Je hoeft deze wetten niet te kennen om het A1/A3 examen te behalen maar ze zijn wel nuttige achtergrondinformatie. Als je een drone ziet vliegen, zijn onderstaande principes in werking.
De eerste wet van Newton: traagheid
Elk voorwerp dat beweegt handhaaft die beweging, tenzij er een externe kracht op wordt uitgeoefend.
De tweede wet van Newton: versnelling
De versnelling van een voorwerp als gevolg van een kracht is recht evenredig met de grootte van die kracht, in dezelfde richting als die kracht, en omgekeerd evenredig met de massa van het voorwerp.
De derde wet van Newton: actie en reactie
Bij elke actie is er een gelijke, tegengesteld gerichte actie.
Principe van Bernoulli (vloeistofdynamica, ook toepasbaar bij gassen)
Een toename in de snelheid van een gas gaat gepaard met een vermindering van de druk.
Koppel
Koppel is de draaikracht van een voorwerp rond een as. Dit is bijzonder belangrijk bij vliegtuigmotoren. Deze leveren draaikracht en, volgens de derde wet van Newton, dus ook reactie-energie. Vanwege deze reactie-energie heb je een staartrotor (rotor met tegengesteld koppel) nodig op een helikopter. Anders zou de helikopter rondjes gaan draaien rond zijn as.
Elk luchtvaartuig, of het nu een vaste vleugel vliegtuig, helikopter of raket is, ondervindt vier krachten:
• Draagkracht die het naar boven duwt
• Weerstandskracht die het naar achteren trekt
• Zwaartekracht die het naar beneden trekt
• Voortstuwingskracht die het naar voren duwt
Stuurvlakken, zoals het hoogteroer en de rolroeren, beïnvloeden de richting van deze krachten bij een vliegtuig. Het zijn de lange, dunne bewegende delen aan het achtereind van een vleugel. Hiermee kan de piloot een vliegtuig besturen.
Alle krachten duwen of trekken in een bepaalde richting. Daarnaast kent een kracht twee belangrijke eigenschappen, te weten 1: de grootte (sterkte) van de kracht en 2: de richting waarin de kracht duwt of trekt. We kijken eerst naar vliegtuigen met vaste vleugels. Dat is het makkelijkst uit te leggen. Andere luchtvaartuigen, zoals heteluchtballonnen of helikopters gebruiken dezelfde basisprincipes, maar op een andere manier.
Figuur 3.1 - de vier krachten op een vliegtuig
De draagkracht is een aerodynamische kracht, die wordt opgewekt door de lucht die over de vleugels van het vliegtuig stroomt.
Een vleugelprofiel (aerofoil) is zo gevormd dat de lucht die over de bovenkant van de vleugel stroomt sneller moet bewegen dan aan de onderkant ervan. Deze snellere luchtstroom leidt tot een lagere luchtdruk aan de bovenkant van de vleugel, en de langzamere luchtstroom onder de vleugel leidt tot een hogere luchtdruk aan de onderkant. Hierdoor duwt de lucht aan de onderkant de vleugel naar de lagere druk toe, naar boven, en levert zo draagkracht.
Figuur 3.2 - vleugelprofiel (aerofoil).
De weerstandskracht werkt de beweging van het vliegtuig door de lucht tegen. Deze kracht werkt in dezelfde richting en parallel aan de luchtstroom over het vliegtuig.
De zwaartekracht (veroorzaakt door het gewicht) werkt in een rechte verticale lijn, door het midden van de aarde naar een denkbeeldig centraal punt in het vliegtuig, het zwaartepunt.
Als het vliegtuig op de grond staat, wordt het gewicht ervan gebalanceerd door de reactiekracht van de grond, via de wielen, maar gedurende de vlucht moet het gewicht worden gebalanceerd door een andere kracht, de draagkracht.
Figuur 3.3 - gewicht en draagkracht, op de grond en in de lucht.
De voortstuwingskracht is de kracht tegenovergesteld aan de weerstandskracht, die het vliegtuig door de lucht stuwt. De voortstuwingskracht wordt geleverd door de combinatie van een propeller en een motor, of door straalmotoren.
De invalshoek is de hoek tussen de koorde (de lijn tussen de neus- en staartpunt van de vleugel) van de vleugel en de luchtstroom. Bij een kleine invalshoek is de luchtstroom gelijkmatig en leidt deze tot een gemiddelde draagkracht.
Als de invalshoek groter wordt, neemt de draagkracht toe, en bereikt een maximum.
Daarna begint de luchtstroom los te laten van de vleugel. Dit loslaten begint bij de achterrand van de vleugel.
Als de luchtstroom geheel loslaat van de vleugel, treedt er overtrekken (stall) op, en verdwijnt de draagkracht plotseling.
Figuur 3.4 - overtrekken (stall).
Figuur 3.5 - voortstuwingskracht en luchtstroom.
De wind en de luchtdichtheid zijn de belangrijkste factoren die de prestaties beïnvloeden. Als je in te sterke wind vliegt kan je drone worden weggeblazen, of tegen een obstakel worden geblazen. Ook kan je drone omslaan bij het landen. De wind is doorgaans niet met het blote oog waarneembaar. Daarom is het van belang hierover van te voren informatie in te winnen.
Op je vlieglocatie kan je ook kijken naar de bewegingen van het gras, bomen en vlaggen, om een indicatie van de windkracht te krijgen. Bedenk ook dat dicht rondom gebouwen (en andere obstakels) er veel turbulentie, windstromen en sterke rukwinden kunnen voorkomen. Als het niet nodig is, blijf daar dan bij uit de buurt.
Bij het vliegen op grote hoogte is de lucht dunner. De vleugels of propellers leveren dan minder draagkracht en moeten dus harder werken om de drone in de lucht te houden. Ook bij een hogere temperatuur werkt een drone minder goed. De lucht zet dan uit door de warmte. Daardoor gedraagt de drone zich alsof die veel hoger vliegt.
Dus, bij zeer warm weer, op grote hoogte, is de lucht dunner en moeten propellers veel harder werken om de drone in de lucht te houden en te controleren. De volgende effecten zullen dan ontstaan:
Grotere kans op oververhitting van de elektromotoren;
Een (veel) kortere vluchttijd (hou hier rekening mee met je planning!).
