przekraczajqcq w chmurze Cumulonimbus 20 m/s, stwa-rza skrajnie wysokie ryzyko utraty sterownosci i w konsekwencji zniszczenie BSP Przy parametrach technicznych BSP ktore mowiq o maksymalnej pr?dkosci wznoszenia, dla kazdego z omawianych BSP wynosi ona 5 m/s. Przebywanie BSP w chmurze burzowej, gdzie pr?dkose prqdow wstepujqcych/zstepujqcych jest cztero-krotnie wi?ksza, jest niebezpieczne. Na skutek wysokiej wilgotno-
humidity and low air temperature in the storm cloud, entering it can result in icing, which then leads to the loss of buoyancy and maneuverability. Along with the increasing mass and erroneous readings of some parameters (e.g. no information on air pressure and altitude from the barometric altimeter, GPS disturbances, or no distance sensor readings), the atmospheric discharge actually proves the most damaging phenomenon for UAVs in the storm area. Given the small size and mass, UAVs are instantly damaged when struck by a lightning. Current values from 30,000 A to 300,000 A, with voltage exceeding 1,000,000 V, cause an immediate and irreversible melting of some elements, such as integrated circuit boards, GPS flight controllers, signal receivers, engines, and ESC engine circuits and regulators, which, in the case of the described UAVs, are suitable for a voltage of up to 40 A, i.e. 750-times lower than the ones encountered during the weakest negative electrical discharge [18]. Lightning strikes also cause mechanical damage to the frame and the delicate propellers of multi-rotor aircraft [1], [7]. The only element that can sustain such high current and voltage values is the battery, with its metal casing and Faraday cage providing protection against the electrostatic field. Moreover, every atmospheric discharge generates strong electromagnetic field which results in a faulty performance of GPS receivers, magnetometers and steering apparatus signal receivers. Finally, the electromagnetic field generated by multi-rotor unmanned aircraft, e.g. by the GPS antenna, the internal measurement unit (IMU), the magnetometer or the receiver, can induce increased ionisation (the so-called ionisation channels), thus causing reduced resistance, hindering the discharge of the accumulated cloud potential [4]. This, in turn, increases the likelihood of the UAV being struck by a lightning. All in all, organising an electric multi-rotor UAV flight in storm areas puts the operator at risk of losing vehicle maneuverability and poses an immediate threat of its being struck by a lightning.
A concept of implementing selected weather factors in an exemplary mobile flight control app for professional-use UAVs
The data implementation concept, developed on the basis of the Blitzortung discharge detection system and the POLRAD precipitation detection system, is assumed to be used in the mobile flight control app [18], by means of a wireless Internet connection, to display the location of atmospheric discharges and to map radar data. The data presentation method was partly modelled on the Lightning Maps interface (for atmospheric discharges) [12] and the IMGW Pogodynka weather forecast website (for precipitation) [19]. The implementation proposal would be suitable for a flight control app intended for the multi-rotor aerial vehicles as described above, which are used by PKP Cargo and the City Guard in Katowice. Given its planning character, the concept is primarily focused on functional and ergonomic aspects, with the aim of reducing to the minimum
sci oraz niskiej temperatury powietrza w chmurze burzowej wlot w niq moze doprowadzic do powstania oblodzenia prowadzqcego do utraty sity nosnej i sterownosci. Ponadto oprócz zwiçkszenia masy, btçdnych odczytów niektórych parametrów (np. brak infor-macji o cisnieniu atmosferycznym i wysokosci z czujnika baro-metrycznego, zaktócenia GPS, brak odczytu z czujników odlegto-sci) najbardziej niszczycielskim zjawiskiem dla BSP w obszarze wystçpowania burz sq jednak wytadowania elektryczne [4], [18]. Ze wzglçdu na niewielkie rozmiary i masç BSP w wyniku uderzen pioruna zostaje natychmiast zniszczony. Natçzenie prqdu rzç-du od 30 000 A do 300 000 A o wartosci napiçcia przekraczajqcej 1 000 000 V powoduje niezwtoczne i nieodwracalne przepalenie ele-mentów takich jak: ptyty scalone, kontrolery lotu z GPS, odbiorniki sygnatu aparatury, silniki czy przewody i regulatory