Jak skonstruowane jest zasilanie drona na uwięzi FlyFocus

Rozwój technologiczny w zakresie bezzałogowych statków powietrznych na uwięzi otworzył nowe możliwości dla patroli granicznych, transmisji na żywo, tymczasowych wież komunikacyjnych, nadzoru satelitarnego na małych wysokościach i wielu innych zastosowań. W przygotowaniu są kolejne aplikacje, w których potrzebny jest nieograniczony czas lotu i niezawodność, a także - w razie potrzeby - możliwość odłączenia linki w celu zwiększenia zasięgu.

Drony na uwięzi i technologia UAV (unmanned aerial vehicle) stanowią niezwykle szybko rozwijający się rynek. Technavio, firma zajmująca się analizą tego rynku, oszacowała CAGR [tj. średni roczny wzrost, tłum] na ponad 70% w nadchodzących latach. Czynniki stymulujące tak szybki wzrost obejmują między innymi aplikacje komunikacji i bezpieczeństwa, gdzie zaletami dronów jest szybkość wdrożenia i możliwość ustanowienia stabilnych kanałów łączności na dużym obszarze.

Flyfocus to firma specjalizująca się między innymi w projektowaniu i produkcji bezzałogowych statków powietrznych na uwięzi. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie energoelektroniki pozwoliły firmie zoptymalizować ich najnowsze systemy dronów na uwięzi, poprawiając ładowność, czas lotu i bezpieczeństwo. Drony na uwięzi mają specjalne cechy, takie jak szybka transmisja danych, możliwość ciągłego ładowania baterii, większa kontrola i wyższy stopień bezpieczeństwa. Przykładowo nowy CableGuard firmy Flyfocus w trybie na uwięzi może wznosić się na wysokość do 70 metrów.

Jednym z głównych wyzwań dla drona na uwięzi jest fizyczna konstrukcja kabla. Musi być w stanie dostarczać energię do silników napędowych wirnika, elektroniki sterującej i akumulatora pokładowego, a także być wystarczająco mocny, aby zabezpieczyć drona i wystarczająco lekki, aby uniknąć obawy o bezpieczeństwo, gdy linka jest odłączana celem umożliwienia swobodnego lotu. Lekki kabel zmniejsza również obciążenie drona, skutkując większą wydajnością i dłuższym czasem lotu.

Zalety dronów na uwięzi

Pojawienie się dronów na uwięzi miało miejsce w 2016 roku i najpierw znalazły one swoje zastosowanie w systemach wojskowych. Dron na uwięzi to bezzałogowy statek powietrzny połączony z ziemią. Składa się z naziemnej stacji bazowej oraz drona, który jest połączony ze stacją za pomocą linki/kabla. Dronem można sterować zdalnie w celu wykonywania określonych zadań. Drony na uwięzi mogą być wykorzystywane do różnych zastosowań, chociaż większość z nich koncentruje się na obserwacji lotniczej i telekomunikacji. W szczególności, ze względu na niezawodność połączeń na uwięzi, AV na uwięzi są idealne do przechwytywania danych i telemetrii.

Spoglądając na drona na uwięzi i podążając wzdłuż podłączonego do niego kabla, każdy, w dowolnym momencie, może dowiedzieć się, kto jest jego właścicielem. Z pozoru może się to wydawać drugorzędną korzyścią w stosunku do bezpieczeństwa, ale sam wizerunek ‘smyczy’ w połączeniu z pewnością odnośnie właściciela UAV może uspokoić osoby znajdujące się w pobliżu. Jednak kabel łączący ma również zalety dla samego właściciela: jeśli system lotu nagle się zepsuje, dron na uwięzi wciąż pozostanie bezpieczny.

Zarządzanie zasilaniem

Jednym z głównych wyzwań dla drona na uwięzi jest zarządzanie energią, w tym zasilanie silników napędowych wirnika i elektroniki sterującej. Przepływ mocy przez długi kabel oznacza straty przesyłowe, które należy skompensować. Celem kabla, pełniącego funkcję linii transmisyjnej jest utrzymanie drona na określonej wysokości oraz zagwarantowanie zasilania i transmisji danych. Ograniczenia dotyczące grubości i długości są również związane z konkretną aplikacją.