De luchtvochtigheid is ook van belang. Een hogere luchtvochtigheid betekent meer waterdamp en minder lucht.
Als je in regen vliegt kan er water in de onderdelen van de drone komen wat tot kortsluiting en beschadiging kan leiden. De meeste fabrikanten hebben informatie over de waterbestendigheid van de drone in de gebruiksaanwijzing opgenomen. Maar meestal kan een drone alleen tegen heel kleine hoeveelheden water, zoals motregen. Land dan zo snel mogelijk, de schade die weinig water tot gevolg kan hebben is groot, zoals roest (op termijn) op de metalen onderdelen, vocht in de motors en kortsluiting. Maar vocht kan ook in accu’s terechtkomen met alle gevolgen van dien.
De prestaties van je drone hangen van diverse factoren af. Zolang deze factoren binnen de gestelde grenzen blijven, zullen de prestaties ook acceptabel blijven. Maar je moet ook altijd rekening houden met je eigen beperkingen. Het feit dat een drone onder bepaalde omstandigheden kan vliegen, betekent niet dat je voldoende ervaring hebt om dat te doen.
Sta hier bij stil als de omstandigheden van een geplande vlucht plots veranderen.
De volgende hoofdstukonderdelen gaan over hoe je de drone bestuurt, hoe dat technisch werkt en welke risico’s en mogelijkheden daarbij van toepassing zijn. We gaan er daarbij vanuit dat je over een relatief geavanceerde drone beschikt die GPS en een aparte handzender heeft en mogelijk een eigen app.
Er zijn natuurlijk ook tal van (kleine) drones die geen GPS hebben en direct via een simpele zender of smartphone bestuurd worden via wifi of Bluetooth. Een zelfgebouwde drone zonder GPS behoort ook tot de mogelijkheden in deze categorie. Voor die laatste groep drones, die zelden in de EASA Categorie Open zal vallen, verwijzen wij naar de handleiding c.q. de gebruiksaanwijzing.
De control link (C2) brengt de commando's die je op de zender geeft over naar de flight controller en andere systemen van de drone. Deze radioverbinding gebruikt meestal een frequentie van 2,4 GHz.
De C2-verbinding verstuurt ook vluchtinformatie (hoogte, snelheid, accustatus, enz.) van de drone naar de piloot. Zo ontvang je informatie over de drone en de prestaties ervan.
Figuur ter illustratie.
Hiermee bestuurt de piloot de drone. De zender (binnen een professionele organisatie ook wel grondstation genoemd) heeft twee sticks die je in alle richtingen kunt bewegen om zo over vier bewegingsassen te kunnen sturen. Er zijn meestal ook schakelaars en drukknoppen waaraan je diverse functies kunt toekennen, zoals de vluchtmodi en de failsafe functie die later worden besproken.
Figuur 3.6 - zender modi en bediening.
De ontvanger in de drone 'luistert' naar de zender, ontvangt signalen, en stuurt de signalen naar de flight controller, het brein van de drone, die de opdrachten vertaalt in acties waardoor de drone doet wat hem door de zender is opgedragen.
Het proces waarmee de ontvanger aan de zender wordt gekoppeld wordt 'binding' genoemd. Hierna luistert die ontvanger alleen naar die specifieke zender, tot de ontvanger aan een andere zender wordt gekoppeld. Op de meeste ontvangers moet je een knop indrukken, of er een stekker insteken om de bindmodus te activeren. Zo voorkom je dat je dit per ongeluk tijdens de vlucht doet, of gehackt wordt. Doorgaans doe je dit één keer, direct nadat je de drone hebt gekocht en wilt gaan gebruiken.
Servo's bewegen de onderdelen binnenin modelvliegtuigen of de wat oudere drones.
Doordat drones sturen door een verschil in draaisnelheid per propeller, en daarvoor geen vleugelvlak bewogen hoeft te worden zoals bij een vliegtuig, zijn servo’s bij drones meestal niet nodig.
Een servo bestaat uit een kleine elektrische motor, en een vertraging (om de kracht te verhogen en de snelheid te verlagen) in een behuizing. Bovenop de servo zit een arm die naar links of naar rechts kan bewegen. Om een stuuroppervlak te bewegen wordt dit met een stang verbonden met de arm van een servo. De servo kan het stuuroppervlak dan verstellen.
Figuur 3.7 - een servo die een stuuroppervlak verstelt.
Frequentie
De frequentie wordt gemeten in Hertz (Hz) en is het aantal cycli (volledige bewegingen) per seconde.
Golflengte
De golflengte is de afstand waarna de golfvorm zich weer herhaalt. Als de frequentie van een radiogolf hoger wordt, dan wordt de golflengte korter.
Het radiospectrum is heel breed, begint bij 34 Hz en loopt door tot 300 GHz. Bijna het gehele radiospectrum wordt voor diverse toepassingen gebruikt.
Figuur 3.8 - het radiospectrum.
De meeste zenders en ontvangers in drones hebben een zend- en ontvangstbereik dat veel groter is dan de afstand die je kan vliegen binnen VLOS. Maar dit bereik, volgens de handleiding van je drone, krijg je alleen onder optimale omstandigheden. Dat betekent een directe lijn tussen de zender en de drone, droog weer en geen radioverstoringen (interferentie). Het in de gebruiksaanwijzing beloofde bereik kan dus flink lager uitpakken in de praktijk. Sta hier bij stil als je ver weg met je drone wilt gaan vliegen.
Figuur ter illustratie. Foto Mark Schuurman.
Extra informatie
Zolang je onder VLOS (Visual Line Of Sight) omstandigheden werkt heb je meestal ook radio line of sight (RLOS, directe en vrije verbinding tussen de zender en de drone). In dat geval zal de radioverbinding tussen de drone en de zender waarschijnlijk prima werken.
Maar zodra je achter een gebouw, berg, bos of iets dergelijks vliegt, loopt de signaalsterkte direct terug. Je kunt de verbinding zelfs helemaal verliezen. Je moet een dergelijke vlucht, als dit ook je bedoeling is, heel goed voorbereiden. Je kan dit dan het beste vooraf testen en daarbij de signaalsterkte continu monitoren. Verder is het belangrijk dat je procedures hebt om uitval van de verbinding op te vangen.