silników ESC wytrzymujqce w przypadku opisywanych BSP prqd o natçzeniu 40 A czyli 750 razy mniejszy niz natçzenie prqdu w najstabszym ujemnym wytadowaniu elektrycznym [18]. Uderzenie pioruna powoduje takze uszkodzenia mechaniczne ramy oraz delikatnych smigiet wielowirnikowców [1], [7]. Jedynym elementem mogqcym przetrwac takie wartosci natçzenia i napiçcia prqdu jest akumulator, posia-dajqcy metalowq obudowç i jednoczesnie wtasciwosci klatki Fara-day'a, co sprawia, ze jest chroniony przed polem elektrostatycznym. Kazde wytadowanie atmosferyczne wytwarza równiez w swoim po-blizu silne pole elektromagnetyczne, które skutkuje btçdnym dzia-taniem odbiorników GPS, magnetometrów i odbiorników sygnatu aparatur sterujqcych. Ponadto pole elektromagnetyczne wytwarza-ne przez bezzatogowy wielowirnikowiec np. antena GPS, IMU (ang. Interial Measurement Unit), magnetometr, odbiornik moze tworzyc w atmosferze miejsca o wiçkszej jonizacji, czyli tzw. kanaty joniza-cji, przez które rezystancja utrudniajqca roztadowanie potencjatu nagromadzonego w chmurze burzowej jest mniejsza [4]. To zwiçk-sza prawdopodobienstwo uderzenia piorunem. Wykonywanie za-tem lotu bezzatogowymi wielowirnikowcami o napçdzie elektrycznym w obszarach wystçpowania burz naraza operatora na utratç kontroli nad nim, a takze bezposrednie porazenie go przez piorun.
Koncepcja implementacji czynników meteorologicznych do przyktadowej aplikacji mobilnej sluzgcej do kontroli lotu BSP znajdujgcych profesjonalne zastosowanie
Koncepcja implementacji danych, która powstata w opar-ciu o system detekcji wytadowan atmosferycznych Blitzortung oraz system detekcji opadów atmosferycznych POLRAD, zaktada uwzglçdnienie w gotowej aplikacji [18] za posrednic-twem bezprzewodowego tqcza internetowego lokalizacji wytadowan atmosferycznych oraz zobrazowanie danych rada-rowych. Sposób prezentacji tych danych zostat czçsciowo pobrany z interfejsu Lightning Maps (wytadowania atmosferyczne) [12] oraz z serwisu IMGW Pogodynka (opad atmosfe-ryczny) [19]. Propozycja implementacji powstata na przykta-dzie aplikacji kontrolujqcej lot wielowirnikowców, takich jak analizowane wczesniej urzqdzenia wykorzystywane w stuzbie jednostki operacyjnej spótki PKP Cargo czy Strazy Miejskiej w Katowicach. Ma ona charakter planistyczny i koncentruje siç
the risk for selected UAVs when moving across precipitation and storm areas. It does not involve software modifications of ready-to-use apps. As already noted, the underlying idea is to represent the locations of atmospheric discharges on a satellite map accessed through the app, and to visualise radar reflections from the above-mentioned interfaces. As regards atmospheric discharge data, the app would display yellow-spot markers on the map to indicate discharge areas, in a manner resembling the Lightning Maps interface. For one minute following the discharge, the discharge area would have a red frame, which would be visible for 59 minutes, gradually changing its colour into brown, in order to indicate how much time has passed since the discharge. Previous-hour data would certainly facilitate flight planning by identifying the nature and direction of the storm movement. Every discharge visible on the map would generate a discreet sound alert, and the app would visualise grey dotted circles with a radius of 10 km, and grey solid circles with a radius of 2 km, around the discharge areas displayed on the map. These circles would altogether form an all-round distancing area, visible for all the atmospheric discharges which occurred within the preceding 15 minutes. If the UAV entered the circle with a radius of 10 km during the flight, the app would activate a 10-second-long warning message (audible each time the UAV entered a discharge area), together with a warning icon at the top of the main screen of the app. In addition, if the UAV entered the circle with a radius of 2 km during the flight, the app would activate - together with the loud two-tone warning signal (audible each time the UAV entered a discharge area) and the 10-second-long message at the top of the main screen - an automatic RTH mode to make the aircraft return to the take-off point by following the shortest straight route visualised on the map. At the same time, an appropriate warning icon would be displayed at the top of the main screen (Figures 5 and 6).
