FlyFocus-yhtiön kehittämä drone voi valvoa kohteita lähes loputtoman pitkään. Normaalisti se leijuu valvottavan alueen yläpuolella kytkettynä liekakaapeliin, josta se voidaan vapauttaa jopa puolen tunnin vapaaseen lentoon. Pitkä lentoaika suurillakin hyötykuormilla on mahdollista Vicorin kehittämien DCM-moduulien ansiosta.

Miehittämättömien ilma-alusten eli UAV-laitteiden (Unmanned Aerial Vehicles) käsite ei ole uusi. Ensimmäiset ilman pilottia lentävät laitteet rakennettiin jo ensimmäisen maailmansodan aikana (viite). Nykyään UAV-laitteet kehittyvät kuitenkin nopeasti, kun innovatiiviset valmistajat hyödyntävät uusimpia saatavilla olevia komponentteja ja materiaaleja optimoidakseen laitteensa tiettyihin erityissovelluksiin.

Yksi tällainen yritys on FlyFocus, joka on erikoistunut suunnittelemaan ja valmistamaan UAV-laitteita eli droneja siviilimarkkinoille ja lainvalvontaa suorittaville viranomaisille. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat herkkien alueiden seurantaan liittyvät toiminnot kuten rajavyöhykkeiden, voimalaitosten ja sotilaskohteiden valvontatoimet. Yhtiön tuotteita voi kuitenkin löytää myös monenlaisista muistakin käyttökohteista kuten moottoriteiden seurannasta ja ajoneuvojen laskennasta, yleisön seurannasta urheilutapahtumissa, radiotaajuisten häiriöiden jäljityksestä ja RF-releointitehtävistä.

Vaikka nämä sovellukset ovat keskenään hyvin erilaisia, niillä on kuitenkin yhteisenä vaatimuksena jatkuva lentäminen, joka kestää pitkään. Tämän vaatimuksen täyttää erityisesti yhtiön päätuote CableGuard. Kyseessä on täydellinen järjestelmä, jonka muodostavat liekakaapeliin kytketty UAV, maa-asema ja seurantajärjestelmä.

Tämä FlyFocuksen kehittämä drone viettää suurimman osan käyttöajastaan kaapeliin kytkettynä ja leijuu jopa 70 metrin korkeudessa tarkkailtavan alueen yläpuolella. Tässä toimintatilassa sen sähkömoottorit ja sisäinen elektroniikka saavat virtaa kytkentäkaapelin kautta, joka syöttää dronelle 400 voltin DC-jännitteen maa-asemalta. Tämä tasajännite muodostetaan 230 voltin vaihtojännitteestä, joka yleensä syötetään maa-asemaan kannettavasta generaattorista. Näin drone voi suorittaa valvontatehtäväänsä lähes loputtomasti. Laitteelle on kirjattu jopa 30 päivän yhtämittaisia lentoaikoja. Käytännössä on kuitenkin suositeltavaa laskea laite maankamaralle viikoittain, jotta laakerit ja muut mekaaniset osat voidaan tarkastaa.

Jos jokin UAV:n kameroista havaitsee liikkuvan ajoneuvon tai muun epäilyttävän kohteen, liekakaapeli voidaan välittömästi irrottaa etäkomennolla ja laskea pehmeästi maa-aseman läheisyyteen pienen laskuvarjon avulla.

Samalla hetkellä dronen sisäinen akusto ottaa tehonsyötön saumattomasti hoitoonsa, jolloin laite voi lentää vapaasti ja seurata kohdetta yhden päivänvalokameran hyötykuormalla jopa 30 minuuttia ennen laskeutumista. Kaksoiskameralla (lämpösäteily ja päivänvalo) käytettävissä on 20 minuuttia lentoaikaa. Nämä vapaan toimintatilan lentoajat antavat FlyFocusin dronelle merkittävää kilpailuetua erilaisissa valvontasovelluksissa.