Bij radiostoring (interferentie) zijn er signalen van andere bronnen die van invloed zijn op jouw radioverbinding. Onweer, wolken (cumulonimbus wolken, ook op grotere afstand) en andere atmosferische verschijnselen kunnen leiden tot storing. Elektrische apparatuur zoals de generators in windturbines, zware industriële machines en hoogspanningsleidingen kunnen allemaal elektromagnetische interferentie (EMI) veroorzaken. Die kan de C2-verbinding en sommige dronesensoren, zoals het kompas, verstoren. Tenslotte zijn er veel systemen die dezelfde radiofrequenties gebruiken als onze drone. Voorbeelden: ontgrendeling van auto's, WiFi-netwerken in de omgeving, afstandsbedieningen, enz. Deze kunnen allemaal storing veroorzaken.
Figuur 3.9 - een voorbeeld van radiostoring op een industrieterrein.
De Kp-index geeft de sterkte aan van verstoringen van het magnetische veld van de aarde (geomagnetisch veld) op basis van een voorspelling. De Kp-index is een getal op de schaal van 0 tot 9. De verstoringen kunnen ook een radiostoring veroorzaken. Dit verschijnsel wordt veroorzaakt door de zonnewind en is sterker na een uitbarsting van plasmawolken op de zon, waarbij geladen deeltjes het heelal in geslingerd worden. Het kleurrijke poollicht, ook wel noorderlicht genoemd, is een zichtbare manifestatie van deze deeltjes, die met hoge snelheid onze atmosfeer binnenkomen nabij de polen van de aarde. Als de Kp-index, een voorspellingsindex van de sterkte van zonnewind en de gevolgen daarvan, hoger is dan 5 kan deze storing van invloed zijn op de radioverbinding tussen de zender en de drone én op de GPS-ontvangst. In dat geval kan je beter niet gaan vliegen. Daarom dien je altijd de Kp- index op te zoeken als je een vlucht voorbereidt. Deze is online te vinden (support).
Figuur 3.10 - signaalsterkte indicatie op een zender van een drone (grondstation).
De verschillende vluchtmodi (flight modes) van een drone bieden verschillende niveaus van automatisering en ondersteuning. De precieze naam en functies van de vluchtmodi hangen af van de fabrikant van de drone. Als je aan de slag gaat met een drone van een andere fabrikant dan je gewend bent, moet je eerst hun definities van de vluchtmodi lezen.
Doorgaans worden de verschillende vluchtmodi bepaald door het aan- of uitzetten van bijvoorbeeld het automatisch vasthouden van de hoogte van de drone (altitude hold), het horizontaal stabiel houden (auto level) van de drone en de besturing via GPS coördinaten (in GPS-mode volgt de drone in feite een via de zender doorgegeven coördinaat) of vanuit directe stick input van de zender te kiezen. De bekendste vluchtmodi zijn:
Fully manual of manual mode / volledige handmatige besturing modus
Dit vind je meestal alleen op racedrones. Hierbij moet de piloot alle aspecten van de werking van de drone bedienen. Het vliegen van een drone in deze modus is heel moeilijk omdat deze van nature zeer onstabiel is;
Stabilized of attitude of atti mode / gestabiliseerd modus:
De flight controller (het brein van de drone) houdt de drone in een horizontale stand als de sticks van de zender in de neutrale positie staan. Als je de sticks beweegt volgt de drone de hoekstand van de sticks. De drone zal door de wind wegdrijven, tenzij de piloot dit corrigeert. In deze modus is er doorgaans ook sprake van altitude hold, het vasthouden van dezelfde hoogte;
Position hold of GPS mode / GPS of vaste positie modus:
Deze modus maakt het vliegen het eenvoudigst. De drone gebruikt GPS en soms ook sensors (zie verderop in dit hoofdstuk) om een vaste positie boven de grond vast te houden.
Een drone met vaste vleugels (fixed-wing drone) blijft in deze modus in een rechte lijn vliegen. Indien nodig kantelt de flight controller de drone automatisch in de wind om wegdrijven (drift) te voorkomen. Bij een vaste vleugel drone wordt de neus in de wind gedraaid om een vaste koers te handhaven;
Programmed flight mode of waypoint mode / waypoint of voorgeprogrammeerde of routepunt modus
De drone vliegt van het ene voorgeprogrammeerde routepunt op de route (waypoint) naar het andere. In deze vluchtmodus is het wettelijk vereist dat de piloot de besturing op elk moment kan overnemen. Dat betekent dat je de zender in je handen dient te hebben zodat je de voorgeprogrammeerde vlucht op elk moment kan afbreken.
Een waypoint vlucht starten en vervolgens iets anders gaan doen, is dus uitdrukkelijk verboden. In de meeste gevallen dient er overigens handmatig opgestegen en geland te worden en wordt de waypoint vlucht pas gestart als de drone in de lucht is;
Intelligente flight modes, intelligente vluchtmodi: de drone vliegt een manoeuvre of volgt een object zonder ingrijpen van de piloot (bv. DJI Active track of Quick shots).
Als piloot op afstand moet je altijd de volledige beheersing over de drone hebben. Dat betekent dat je bij gebruik van intelligente vluchtmodi altijd zelf de besturing moet kunnen overnemen. Meestal hoef je alleen maar de sticks van de zender te bewegen of op een stopknop te drukken.
Figuur 3.11 - vlucht voor Waternet op basis van waypoints.
Een vaste vleugel vliegtuig (fixed-wing) heeft een vleugel die vast aan de romp is gemonteerd om draagkracht te genereren. Verder heeft het één of meer motoren om voortstuwingskracht te leveren. Omdat de vleugel vast is moet het vliegtuig door de lucht bewegen om te kunnen vliegen.
Figuur 3.12 - onderdelen van een vaste vleugel vliegtuig.
Het hoogteroer helpt met het regelen van de hoogte waarop een vliegtuig vliegt. Het zit meestal op de staart van het vliegtuig en heeft twee doelen. Ten eerste draagt het bij aan de stabiliteit doordat het een kracht naar beneden uitoefent op de staart. Vliegtuigen zijn meestal zwaarder aan de voorkant en deze kracht naar beneden compenseert de onbalans.