Zastosowanie lżejszego kabla w połączeniu z zajmującą mało miejsca energoelektroniką umożliwia bezzałogowym statkom powietrznym nieograniczony czas lotu.

Moduły konwerterów magistrali o stałym stosunku napięcia wejścia/wyjścia

Udany projekt sieci zasilającej musi pogodzić przeciwstawne wymagania: chęć zastosowania cieńszego, lżejszego kabla dla celów bezpieczeństwa lub grubszego, cięższego kabla, do efektywnego przesyłania mocy. Zaprojektowanie sieci PDN dostosowanej do  dostarczania przez kabel wysokiego napięcia (np. 800VDC) znacznie zmniejsza straty w transmisji, umożliwiając użycie cieńszego kabla, a także pozwalając na zastosowanie dłuższych kabli w celu zwiększenia funkcjonalności UAV. Moduły zasilania Vicor o wysokiej gęstości, umieszczone na samym dronie, konwertują wysokie napięcie na niższe, stosowane przez silniki i elektronikę drona. Niewielka waga i niewielkie rozmiary modułów Vicor pozwalają wykorzystać dodatkową przestrzeń ładunkową do dalszego zwiększenia funkcjonalności drona.

Flyfocus wykorzystuje moduły Vicor BCM, które w normalnych warunkach zapewniają 98% sprawność, dostarczając 1750W przy 48V i napięciu wejściowym 400 VDC. Moduły BCM są dostępne w upraszczających chłodzenie pakietach ChiP lub Vicor Integrated Adapter (VIA), a także zapewniających zintegrowaną kontrolę PMBus, filtrowanie EMI i ochronę przed przepięciami. Wysoką wydajność zapewnia fakt, że konwertery te są urządzeniami o stałym stosunku napięcia I/O, pełniąc rolę konwerterów magistrali i nie zawierają regulacji napięcia wyjściowego. Przetwornice tego typu nadają się do dwukierunkowej konwersji mocy.

Rodzina Vicor BMC wykorzystuje topologię wzmacniacza sinusoidalnego (sinusoidal amplitude converter, SAC), zapewniającą wysoki poziom wydajności konwersji. Podczas gdy większość topologii konwerterów DC-DC wykorzystuje techniki PWM do sterowania wtórną mocą wyjściową, SAC zapewnia bardziej wyrafinowaną metodę rozwiązywania problemów związanych ze stratami przełączania, ograniczających PWM. Celem SAC jest zmniejszenie generowania szumów harmonicznych, a tym samym poprawa wydajności dzięki lżejszym i mniejszym komponentom. Niski poziom EMI ogranicza konieczność użycia elementów filtrujących. Ten typ konwertera wykorzystuje sygnał fali prostokątnej rzędu MHz, znacznie wyższy niż klasyczny PWM, o amplitudzie odpowiadającej obciążeniom wyjściowym.

Rysunek 3: Uproszczony układ konwertera SAC Vicor.

Rysunek 4: Schemat blokowy systemu zasilania dla dronów na uwięzi Vicor.

Rzecznik Flyfocus podkreśla, że konfiguracja zarządzania zasilaniem jest kluczowa dla sukcesu całego projektu. Rysunek 4 pokazuje zastosowaną konfigurację, w której Vicor BCM6123 zapewnia izolację i zasilanie magistrali 48VDC z 400VDC dla elektroniki znajdującej się na dronie. Dzięki zastosowaniu tej technologii Flyfocus był w stanie osiągnąć całkowitą wagę konwertera mocy poniżej 200 gramów.

Technologia dronów na uwięzi nabiera rozpędu dzięki zastosowaniu konfiguracji zarządzania zasilaniem, zapewniającej wysoką wydajność przy niskiej masie, co pozwala projektantom UAV zmaksymalizować ładowność i zmniejszyć obciążenie, wynikające z zastosowania kabla.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Vitec Power

Źródło: © Vicor