przede wszystkim na aspekcie funkcjonalnosci i ergonomii ob-stugi, dla mozliwie maksymalnego ograniczenia ryzyka zwiyza-nego z wykonywaniem lotu wybranymi wczesniej BSP w obsza-rach wyst?powania opadow atmosferycznych i burz. Nie dotyczy ona programistycznego modyfikowania gotowej aplikacji. Jak juz wspomniano, gtownym zatozeniem jest naniesienie na obecny w aplikacji map? satelitarny miejsc wytadowan atmosferycznych oraz zobrazowania odbie radarowych ze wspomnianych interfej-sow. W przypadku danych dotyczycych wytadowan atmosferycznych nanosi si? znaczniki w postaci zottej kropki, w miejscu na mapie, w ktorym wystypity wytadowania, analogicznie jak w inter-fejsie Lightning Maps. Przez pierwszy minut? od wystypienia po-siadatyby zmniejszajyce si? czerwone obramowanie, ktore nast?p-nie bytoby widoczne przez 59 minut, zmieniajyc z czasem ptynnie swoj kolor na bryzowy, by dostarczye informacji jak dawno wystypity wytadowania. Dane dost?pne z poprzedzajycej godziny z pewnosciy pomogtyby w planowaniu lotu na podstawie iden-tyfikacji charakteru burzy i kierunku jej przemieszczania. Kazde z wytadowan widoczne w zasi?gu mapy generowatoby cichy alert dzwi?kowy, a aplikacja wizualizowataby przerywane szare okr?gi o promieniu 10 km oraz ciygte szare okr?gi o promieniu 2 km wo-kot miejsc wytadowan zobrazowanych na mapie. Okr?gi te tworzy-tyby dookolny obszar dystansujycy i bytby widoczne dla wytadowan, ktore wystypity w przeciygu minionych 15 minut. Jesli dron znalaztby si? podczas lotu w okr?gu o promieniu 10 km, aplikacja uruchomitaby dziesi?ciosekundowy komunikat ostrzegawczy (jednokrotny przy wlocie w kazdy z obszarow wytadowan) oraz ikon? ostrzegawczy na gornym pasku informacyjnym w widoku gtownym ekranu aplikacji. Jesli z kolei BSP znalaztby si? podczas lotu w okr?gu o promieniu 2 km, oprocz dwutonowego gtosnego sygnatu ostrzegawczego (jednokrotnego przy wlocie w kazdy z obszarow wytadowan) i dziesi?ciosekundowego komunikatu w gor-nej cz?sci ekranu gtownego, automatycznie uruchomiony zostatby tryb powrotu do pozycji startowej RTH po najkrotszej drodze w linii prostej, wizualizowanej na mapie, wyswietlajyc rowniez na gornym pasku informacyjnym stosowny ikon? ostrzegawczy (ryc. 5 i 6).
Figure 5. A concept of using images from the Blitzortung discharge detection system on the map - the main screen (an exemplary app) Rycina 5. Przyktadowe ustawienia zaawansowane aplikacji do obstugi BSP - ustawienia gtowne kontrolera Source: Own elaboration based on [3], [12], [9]. Zrodto: Opracowanie wtasne na podstawie [3], [12], [9].
Figure 6. An enlarged view of the concept map with images from the Blitzortung discharge detection system (the bottom-left corner of the main screen)
Rycina 6. Powi^kszony widok koncepcyjnej mapy z naniesionymi z obrazowaniami z systemu detekcji wytadowan atmosferycznych Blitzortung (lewy dolny rog gtownego okna aplikacji) Source: Own elaboration based on [12], [9]. Zrodto: Opracowanie wtasne na podstawie [12], [9].