Ten tweede kan het hoogteroer de neus van het vliegtuig naar boven of naar beneden sturen (hoekregeling) zodat het vliegtuig kan dalen en klimmen.
De rolroeren zitten aan de achterkant van de vleugels, één aan elke kant. Ze werken in tegenovergestelde richting: als de ene naar boven gaat dan gaat de andere naar beneden.
Dit verhoogt de draagkracht op de ene vleugel en vermindert de draagkracht op de andere vleugel. Daardoor rolt het vliegtuig naar de zijkant en kan zo een bocht maken. Dit is het belangrijkste stuurvlak van een vliegtuig. Bij sommige drones zijn de hoogteroeren (elevators) en rolroeren (ailerons) gecombineerd tot elevons. Dit zie je op sommige vliegtuigen die geen staart hebben. Ze vervullen dan de functies van beide stuurvlakken.
Het richtingsroer zit op de staart van het vliegtuig. Het werkt net zoals het roer van een boot en stuurt de neus van het vliegtuig naar links en naar rechts. Maar in tegenstelling tot bij een boot is dit niet het belangrijkste stuurvlak. Het richtingsroer dient voornamelijk als compensatie van de weerstandskracht die bij het maken van een bocht wordt veroorzaakt door het rolroer dat naar beneden is versteld. Door deze weerstandskracht wijst de neus van het vliegtuig weg (naar buiten) van de richting van de bocht. Het richtingsroer corrigeert dit door de neus in de goede richting te duwen.
De gashendel regelt het vermogen van de motor en/of de snelheid van de propeller. Bij een verbrandingsmotor gebeurt dat door de brandstofstroom naar de motor te regelen. Bij een elektrische motor door het regelen van de elektrische stroomsterkte.
De propeller van een vaste vleugel vliegtuig werkt net zoals de vleugel, maar dan in de verticale in plaats van horizontale stand. Als je een propeller van de zijkant bekijkt zie je dat die gevormd is als een aerofoil (vleugelprofiel). Meestal zijn de propellerbladen breder in het midden, en smaller bij de uiteinden. Daardoor wordt voortstuwingskracht gelijkmatig verdeeld over het blad, omdat de uiteinden sneller bewegen dan het midden.
Dit model luchtvaartuig heeft meerdere rotors, meestal vier of meer, soms drie. Door het vermogen van elke motor afzonderlijk te regelen kunnen multirotors manoeuvreren.
Figuur 3.14 - onderdelen van een multirotor drone.
Een multirotor drone heeft geen stuurvlakken zoals een vaste vleugel drone. Alle bewegingen worden gestuurd door het regelen van het vermogen van de motoren. Bij meer vermogen draait een propeller sneller en levert dan meer draagkracht en koppel.
Het stampen (hoek van voor naar achter, pitch) en rollen (zijdelingse hoek, roll) worden geregeld door meer of minder draagkracht op te wekken aan een bepaalde kant van de drone. Om de hoek te wijzigen gaat er meer vermogen naar de motoren aan de tegenovergestelde kant. Voorbeeld: om de drone naar links te kantelen stuur je meer vermogen aan de motoren rechts.
Door het aansturen van de motoren kunnen we de drone naar links en rechts en vooruit en achteruit laten bewegen. Als een drone stampt of rolt (en de drone dus niet horizontaal staat) wordt de kracht van de rotors in twee delen gesplitst:
Draagkracht, verticaal naar boven
Voortstuwingskracht, horizontaal, in de kantelrichting De draagkracht houdt de drone in de lucht en de voortstuwingskracht beweegt de drone zijwaarts in de opgegeven richting.
Omdat een deel van de kracht wordt gebruikt om de richting van de drone te veranderen is er minder draagkracht. Daardoor daalt de drone. Bij de meeste multirotors wordt er dan automatisch meer vermogen gestuurd naar alle motoren om de hoogte te bewaren. Bij sommige racedrones, die beduidend minder geautomatiseerd zijn dan de gemiddelde hobbydrone, moet de piloot dit zelf doen.
Figuur 3.15 - het kantelen van een multirotor vermindert de draagkracht.
Als alle rotors van een multirotor drone in dezelfde richting draaien, dan gaat de romp ook draaien (gieren, yaw). Om dat effect te voorkomen draait de helft van de rotors linksom, en de andere helft rechtsom. Hierdoor krijg je een even groot koppel naar links als naar rechts. Dat voorkomt onbedoelde rotatie van de hele drone.
Als je de drone wilt laten ronddraaien, dan stuur je meer vermogen naar een groep motoren die allemaal dezelfde draairichting hebben. Dat zorgt voor meer koppel in één richting waardoor de drone vervolgens roteert. Tegelijkertijd stuur je minder vermogen naar de motoren die in de andere richting draaien. Zo blijft de draagkracht constant en voorkom je dat de drone stijgt.
Bij een multirotor is het regelen van de hoogte vrij eenvoudig, omdat alle rotors horizontaal staan. Om te stijgen stuur je meer vermogen naar alle motoren. Om te dalen stuur je minder vermogen naar alle motoren.
Een helikopter heeft een hoofdrotor om draagkracht op te wekken en een kleine staartrotor voor de stabilisatie. Je kunt de hoofdrotor beschouwen als een draaiende vleugel.
Figuur 3.16 - onderdelen van een helicopter.
Een helikopter is veel ingewikkelder dan een vaste vleugel vliegtuig. Maar de principes van het vliegen zijn hetzelfde. De rotorbladen werken net zoals de vleugels van een vliegtuig: als er lucht over stroomt produceren ze draagkracht. Het verschil is alleen dat de luchtstroom nu wordt opgewekt door de vleugels (rotorbladen) te laten draaien, in plaats van het hele vliegtuig te laten bewegen.
De hoofdrotor zorgt voor de draagkracht. Om meer draagkracht te produceren, zodat de helikopter klimt, verstelt de piloot de hoek van de rotorbladen.
De hoofdrotor heeft een tuimelplaat (swash plate) om de invalshoek (en dus de draagkracht) van de rotorbladen te veranderen over een deel van de rotatie. Als de piloot de draagkracht aan de achterkant van de helikopter vergroot, kantelt deze naar voren en beweegt de helikopter naar voren (een multirotor drone heeft geen tuimelplaat, maar wordt bestuurd door de rotors met verschillende snelheden te laten draaien).
