Elektroniczni ratownicy
Studenci z międzywydziałowego koła naukowego High Flyers pracują przy projekcie budowy samolotu VTOL i roju mini-dronów, które będą niezwykle przydatne, m.in. w trudnych akcjach służb ratowniczych lub transporcie leków.
Pomysł, który rośnie
„Bezzałogowy samolot pionowego startu i lądowania o rekonfigurowalnej strukturze” – tak brzmi pełna nazwa kolejnego projektu z udziałem studentów z High Flyers. Jest on realizowany w ramach programu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego „Studenckie koła naukowe tworzą innowacje”.
– Początkowy zamysł projektu był troszkę inny – opowiada dr inż. hab. Roman Czyba, prof. PŚ, opiekun High Flyers. – Głównym celem była budowa samolotu VTOL (Vertical Take-Off and Landing), czyli samolotu pionowego startu i lądowania. Taka konstrukcja ma specyficzne właściwości. Dzięki zastosowanej rekonfigurowalnej strukturze mechanicznej samolot jest w stanie startować i lądować pionowo, bez pasa startowego, inaczej niż dzieje się to w przypadku klasycznego płatowca. To cecha bardzo istotna, gdyż samolot zachowuje właściwości aerodynamiczne klasycznego płatowca i dzięki temu może wykonywać loty na długich dystansach, a jednocześnie nie potrzebuje rozbiegu do startu i lądowania.
Sam pomysł budowy samolotu VTOL pojawił się kilka lat temu. W 2018 roku zespół High Flyers przygotowywał się do startu w zawodach w Australii. Wymagania konkursowe wymusiły na nich taką strukturę bezzałogowca i w ten sposób powstał pierwszy prototyp VTOL’a. Kolejna wersja tego samolotu została zbudowana w 2019 roku już z materiałów kompozytowych w ramach realizowanego projektu PBL, a w ubiegłym roku pojawiła się możliwość kontynuacji tego projektu w ramach wspomnianego na wstępie programu „Studenckie koła naukowe tworzą innowacje”.
– W tym wydaniu nadaliśmy tej platformie inną funkcjonalność – dodaje prof. Czyba. – W pierwotnym założeniu samolot VTOL przeznaczony był do długodystansowych lotów i miał być zdolny do wykonywania autonomicznych misji i transportu ładunku znajdującego się w specjalnie zaprojektowanej ładowni. Przykładem praktycznego zastosowania może być dostarczanie środków medycznych dla poszkodowanych w terenach trudno dostępnych. Na etapie pisania wniosku projektowego pojawił się jednak pomysł rozszerzenia funkcjonalności i zaadaptowania VTOL’a do transportu roju mini-dronów.
W tym pomyśle samolot VTOL pełni rolę drona „matki” transferującego na większe odległości mniejsze, cichsze drony, które uwalniane są dopiero nad miejscem docelowego zadania. Pomysł naszych studentów niesie więc za sobą wiele konkretnych zastosowań.
– Jednym z nich może być tworzenie na niebie markerów dla ekip ratowniczych idących do poszkodowanych – mówi Jakub Gutt, prezes High Flyers.
– Celami mogą być precyzyjnie określone miejsca zrzutu punktów świetlnych tzw. bikonów, wyznaczających ścieżkę ewakuacyjną dla służb ratowniczych, podejmujących działania w trudnych warunkach środowiskowych, na przykład we mgle lub w dużym zadymieniu pożarowym – podkreśla prof. Czyba.
Rój z wyzwaniami
A teraz kilka ciekawostek technicznych związanych z tym projektem. W przypadku struktury konstrukcyjnej VTOL’a do budowy płatowca użyto materiałów kompozytowych, których głównym komponentem była tkanina z włókna węglowego. Pod względem materiałowym jest to pewien standard powszechnie stosowany w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Zespół zaprojektował także ramę drona, wyfrezowaną przy pomocy frezarki CNC.
– Ciekawa okazała się integracja płatowca z czterowirnikowcem, zapewniająca tranzycję z zawisu, a więc typowego stanu lotu dla wielowirnikowców, do lotu postępowego w układzie płatowca – objaśnia opiekun koła naukowego. – Przeprowadziliśmy szerokie badania aerodynamiki VTOL’a w oparciu o numeryczną mechanikę płynów w środowisku ANSYS, potwierdzoną następnie testami w locie. Ten proces szybkiego prototypowania doprowadził do rozwiązania, w którym przednie wirniki zamontowane są na obrotowych gondolach i odpowiednio sterowane, pochylają się nadając ruch postępowy samolotu VTOL. Reasumując, taka konstrukcja uważana jest za przyszłość lotnictwa autonomicznego ze względu na cechy łączące prostotę procedury startu i lądowania wielowirnikowców z efektywnością lotu płatowca.
Zespół nie ukrywa, że prace nad projektem były nie lada wyzwaniem. Wymagały, między innymi stworzenia automatycznego systemu zrzutowego. Również ilość gromadzonych przez rój dronów danych – w szczególności obrazowych – podczas pojedynczej misji, stanowi skomplikowany problem.
– To tak ogromna liczba, że przekracza nie tylko dzisiejsze możliwości analityczne operatora, ale także przepustowości systemów łączności – tłumaczy profesor. – W związku z tym kluczowe jest wdrożenie technologii pozwalających na ich autonomiczne działanie i szerokie wykorzystanie systemów wspomagania decyzji z wykorzystaniem AI. Pomimo tego, że sztuczna inteligencja jest technologią teraźniejszą, to ciągle się jej uczymy i czasami może nas zaskoczyć. Dowodem tego jest ostatnia Droniada, podczas której wiele drużyn akademickich miało problemy z wykonaniem lotów w pełnej autonomii.
Jednak największym wyzwaniem było i nadal jest wdrożenie nowej technologii pozwalającej na autonomiczne działanie pojedynczych mini-dronów – w szczególności w konfiguracji roju dronów współpracujących z sobą.
– W tym kontekście kluczowe jest wykorzystanie systemów wspomagania decyzji z zastosowaniem sztucznej inteligencji. Zastosowanie AI w platformach bezzałogowych ma na celu uzyskanie zautomatyzowanego sposobu pozyskiwania, przetwarzania i analizy danych. Dzięki temu drony będą dysponowały możliwością autonomicznego operowania w złożonym i dynamicznie zmieniającym się środowisku – podsumowuje profesor Czyba.
Jest zainteresowanie
Projekt jest obecnie na etapie walidacji. Drony zostały już zbudowane oraz zaprogramowane. W czerwcu wzięły udział w zawodach Droniada Challenge, po których studenci z High Flyers spisali listę problemów, które wystąpiły i próbują sobie z nimi poradzić.
– Chcieliśmy podjąć się czegoś ambitnego, co pozwoli nam rozwijać nasze umiejętności i zdobyć nowe doświadczenia – podkreśla Jakub Gutt. – W projekcie najbardziej fascynuje nas konieczność wykorzystania najnowszych technologii do komunikacji między jednostkami latającymi. Droniada była dobrą okazją do zaprezentowania naszego rozwiązania szerszej publiczności oraz dotarcia do firm branżowych. Regularnie wystawiamy się również na targach. Mieliśmy przyjemność opowiadać o naszym rozwiązaniu na tegorocznym Europejskim Kongresie Gospodarczym w Katowicach. Odbiór projektu jest bardzo pozytywny. Firmy są zainteresowane rozwojem tego typu technologii.
tekst: Martin Huć
zdjęcia: Alicja Banaszewska, Szymon Nowacki
Tekst pochodzi z Biuletynu 12 (372) 2024