Should it prove impossible for the UAV to return to the take-off point with the "Meteo RTH" mode (Figure 7) activated, due to the formation of new storm cells, the app would update the return route accordingly. It would take into consideration the need to avoid the atmospheric discharge area with an additional 1 km clearance (the total radius from each discharge equalling 3 km). The preferred return route would be visualised with an orange dotted line, or the automatic emergency landing mode would be activated. This would, in turn, launch a separate 10-second-long message and an additional warning icon of the automatically activated "Meteo RTH" mode. Typically, the automatic emergency landing mode would be activated if the battery level during the return flight reached a critical value. The app would be programmed to disable engine start if the distance between the drone, when placed on the ground, and the nearest atmospheric discharge was smaller than 2 km. This action would also be accompanied by a 10-second-long message appearing at the top of the screen, and a warning icon identical as for the activation of the "Meteo RTH" mode. That mode, however, together with the engine start blockade, could be disabled by the operator at any time. The flight route could also be cancelled at the planning stage if it ran through an area of detected storms. In the event of planning a return flight, after rejecting the proposed route, the GPS would switch to automatic hovering [15], and the operator would be notified of this fact only by an appropriate 10-second-long message, but without the dedicated icon. In the case of atmospheric precipitation, radar data would be displayed on the map in the bottom-left corner of the screen, accurately representing the intensity, distribution and area of precipitation [2], using different colours - from navy blue (weak precipitation) to claret (strong precipitation). In line with the operating mode of the POLRAD precipitation detection system, updated information would appear automatically at 10-minute intervals, with images covering only the preceding hour. The images obtained for each 10-minute interval within the preceding hour would refresh automatically every 0.5 second in order to enable a relatively smooth animation and efficient display of radar signals. The modes and performance of both the UAV and the app, as well as the warning and alerting messages, would be identical as in the case of atmospheric discharges, the only difference being the absence of the all-round distancing area on the map, resulting from an irregular shape of the precipitation area and the fact that, generally, entering a precipitation area is far less dangerous for the UAV than flying across a storm area. For practical reasons, the app would only be suitable for detecting situations of the UAV location marker being found within the radar reflectivity zone, with values exceeding 8.5 dBZ (dark blue). This would activate a loud (onetime) two-tone alert upon entering the precipitation or storm area. The "Meteo RTH" mode, the emergency landing mode and the engine start blockade would be activated in a similar manner if the UAV entered the intensive precipitation or storm area, together with the corresponding warning message and icon at the top of the screen (Figures 7 and 8).