Figuur 3.17 - de hoogte handhaven als de multirotor onder een hoek staat.
Als de motor de hoofdrotor aandrijft gaat die draaien. Maar de motor en de romp van de helikopter willen dan in de tegengestelde richting draaien. Dat komt door het reactiekoppel. De staartrotor compenseert dit koppel en zorgt dat de helikopter in een rechte lijn blijft vliegen. Bij een helikopter met twee rotors, bijvoorbeeld een Chinook helikopter, draaien deze rotors in tegengestelde richting. Daardoor heffen de koppels elkaar op, net zoals bij een multirotor drone, en is er geen staartrotor nodig.
Bijna alle drones hebben sensors om de piloot te helpen om makkelijk, nauwkeurig en veilig te vliegen. Automatische en intelligente vluchtmodi zijn sterk afhankelijk van extra sensors, waarmee ze de vlucht zonder ingrijpen door de piloot kunnen uitvoeren. Voorbeelden van sensors:
Inertial Measurement Unit (IMU)
Een kleine chip met gyroscopen op drie assen (voor het meten van verdraaiing), en versnellingsopnemers (voor het meten van de lineaire versnelling) op drie assen, en soms ook een kompas. De drone gebruikt de gegevens van de IMU om de beweging en de stand in de lucht te bepalen. Zonder de IMU kan zelfs de eenvoudigste drone niet vliegen. Moderne drones hebben minstens twee IMU's, voor redundantie en een hogere nauwkeurigheid;
Kompas
Meet de richting van het omringende magnetische veld. Omdat de aarde een magnetisch veld heeft kunnen we navigeren met een kompas. Dit magnetisch veld kan onregelmatig zijn. Daar moeten we rekening mee houden.
Soms moet je het kompas kalibreren als je gaat vliegen op een nieuwe locatie. Ga je ver van je vorige vlieglocatie vandaan vliegen, kalibreer dan je dronekompas uit voorzorg als onderdeel van de vluchtvoorbereiding;
Hoogtemeter (altimeter)
Geeft de hoogte aan waarop je vliegt. De hoogtemeter meet de verandering in luchtdruk gedurende de vlucht. Omdat de luchtdruk lager wordt als je stijgt kan de hoogtemeter de vlieghoogte van de drone meten;
Nabijheidssensor (proximity sensor)
Meet de afstand tot de grond. Dit is vooral nuttig bij het opstijgen en landen. Wordt ook gebruikt om obstakels rondom de drone te detecteren;
Optical flow sensor (optische positieregeling bij DJI drones)
Meet de zijdelingse beweging van de drone. Hierdoor kan de flight controller de positie van de drone handhaven zonder GPS;
Indicators (status LED's)
Geven de status van de drone aan. Voorbeelden: accu-niveau, signaalsterkte, vluchtmodus, te dicht bij een object.
Figuur 3.18 - benaderingssensors.
De weersomstandigheden hebben een grote invloed op het veilig gebruik van een drone. Het weer kan tot grote problemen of zelfs een crash van de drone leiden. Dit is een belangrijk aspect bij het plannen van een vlucht. Je moet altijd rekening houden met de specifieke weersbeperkingen van je drone.
De Maximum Take Off Mass (MTOM) is de maximaal toegelaten totale massa van de drone. Ook bekend als het maximale startgewicht. Dat is inclusief alles wat er aan en op zit zoals de accu en een camera bijvoorbeeld. Deze beperking moet door de fabrikant zijn opgegeven in de gebruiksaanwijzing van de drone. Dat je de gebruiksaanwijzing waarschijnlijk dient te downloaden, en dat deze niet in de verpakking van de drone is bijgesloten, betekent niet dat je niet verplicht bent deze te lezen en te begrijpen.
Als de drone zwaarder is dan de MTOM, levert dat gevaar op bij het vliegen. Of de drone kan zelfs te zwaar zijn om nog op te stijgen. Hoewel je misschien op kleine hoogte kunt vliegen met een overbelaste drone, zal deze onvoorspelbaar reageren op de besturing of onstabiel worden bij wind of turbulentie. De vliegtijd zal sterk verminderen, de motoren kunnen oververhit raken en bij een ongeluk zal de verzekering mogelijk de aansprakelijkheidsschade niet dekken.
Het zwaartepunt / Centre of Gravity, CoG of CG, is het denkbeeldige punt in het luchtvaartuig waar al het gewicht geconcentreerd is. Dit punt kan naar voren en achteren, en naar links en rechts bewegen, afhankelijk van de lading van de drone. Het is van het grootste belang dat de plaats van het zwaartepunt binnen bepaalde grenzen blijft. Als een drone te zwaar is aan één kant (het zwaartepunt te veel naar die kant ligt) zal die niet meer kunnen opstijgen of dusdanig moeilijk bestuurbaar worden dat het gevaarlijk wordt. Deze begrenzing is het zwaartepuntbereik (CG envelope). Deze verschilt per drone. Daarom dien je de handleiding te hebben gelezen van elke drone waar je mee vliegt.
De handleiding van de drone geeft de weersbeperkingen aan. Eén daarvan is de maximale windsnelheid. Wind heeft een grote invloed op de grondsnelheid van de drone. Bij tegenwind zal de grondsnelheid lager zijn en bij staartwind hoger. Bij zijwind moet je de drone naar de wind kantelen (multirotor) of moet je de koers bijstellen (vaste vleugel) om het wegdriften van de gewenste koers te voorkomen.
Als de windsnelheid hoger is dan de beperking van de drone, zal je problemen ondervinden. Het besturen van de drone wordt bijvoorbeeld moeilijker of onmogelijk, wat tot een ‘fly-away‘ kan leiden. Bij sterke wind moeten de motoren harder werken. Daardoor kunnen ze oververhit raken en uitvallen. Als de motoren harder werken, gebruiken ze meer energie en zal de accu sneller leegraken.
Bij het vliegen dicht bij obstakels (gebouwen, dijken, heuvels, bergen) moet je, zoals eerder genoemd, rekening houden met turbulentie. Als de wind rond een obstakel blaast krijg je turbulente lucht. Dit kan leiden tot onvoorspelbaar gedrag van je drone.