Irrallaan suoritetun tehtävän jälkeen CableGuard voidaan jälleen kytkeä kaapelilla maa-asemaan jatkamaan valvontaa.

Viiden kilowatin toimintatehonsa ansiosta laite on luokiteltu kaikkein tehokkaimmaksi liekakaapeliin kytketyistä dronemalleista, joita nykyään on saatavissa. FlyFocus on hyödyntänyt ylimääräistä tehoa parantaakseen laitteen suorituskykyä ja toimivuutta.

Dronessa on kahdeksan moottoria, joiden avulla se voi laskeutua turvallisesti, vaikka kaksi moottoreista olisi pois käytöstä. Kokoonpanoon kuuluu kaksi kameraa: Full HD -tasoinen päivänvalokamera, jossa on 10-kertainen optinen zoom ja 4x digitaalinen zoom sekä yökäyttöön tarkoitettu 640p-tasoinen infrapunakamera, jossa on 4x digitaalinen zoom.

Kuva 1. Lentolaitteen monitoiminen havaintojärjestelmä.

Suuri tehokapasiteetti antaa liikkumavaraa käyttää dronessa laadukkaampia kameroita, esimerkiksi jäähdytettyjä IR-tyyppejä tai kameroita, joissa on laajempi zoomausalue. Lisäksi se avaa uuden mahdollisuuden erilaisten hyötykuormamoduulien lisäämiseen asiakkaiden tarpeiden mukaan. Ne voivat olla esimerkiksi tietoliikennelaitteita tai muita erityisratkaisuja.

Vicor-yhtiö on kehittänyt UAV-laitteen tehonjakeluverkkoa varten sarjan eristettyjä, reguloituja DC-DC-muuntimia. Näiden DCM-moduulien kautta jaetaan syöttöteho liekakaapelista laitteen moottoreille ja elektroniikalle. Muuntimien avulla on voitu parantaa CableGuardin tehokapasiteettia ja kilpailukykyä monin tavoin.

Ensinnäkin niiden kyky muuntaa UAV:n tarvitsemat käyttöjännitteet suuresta tasajännitteestä tarkoittaa, että syöttöteho voidaan siirtää liekakaapelin kautta 400 voltin tasajännitteenä. Suurempi jännite tarkoittaa myös pienempää virtaa ja alhaisempia I2R-tehohäviöitä. Tämän ansiosta voidaan käyttää paljon ohuempaa ja kevyempää kaapelia, mikä on aina etu tällaisille ilmatilassa liikkuville sovelluksille.

Lisäksi FlyFocus-yhtiössä havaittiin, että DCM-yksiköiden tehotiheys ylittää kaikkien muiden toimittajien vastaavat lukemat. Yhdessä energiatehokkaan toiminnan kanssa tämä merkitsee sitä, että kahdeksan 600 W moduulia voidaan pakata kooltaan rajalliseen koteloon UAV:n alaosassa. Vain kahta jäähdytyslevyä/tuuletinta käyttäen lähes 5 kilowatin kokonaisteho voidaan syöttää dronen kahdeksalle moottorille ja lisäksi käyttöjännitteet kahdelle kameralle sekä tarvittavalle avioniikalle.

Kuva 2. CableGuardin tehonsyöttöverkko, joka sisältää kahdeksan Vicorin kehittämää DCM-moduulia eli eristettyä ja reguloitua DC-DC-muunninta.

FlyFocus voi mukauttaa tämän ’kompaktin käyttötehon’ vastaamaan kunkin asiakkaan prioriteetteja ja mieltymyksiä. Tehonsyöttö voidaan optimoida myös suuremmille hyötykuormille aiemmin kuvatulla tavalla. Vaihtoehtoisesti voidaan DCM-moduulien avulla ottaa käyttöön pidempiä lentoaikoja kilpailijoita vähäisemmän painon ja tilavuuden tuomien säästöjen ansiosta. Yhtiössä arvioidaan, että moduulien tuomat painosäästöt ovat noin 1,3 kg, mikä lentoajassa vastaa yhtä kolmasosaa tai jopa puolta nykyisestä vapaan tilan lentoajasta.