Jezeli dla tego trybu, zwanego „Meteo RTH" (ryc. 7), na skutek wytworzenia siç nowych komórek burzowych powrót do miejsca startu nie bytby mozliwy w linii prostej, aplikacja na biezqco obli-czataby innq drogç powrotu. Uwzglçdniataby ona ominiçcie rejonu wytadowan atmosferycznych z dodatkowym zapasem 1 km (tqcz-nie promien wynióstby 3 km od kazdego wytadowania), wizualizujqc przerywanq liniq koloru pomaranczowego, ukazujqcq preferowanq drogç powrotu lub zainicjowataby tryb automatycznego lqdowania awaryjnego. Dziatanie to uruchomitoby stosowny odrçbny dziesiç-ciosekundowy komunikat oraz dodatkowq ikonç ostrzegawczq ak-tywowanego automatycznie trybu „Meteo RTH". Tryb awaryjnego lqdowania standardowo uruchomiony zostatby wówczas, gdy w lo-cie powrotnym poziom baterii spadtby do wartosci krytycznej. Aplikacja zaprogramowana zostataby w ten sposób, aby uniemozliwic uruchomienie silników wówczas, gdy dron znajdowatby siç na zie-mi w promieniu 2 km od najblizszego wytadowania atmosferycz-nego. Takie dziatanie zostatoby równiez zasygnalizowane stosow-nym dziesiçciosekundowym komunikatem w górnej czçsci ekranu i ikonq ostrzegawczq, identycznq jak w przypadku trybu powrotu do pozycji startowej „Meteo RTH". Tryb ten wraz z blokadq uruchomie-nia silników mógtby zostac wytqczony przez operatora w dowolnym momencie. Równiez na etapie planowania trasa lotu moze byc od-rzucona, gdy przebiega przez rejony wystçpowania burz. W przypadku, gdy planujemy lot powrotny po odrzuceniu zaplanowanej trasy GPS przeszedtby do automatycznego zawisu [15], informu-jqc o tym operatora wytqcznie odpowiednim dziesiçciosekundo-wym komunikatem za posrednictwem aplikacji, bez dedykowanej ikony. W przypadku opadów atmosferycznych na mapie w dolnym lewym rogu ekranu prezentowane bytyby dane radarowe bçdqce bezposrednim zobrazowaniem natçzenia, rozktadu i powierzchni wystçpujqcego opadu [2], ukazywanego w postaci odcieni barw od barwy granatowej (opad staby) do barwy bordowej (opad silny). Ze wzglçdu na sposób pracy systemu detekcji opadów POLRAD, zak-tualizowane dane pojawiatyby siç automatycznie co 10 minut, a ich wizualizacja obejmowataby wytqcznie poprzedzajqcq godzinç. Zo-brazowania z kazdych 10 minut mieszczqcych siç w poprzedzajq-cej godzinie bytyby automatycznie przetqczane co 0,5 sekundy, by umozliwic stosunkowo ptynnq animacjç i skuteczny odczyt sygna-tur radarowych. Sposoby postçpowania i dziatanie BSP oraz aplikacji, a takze sposób ostrzegania i alarmowania bytyby analogiczne jak w przypadku wytadowan atmosferycznych, z tym ze z racji swo-ich nieregularnych ksztattów strefa opadów nie posiadataby na mapie w aplikacji dookólnego obszaru dystansujqcego. Ponadto wlot bezzatogowym statkiem powietrznym w strefç opadów jest daleko mniej grozny od wlotu w obszar wystçpowania burzy. Aplikacja ze wzgl^dów praktycznych przystosowana bytaby wytqcznie do wy-krywania sytuacji, w której znacznik lokalizacji BSP na mapie znaj-dzie siç w strefie odbiciowosci radarowej o wartosci przekraczajq-cej 8,5 dBZ (kolor ciemny niebieski), pojawi siç gtosny dwutonowy alert (jednokrotny), wystçpujqcy przy wlocie do strefy opadów lub burz. Tryb automatycznego powrotu do miejsca startu „Meteo RTH", tryb awaryjnego lqdowania czy blokada uruchomienia silników ana-logicznie aktywowatyby siç, gdy BSP znajdowatby siç w strefie in-tensywnego opadu lub burz. Wyswietlatyby siç wtedy komunikat ostrzegawczo-informacyjny oraz blizniacza ikona ostrzegawcza na górnym pasku informacyjnym (ryc. 7 i 8).
Figure 7. A concept of the warning message in the "Meteo RT" mode activated automatically upon atmospheric discharge and precipitation detection (an exemplary camera view)
Rycina 7. Koncepcja wykorzystania zobrazowan z systemu detekcji wytadowan atmosferycznych Blitzortung na mapie w widoku gtownym przyktadowej aplikacji
Source: Own elaboration based on [3], [12], [9]. Zrodto: Opracowanie wtasne na podstawie [3], [12], [9].
Figure 8. An enlarged view of the concept map with images from the Blitzortung discharge detection system and the POLRAD precipitation detection system
Rycina 8. Powi^kszony widok koncepcyjnej mapy z naniesionymi zobrazowaniami z systemu detekcji wytadowan atmosferycznych Blitzortung (lewy dolny rog gtownego okna aplikacji) Source: Own elaboration based on [12], [9]. Zrodto: Opracowanie wtasne na podstawie [12], [9].