De temperatuurbeperkingen in de handleiding van je drone geven de minimum- en maximumtemperatuur aan. Als je daarbuiten gaat vliegen kan dat leiden tot beschadiging van je drone en een onveilige vlucht. Elektronische onderdelen zijn gevoelig voor hoge temperaturen. Het blootstellen van elektronica aan hoge temperaturen kan leiden tot storingen of zelfs brand.
De temperatuur is vooral van invloed op de accu's. Als de accu te koud is kan die niet genoeg vermogen leveren om veilig te vliegen met een drone. Sommige drones meten de accutemperatuur en stijgen niet op als de accu te koud is.
De meeste drones hebben een indicatie van de resterende accucapaciteit. Vaak gaan ze automatisch landen bij een in te stellen restpercentage of keren ze terug naar het punt waar ze zijn opgestegen (return to home) als de (ingestelde) resterende accucapaciteit te klein wordt.
Figuur 3.19 - ontladingscurve.
De meeste drones moeten geactiveerd (armed) worden voordat je kunt opstijgen. Dit wordt uitgelegd in de gebruikershandleiding.
Multirotors en helikopters:
Start de motor(en);
Verhoog het vermogen tot je kunt opstijgen (standaard Europa: linker stick omhoog);
Regel de stand voor/achter (stampen, pitch) en links/rechts (rollen, roll) zodat de drone stabiel is (standaard Europa: rechter stick in alle richtingen).
Vliegtuigen met vaste vleugels:
Start de motor;
Verhoog het vermogen tot vol (standaard: linker stick);
Als je voldoende luchtsnelheid (airspeed) hebt, trek je de neus van de vaste vleugel drone naar boven om op te stijgen (standaard: rechter stick).
Het beheersen van de stand (als de drone in verschillende richtingen wijst) is een van de belangrijkste vaardigheden die je moet leren. Dit geldt zowel bij het handhaven van een vaste positie (hover) als bij het vliegen van patronen.
Multirotor en helikopters:
Oefen het handhaven van een positie boven een bepaald punt met het telkens subtiel bijstellen van de rechter stick. Handhaaf een constante hoogte door het vermogen steeds aan te passen totdat er balans ontstaat tussen de opwaartse en neerwaartse krachten;
Als je patronen en manoeuvres vliegt, moet je op elk moment kunnen stoppen, bijvoorbeeld om een obstakel te vermijden. Dat is ook van invloed op de snelheid waarmee je vliegt.
Drones met vaste vleugels:
Verzeker dat je altijd een veilige luchtsnelheid hebt. Bij normaal vliegen heb je geen vol vermogen nodig, maar als je de drone te langzaam vliegt is er risico op overtrekken en neerstorten. Je moet het juiste vermogen vinden, en dat verschilt voor elke vaste vleugel drone;
Oefen met het maken van bochten, door de bocht in te rollen en de neus iets naar boven te trekken om de hoogte te handhaven. Lukt dit aardig, volg dan eens een van te voren gepland patroon met rechte stukken en bochten.
Het landen van een drone is meestal het moeilijkste aspect van het vliegen. Plan de afdaling zorgvuldig, en houd de drone stabiel tijdens de benadering van de landingsplaats. Vooral multirotors hebben de neiging onstabiel te worden bij (te) snel dalen. Laat je daardoor niet verrassen en verminder indien mogelijk de afdalingssnelheid.
Multirotors en helikopters:
Keer terug naar de landingsplaats, handhaaf je positie daarboven;
Verminder het vermogen om te dalen, houd de drone stabiel middels de rechter stick;
Schakel de motor(en) direct na de landing uit.
Drone met vaste vleugels:
Kies de landingsplaats zo dat de drone met de neus in de wind vliegt bij het landen;
Lijn de drone uit met de landingsplaats (landingsbaan), verminder het vermogen, laat de neus iets zakken om de daling in te zetten;
Vlak voor de landing trek je het vermogen geheel terug (stationair) en land je de drone voorzichtig, met correcties via de rechter stick.
Na de landing kun je de drone uitschakelen of je op de volgende vlucht voorbereiden.
Als de ontvanger in de drone geen signaal meer ontvangt van de zender wordt de voorgeprogrammeerde failsafe actief. Naast een te laag accuniveau is dit de meest voorkomende reden dat de failsafe modus geactiveerd wordt. Flight controllers hebben vaak zeer uitgebreide failsafe mogelijkheden. Bijvoorbeeld:
Vlieg terug naar de opstijglocatie (return to home) en zet vervolgens automatisch de landing in.
Automatisch landen op de huidige locatie;
Blijven hoveren/loiteren op de huidige locatie totdat de accucapaciteit dat niet meer toelaat;
Je kunt de failsafe modus ook handmatig activeren. Het is aan te raden de schakelaar hiervoor een bepaalde kleur te geven en anderen waarmee je vliegt te vertellen welke schakelaar dit is en welke failsafe modus er is gekozen. Je moet de failsafe modus namelijk voorafgaand aan de vlucht kiezen, afhankelijk van de omstandigheden. Bij de meeste drones doe je dit in het settings/instellingen menu. De standaardinstelling is doorgaans return to home, maar soms is het direct landen of de positie handhaven.
Return to home
Dit is de meest gebruikte failsafe modus voor drones. Als deze wordt geactiveerd, stijgt of daalt de drone naar een vooraf bepaalde hoogte en vliegt dan in een rechte lijn terug naar de plaats van opstijgen (home point). Het is aan te raden de return to home hoogte zo in te stellen dat deze 15 tot 20 meter hoger is dan het hoogste obstakel tussen de piloot en de drone. De drone blijft doorgaans standaard een halve minuut op die positie hoveren en daalt dan voor de landing. Bij de meeste drones is het home point de plaats van opstijgen.
Maar je kunt dit ook zelf instellen. Tijdens de vlucht kan je in veel gevallen het home point updaten, waarbij de huidige vlieglocatie dan het home point wordt. Meer geavanceerde drones hebben ook de mogelijkheid de zender als home point in te stellen. Dat is vooral handig als je opstijg- en landingsplaats beweegt, zoals op een boot.