DCM-moduulit ovat osoittautuneet suorituskyvyltään ja teknisiltä ominaisuuksiltaan erittäin kestäviksi, sillä FlyFocus ei ole havainnut ainuttakaan moduulien toimintahäiriötä kolmen vuoden käytön aikana.

Näin DCM parantaa suorituskykyä

Vicorin DCM-moduulit voivat enimmillään toimia jatkuvalla 1300 watin teholla ja 46,43 A virralla tehotiheydellä 79,6 W/cm3 hyötysuhteen ollessa parhaimmillaan 96 prosenttia. Tämä erinomainen hyötysuhde on korkeataajuisen nollajännitekytkennän (ZVS) ansiota. Kytkentä hyödyntää reguloimatonta laaja-alaista tulojännitettä ja kykenee tuottamaan eristetyn lähdön täydellisesti toimivalla virranrajoituksella. Ratkaisu tarjoaa suojaukset ylijännitteelle (OV), ylivirralle (OC), alijännitteelle (UV), oikosululle ja ylilämmölle.

DCM-moduuleja on saatavissa sekä ChiP-kotelossa (Converter housed in Package) että VIA-kotelossa (Vicor Adaptor). ChiP-koteloidut moduulit hyödyntävät Vicor ChiP -kotelointitekniikan lämpö- ja tiheysetuja sekä tarjoavat vaihtoehtoja lämmönhallintaan erittäin alhaisilla ylä- ja alapuolen lämpövastusarvoilla. Myös VIA on termisesti laadukas kotelo, joka helpottaa lämmönhallintaa. Sitä ei välttämättä tarvitse asentaa piirilevylle, vaikka siinä onkin kytkentänastat myös tätä varten.

Lisäksi DCM VIA -moduulissa on mukana EMI-suodatus sekä tiukka lähtöjännitteen regulointi kaikissa linjasyötön ja kuormituksen olosuhteissa. Siinä on myös toisioreferenssiin perustuva ohjausliitäntä hienoviritystä, enable-toimintoa ja etätunnistusta varten. Samalla kuitenkin säilytetään perinteisen brick-moduuliarkkitehtuurin perushyödyt.

Muunnin tarjoaa suorituskyvyltään ja liitettävyydeltään erinomaisen tehonsyöttöjärjestelmän erilaisista reguloimattomista lähteistä sovelluksen kuormapisteisiin. Lisäksi jopa kahdeksan yksikköä voidaan kytkeä yhteen tehotasoa alentamatta.

Koska Vicorin tehonsyöttöjärjestelmät perustuvat moduuleihin, FlyFocus pystyy vastaamaan tällaisiin vaatimuksiin nopeammin ja helpommin verrattuna siihen, että ne pitäisi suunnitella komponenttitasolta lähtien aina jokaista uutta toteutusta varten – tai yrittää modifioida aiempia komponenttipohjaisia suunnitelmia.

DCM-moduulien tekniset spesifikaatiot eivät kuitenkaan ole ainoa syy, miksi FlyFocus on valinnut toimittajaksi Vicorin ja jatkaa yhteistyötä yhtiön kanssa. ”Tekninen tuki on meille erityisen tärkeä asia”, sanoo FlyFocuksen johtaja Julian Zyromski. ”Ostamme kaiken aikaa monenlaisia mekaanisia ja elektronisia komponentteja pitkälle kehitettyihin, räätälöityihin projekteihin, ja aina jossain vaiheessa tarvitsemme myös ulkopuolista apua”.

”Itse asiassa, vaikka olisimme löytäneet markkinoiden houkuttelevimman komponentin tiettyyn sovellukseen, emme ole valmiita ostamaan sitä, ellemme ole vakuuttuneita siitä, että myös tekninen tuki vastaa laadultaan sen spesifikaatioita”.