Conclusions
The analysis of usefulness has proven that electric UAVs are suitable for professional missions. However, these vehicles display a number of limitations, most importantly including their high sensitivity to weather conditions. With no hermetically sealed hatch, on-board equipment is exposed to damp penetration caused by various types of precipitation, including drizzle, rain and snow. These can cause a short-circuit and equipment damage, while hail can result in UAV mechanical damage. Severe turbulences and strong ascending or descending air currents, which are likely to occur during low-altitude flights, pose a threat of UAV's collision with overground objects. Using more resistant composite materials in the construction of hermetic UAVs could increase the usability of these vehicles. A wide range of possible uses of UAVs encourages further investigations aimed at ensuring their best possible working conditions. Studies aimed at facilitating the use of new materials in the production of UAVs, including composites, power supply sources or steering systems, are also likely to extend the usability of these types of aircraft. Software development appears an equally important matter, which may be crucial for UAV reliability and measurement accuracy.
Wnioski
Analiza przydatnosci elektrycznych BSP wykazata ich uzy-tecznosc do dziatan profesjonalnych. Posiadajy one jednak sze-reg ograniczen. Jednym z istotniejszych jest znaczna wrazliwosc na warunki meteorologiczne. Brak hermetycznego luku technicz-nego naraza urzydzenia poktadowe na penetracj? wilgociy spowo-dowany opadem mzawki, deszczu, sniegu, ktore w konsekwencji mogy doprowadzic do zwarcia elektrycznego i zniszczenia urzy-dzen. Ponadto opady gradu mogy powodowac uszkodzenia me-chanicznie BSP. Wyst?powanie silnej turbulencji, silnych prydow wst?pujycych/zst?pujycych podczas lotow na matych wysoko-sciach stanowiy niebezpieczenstwo kolizji z obiektami naziem-nymi. Budowa hermetycznych BSP z materiatow kompozytowych bardziej wytrzymatych moze poszerzyc zastosowanie tego typu produktow. Szerokie mozliwosci zastosowan BSP sktaniajy do dal-szych badan nad zapewnieniem jak najlepszych warunkow pra-cy tych urzydzen. Badania majyce na celu zastosowanie nowych materiatow do produkcji BSP mi?dzy innymi takich jak kompozyty, nowe zrodta zasilania, systemy sterowania przyczyniy si? ponadto do rozszerzenia zastosowania tego typu urzydzen. Rownie istotny kwestiy jest doskonalenie oprogramowania, ktore moze zadecydo-wac o niezawodnosci, BSP i doktadnosci ich wskazan.
Literature / Literatura
[1] Adamski M., Bezzatogowe statkipowietrzne. Cz. II. Konstruk-cja, wyposazenie i eksploatacja, WSOSR Dublin 2015, 28-49.
[2] Jafernik H., Wilczek Z., Ziarko J., Meteorologiczna osfona [4] dziatan lotnictwa, Dom Wydawniczy Bellona, Warszawa 2000. [5]
[3] Szczepaniak P., Wykorzystanie zobrazowan danych pocho- [6] dzçcych z wybranych systemôw detekcji wytadowan atmos-
ferycznych oraz radarôw meteorologicznych do planowania i bezpiecznego wykonywania lotu BSP, Dublin 2018. Jafernik H., Fellner A., Fellner R., Meteorologia w transpo-rcie, Wydawnictwo Politechniki Slyskiej, Gliwice 2016. https://www.lightningmaps.org/ [dostçp: 21.02.2018]. http://static.antyweb.pl/uploads/2015/12/150827PKPCar-goDron_040-1280x720.jpg/ [dostçp: 16.02.2018].
[7] http://bi.gazeta.pI/im/2a/e1/15/z22944298V,W-Ka-towicach-dron-pomaga-waIczyc-ze-smogiem.jpg/ [dost?p: 17.02.2018].
[8] http://visionfIy.pI/?product=aparatura-piIot-do-phantom-3/ [dost?p: 13.01.2018].
[9] http://www.mxzdy.com/img_sub/rc_img/12/05/8833-t1 .jpg/ [dost?p: 11.02.2018].
[10] https://phantompiIots.com/attachments/img_011 0-p-ng.69432/ [dost?p: 23.02.2018].
[11] https://www.spidersweb.pI/201 5/12/drony-pkp-cargo. html/ [dost?p: 18.02.2018].