Bij een drone met vaste vleugels moet je van te voren meer plannen, want die kunnen niet op een plaats blijven hangen. Meestal dien je dan de landing zelf te programmeren. Hierbij moet je bomen en andere obstakels vermijden. Je kunt de vaste vleugel drone ook programmeren om te dalen tijdens het wachten (loitering) als er genoeg ruimte is.
Direct landen
Als je binnen, in een gebouw vliegt, is dit waarschijnlijk de beste optie. Bij direct landen zal de drone onmiddellijk dalen en op de huidige positie landen. Denk eraan dat als je vliegt zonder een betrouwbaar GPS-signaal of ander positioneringssysteem (bv. Vision positioning op DJI drone) de drone de positie niet kan weten en dus niet kan handhaven. Tijdens het landen zal de drone dan waarschijnlijk blijven bewegen in de richting waarin het vloog toen de failsafe werd geactiveerd. Let daar dus in het bijzonder op als je binnen handmatig de failsafe modus wilt inschakelen. Direct landen met een vaste vleugel drone betekent dat deze eerst in cirkels gaat vliegen. Tijdens het vliegen van die cirkels daalt de drone tot deze geland is.
Hover (multirotor en helicopterdrone)
Bij deze optie stopt de drone in de huidige positie en blijft daar hangen tot er weer een signaal wordt ontvangen en een nieuwe opdracht wordt verstuurd. Als de resterende accucapaciteit tot een bepaald punt terugvalt (doorgaans minimaal 15%) zal de drone overgaan tot de procedure voor een directe landing.
Cirkelen (vaste vleugel drone)
Omdat een toestel met vaste vleugels luchtsnelheid nodig heeft om draagkracht op te wekken, kan het niet op een vast punt blijven hangen. In plaats daarvan vliegt het in cirkels. Dit heet ‘loitering’. De drone blijft dit doen tot de verbinding hersteld is of er een directe landing gemaakt moet worden omdat de accu bijna leeg is.
Met een nabijheidssensor (proximity sensor) krijgt de drone meer functies en kun je veiliger vliegen. De meeste nabijheidssensors zijn ultrasoon. Deze sensors werken het best bij harde oppervlaktes zoals beton. Bij gras en dergelijke kan het signaal worden geabsorbeerd en zal de nabijheidssensor minder effectief zijn.
Deze sensors kunnen de afstand tot de grond meten. Dit is vooral nuttig bij het opstijgen en landen. Ze worden ook gebruikt om obstakels rondom de drone te detecteren en op basis daarvan automatisch in te grijpen als dit zo is ingesteld.
Figuur 3.18 - benaderingssensors.
Op basis van de GPS-informatie die de drone ontvangt, kunnen bepaalde gebieden zoals no- fly zones geactiveerd worden zodat de drone daar niet kan opstijgen. Dit wordt in het algemeen geo-fencing genoemd. In de EASA regels wordt gesproken over ‘geobewustzijnssystemen’ en ‘geo-awareness systems’. Geo-fencing kan je ook waarschuwen als je bijvoorbeeld dicht bij gevoelige zones vliegt, of kan de drone laten landen als je té dichtbij komt.
De databases met de no-fly zones worden regelmatig bijgewerkt. In de handleiding van je drone kun je lezen hoe je deze kunt updaten, als dat kan. Meestal zoekt de software automatisch naar updates en geeft je een waarschuwing als je een oude versie gebruikt. Dan kan je kiezen te updaten, echter soms is updaten verplicht.
Je kunt meestal hoogte- en afstandsbeperkingen, vergelijkbaar met geo-fencing, instellen op je drone. In de handleiding lees je hoe je dat doet, meestal via het instellingen menu van je drone. De standaard maximumhoogte voor alle vluchten is 120 meter. Maar soms is het veiliger een lagere hoogte in te stellen, bijvoorbeeld als je verwacht dat er andere gebruikers van het luchtruim zijn, de maximale vlieghoogte op jouw locatie lager is of als bijvoorbeeld jouw vlucht niet hoger hoeft te zijn dan 50 meter.
Sommige drones zijn al voorzien van ‘detect and avoid’ systemen. Hiermee kunnen ze objecten detecteren en dan hun beweging stoppen en beperken om botsingen te voorkomen. Deze techniek wordt steeds verder ontwikkeld. In de toekomst zullen drones in staat zijn andere luchtvaartuigen te detecteren en ze automatisch te vermijden.
Deze elektronische systemen zenden informatie uit over de drone, de eigenaar en/of de piloot. De overheid kan deze informatie gebruiken om te bepalen of een drone in een bepaald gebied mag vliegen. Indien nodig moet de identificatie worden geactualiseerd om de juiste informatie te geven. Dit wordt beschreven in de handleiding van de drone. Meestal doe je dit via het instellingen menu van de drone.
Als je met een drone vliegt moet je informatie krijgen over de status daarvan. Voorbeelden: resterend accuniveau, signaalsterkte, en zelfs of je te dicht bij een object komt.
De meeste drones zijn voorzien van een status LED (lamp) die belangrijke informatie aan de piloot doorgeeft door van kleur te veranderen en te knipperen. Soms kun je de kleuren zelf programmeren, maar meestal zijn die voorgeprogrammeerd en beschreven in de handleiding. De zender kan ook indicators hebben om waarschuwingen te geven. Vaak gebeurt dat met een zoemer in plaats van een LED, zodat je naar de drone kunt blijven kijken. Bij sommige zenders kan je ook gesproken instructies en waarschuwingen aanzetten, doorgaans zijn die in het Engels.
Functies van indicators en waarschuwingen:
Resterend accuniveau
GPS signaalsterkte en aantal ontvangen satellieten
Sterkte van het besturingssignaal (RSSI)
Vluchtmodus
Failsafe
Vlieghoogte
Afstand tot de piloot
Snelheid
Figuur 3.20 - voorbeelden van status en navigatie verlichting.
Als piloot op afstand moet je altijd controleren of de drone in goede staat verkeert en of je alle benodigde apparatuur bij je hebt (drone, camera, accu's, enz.) voordat je gaat vliegen.