Vicorin tarjoama tuki ei ole rajoittunut pelkästään muuntimiin. FlyFocus joutui suunnittelemaan myös piiriratkaisun, joka lisää DCM-moduulien jännitevakautta. Se vähentää niiden herkkyyttä suurille ryntäysvirroille, joita syntyy, kun käyttäjä avaa kaasuhanan kokonaan tai laite reagoi äkillisiin tuulenpuuskiin. Vicorin tarjoamat dokumentit ja kehitysinsinöörien neuvot osoittautuivat hyvin hyödyllisiksi tämän piiriratkaisun kehittämisessä.

Epäsuorasti Vicorin moduulit auttavat myös FlyFocuksen tuotteiden myynnissä ja markkinoinnissa. FlyFocus onkin rakentanut pienen esittelydronen, jota voidaan käyttää turvallisesti näyttelyissä, myös sisätiloissa. Sen paino on vain 60 g ja mitat 10 x 10 cm.

Kuva 3. Demokäyttöön tarkoitettu pikkudrone käyttää Vicorin buck-muunninta, joka hyödyntää ZVS-tekniikkaa (Zero Voltage Switching).

FlyFocuksen taustan ymmärtäminen antaa hyvän käsityksen siitä, miksi yhtiössä ollaan niin sitoutuneita sekä räätälöityihin että vakiotuotteisiin. Yrityksen perusti alun perin ryhmä ilmailua rakastavia kaveruksia, jotka kokoontuivat yhteen osallistuessaan lennokkikisoihin. Vieläkin ydinhenkilöstöön kuuluu vain kahdeksan jäsentä, kun taas muut ihmiset ovat yhtiön palveluksessa ’aina tarvittaessa’.

Yhtiöllä on vahvat yhteydet lukuisiin lainvalvonnan viranomaisiin ja poliisin erikoisjoukkoihin Euroopassa. Erityishankkeita toteutetaan myös sotilaskäyttöön. Tyypillinen esimerkki on räätälöity kiinteäsiipinen lennokki, joka painaa 150 kg ja pystyy lentämään jopa 500 km päähän ja takaisin.

Erään investoijan toivomuksesta FlyFocus laajensi toimintaa moniroottoriseen drone-tekniikkaan, jota CableGuardissa hyödynnetään. Kyseessä on ensimmäinen siviilikäyttöön tarkoitettu liekakaapelista vapautettava drone. Yhtiössä kehitetään myös erikoisratkaisuja monenlaisiin sovelluskohteisiin. Yksi kehitettävä tuote on CableGuardin nelimoottorinen versio, joka kykenee ’erittäin hiljaiseen’ lentotoimintaan.

Moduuliratkaisu avainasemassa

Liekakaapelista vapautettavat dronet sopivat moniin huipputason kohteisiin sekä siviilipuolella että viranomaisten lainvalvonnassa, poliisioperaatioissa ja rajanvalvonnassa. Valmistajien on kyettävä tarjoamaan entistä pidempiä lentoaikoja ja tehokkaampia drone-malleja pysyäkseen kilpailukykyisinä. Niiden tehokkuutta voivat kuitenkin rajoittaa muunninelektroniikalle ja jäähdytykselle käytettävissä oleva tila sekä liekakaapelin paksuus ja paino.

Vicorin DCM-moduulit mahdollistavat FlyFocuksen menestymisen tiukasti kilpailluilla markkinoilla. Korkea DC-syöttöjännite antaa mahdollisuuden ohuiden ja keveiden liekakaapelien käyttämiseen. Korkea tehotiheys ja hyötysuhde taas mahdollistavat useiden moduulien pakkaamisen erittäin pieneen tilaan. Moduulien oma paino vähentää hyötykuormaa minimaalisen vähän. Tämä tarjoaa pidemmät lentoajat vapaassa tilassa ja lisäksi käytettävissä on enemmän tilaa ja suoritustehoa teknisten hyötykuormien nostamiseen ja siirtämiseen.

Viite

Imperial War Museum, ‘A brief history of drones´