[12] http://rad1.imgw.pl/ [dost?p: 19.02.2018].
[13] http://katowice.wyborcza.pI/katowice/7,35063,22944264,w--katowicach-dron-pomaga-waIczyc-ze-smogiem-pierwszy--mandat.html?disableRedirects=true/ [dost?p: 17.02.2018].
[14] https://www.drony.net/matrice-600-dji.htmI/ [dost?p: 19.02.2018].
[1 5] Gareth D. PadfieId, Dynamika lotu smigfowcow: teoria i wy-korzystanie wtasciwosci lotnych i modeli symulacyjnych, Wydawnictwo Komunikacji i tqcznosci, Warszawa 1998, s. 458.
[16] https://www.pkpcargo.com.jednostkowy-raport-roczny-p-kp-cargo [dost?p: 15.03.2018].
[17] https://www.drony.net, Phantom 3 Professional Instrukcja Uzytkowania PL.
[18] Bodzyk P., Detekcja i Lokalizacja Wyfadowan Atmosferycz-nych, Warszawa 2006, http://gopssomonino.zetokoszaIin. pI/092_detekcja_IokaIizacja_wyIadowan_%20atmosferycz-nych.pdf [dost?p: 15.03.2018].
[19] https//www.pogodynka.pl [dost?p: 15.03.2018].
PIL. HENRYK JAFERNIK, PH.D. ENG. - In 1972, he graduated from the Air Force Officer School in Dublin. After graduating from the School, he served in the aviation section of the front-line units as a pilot. In 1983, he completed a graduate programme at the General Staff Academy in Warszawa-Rembertow. In 1984, he started working as a teacher at the Air Force Officer School. He worked as Lecturer and Extraordinary Professor, and held the functions of Department Head and Manager of the Research Division at the Polish Air Force University. In 1990, he was awarded a doctoral degree. He has published around 230 articles and research papers, including 9 monographs. In 2012, he completed a national research project related to land vehicle and aircraft monitoring for the purposes of the Armed Forces, the Border Guards and the Police. Between 2006 and 2019, he worked as a lecturer, and then as an associate professor, at the State School of Higher Education in Chetm. Between 2008 and 2017, he worked at the Silesian University of Technology, first in the position of Senior Lecturer, and then (from 2012) in the position of Associate Professor. He supervised 157 engineer and master's theses, and acted as an auxiliary supervisor for 3 doctoral theses.
DR INZ. PIL. HENRYK JAFERNIK - w 1972 r. ukonczyt Wyzszg Oficerskg Szkot? Lotniczg w D?blinie. Po ukonczeniu studiow przez kilkanascie lat petnit stuzb? wojskowg w pionie lotniczym jedno-stek liniowych jako pilot. W 1983 ukonczyt studia II stopnia w Aka-demii Sztabu Generalnego, Warszawa-Rembertow. W 1984 roku rozpoczgt prac? dydaktyczng w Wyzszej Oficerskiej Szkole Lotniczej. Petnit m.in. funkcje Kierownika Katedry i Szefa Wydziatu Naukowo Badawczego WSOSP. W 1990 roku uzyskat stopien dok-tora. Opublikowat okoto 230 artykutow i prac badawczych, 9 mono -grafii. W 2012 roku ukonczyt prace nad ogolnokrajowym projektem badawczym zwigzanym z monitorowaniem pojazdow lgdowych i statkow powietrznych na potrzeby Wojska, Strazy Granicznej i Policji. W latach 2006-2019 pracowat na stanowisku wyktadowcy, a pozniej docenta w Panstwowej Wyzszej Szkole Zawodowej w Chetmie. W 2008 roku rozpoczgt prac? na Politechnice Slgskiej. Byt promotorem 157 prac inzynierskich i magisterskich oraz pro-motorem pomocniczym 3 prac doktorskich.
Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyzszego
Stworzenie angloj?zycznych wersji oryginalnych artykutow naukowych wydawanych w kwartalniku „BITP. Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza" - zadanie finansowane w ramach umowy 658/P-DUN/2018 ze srodkow Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyzszego przeznaczonych na dziatalnosc upowszechniajgcg nauk?.