Voor en na elke vlucht moet je de drone even controleren: is er zichtbare schade, zitten alle onderdelen vast, is de accu goed aangesloten, zijn de propellers beschadigd, enz.
Als de drone een verwijderbare lading (payload) heeft dan is het heel belangrijk om te controleren of die goed vast zit. Als de lading tijdens de vlucht losraakt zou dit de stabiliteit van de drone ernstig kunnen bedreigen omdat het zwaartepunt verandert. Ook zou de lading iemand op de grond kunnen verwonden.
De propellers van een drone zijn meestal gemaakt van koolstofvezel, kunststof of hout. De randen kunnen scherp zijn en als ze snel draaien kunnen ze leiden tot ernstige verwondingen. Sommige mensen hebben diepe snijwonden of permanent oogletsel opgelopen door propellers.
De meeste drones hebben lithium accu’s. Deze accu's kunnen veel energie opslaan, hebben een laag gewicht, en kunnen snel worden ontladen zonder beschadiging. Doorgaans worden dit soort accu’s in de spreektaal lipo’s genoemd, of lipo accu’s. Lipo is de afkorting voor ‘lithium-polymeer’.
Het nadeel van dit soort accu’s is dat ze bij onjuist gebruik kunnen ontbranden of zelfs exploderen. Als een lithium accu beschadigd wordt (door vallen, een harde landing, enz.) dan is het wel zo veilig minstens een half uur uit de buurt van die accu te blijven. Daarna kun je voorzichtig kijken hoe ernstig de schade is. Zie je dat er een flinke beschadiging is, bewaar dan de accu minimaal 12 uur op een veilige, droge plek waarbij deze kan ontvlammen zonder verdere schade te veroorzaken (garage of kelder). Het kan tot wel 12 uur duren voordat een lithium accu spontaan ontbrandt nadat er zuurstof in de accucellen is doorgedrongen. Bij het ontvlammen van een dergelijke accu ontstaat er dikke, witte rook.
Adem deze rook niet in. Dit kan longoedeem veroorzaken en, al is dat nog niet wetenschappelijk aangetoond, zeer kankerverwekkend zijn. Ventileer dan de ruimte direct goed. Vergeet niet dat dit soort accu’s óók vaak in je zender zitten.
Lithium accuspanning
Lithium accu’s zijn zeer gevoelig, waarvan de spanning tussen twee uitersten moet blijven. Een enkele lithium cel heeft een nominale (gemiddeld) spanning van 3,7 V. Deze mag bij laden nooit de 4,2 V overschrijden of bij ontladen beneden de 3 V komen. De minimum spanning van een LiPo is niet exact te geven. Sommige kunnen veilig tot 3V worden ontladen, andere raken beschadigd. Het is daarom verstandig een veiligheidsmarge te gebruiken. Over het algemeen wordt dan een minimum waarde van 3,5 V aangehouden.
Lithium accu’s opladen
Je dient lithium accu’s altijd op te laden met een geschikte lader en je moet de handleidingen van de accu’s en de lader lezen. Laad accu’s nooit op met een hogere laadstroom dan aanbevolen door de fabrikant. Als de laadstroom te hoog is kunnen de accu’s worden beschadigd of ontvlammen.
Laad accu's altijd op bij kamertemperatuur. Laad nooit accu's op die erg koud (onder 0 graden) of warm (heter dan 45 graden) zijn, om beschadiging van de accu's te voorkomen.
Accu's opslaan
Lithium accu’s moeten in een speciale zak (battery bag of lipo bag) worden opgeslagen, bij kamertemperatuur en op een droge plek. De grenzen van de opslagtemperatuur staan in de accuhandleiding en zijn vaak tussen -20° en +30°C. Bij voorkeur wordt een accu opgeslagen met ongeveer 60% lading. Als de spanning in het midden van het bereik ligt zal de accu minder snel worden beschadigd doordat de spanning beneden het minimum valt. Als je de accu volledig geladen opslaat betekent dit dat bij een probleem de accu de maximale hoeveelheid energie afgeeft. Opslaan bij 60% lading betekent dat er minder energie is en de accu stabieler is.
Accu's verliezen langzaam lading tijdens de opslag. Dit wordt zelfontlading genoemd. Daardoor kan een opgeslagen accu te diep ontladen worden en eventueel beschadigen. Dus als je een accu een paar maanden niet gebruikt moet je die tussentijds controleren en indien nodig bijladen.
Reizen met accu's
Als je accu's in je eigen voertuig transporteert moet je ze beschermen tegen beschadiging. Het is aan te raden ze in de genoemde speciale accuzakken te doen.
Extra informatie
Er zijn beperkingen op het meenemen van lithium accu’s in een vliegtuig. Zowel de ICAO en de IATA (International Air Transport Association) hebben regels en richtlijnen gepubliceerd (support). Luchtvaartmaatschappijen hebben ook hun eigen regels. Soms zijn die strenger dan die van de ICAO en IATA.
Een veilige en efficiënte operatie hangt af van doelmatig onderhoud. Het onderhoud wordt meestal in detail beschreven in de handleiding van de drone.
De drone moet worden onderhouden volgens de voorschriften van de fabrikant. Deze specificeren onder ander de frequentie van het onderhoud, het aantal uren of vluchten waarna bepaalde onderdelen moeten worden gecontroleerd, schoongemaakt of vervangen.
Als je een hobbyist bent doe je meestal zelf het onderhoud. Maar zelfs als iemand anders het onderhoud doet van jouw drone, heb jij als piloot op afstand nog steeds de eindverantwoordelijkheid voor de drone tijdens de vlucht.
Het updaten van de firmware en software kan nuttig zijn. Dit kan fouten (bugs) verhelpen, de nauwkeurigheid verhogen en nieuwe functies toevoegen. Maar updates kunnen de werking en vliegeigenschappen van de drone aanzienlijk veranderen. Als er een nieuwe update is, dan is het aan te bevelen enige tijd te wachten. Dan kun je bij andere gebruikers, via social media, of de fabrikant vragen of die update veilig is. Na een update is het verstandig de drone eerst zo veel mogelijk op de grond te testen, in een veilige omgeving. Zo kun je nagaan of alles juist werkt voordat je een testvlucht maakt.
Figuur 3.21 - onderhoudslogboek.