Ett team från National University of Singapore (NUS) fakulteten för teknik har utvecklat Asiens första helt soldrivna quadcopter drönare. Flygplanet har flugit över 10 meter i testflygningar och uppnått kontrollerbar flygning utan användning av batterier.

Flygplan som kan lyfta och landa direkt utan behov av bana – som helikoptrar och quadcoptrar – är attraktiva för personliga, kommersiella och militära tillämpningar eftersom de kräver mindre fysiskt utrymme och infrastruktur jämfört med traditionella plan med fasta vingar. Ett team från National University of Singapore (NUS) har tagit ett stort steg framåt i att utöka kapaciteten hos quadcopter drönare genom att driva flygningen enbart med naturligt solljus.

En första i Asien, den nuvarande prototypen har flugit över 10 meter i testflygningar – högre än en typisk trevåningsbyggnad – med solenergi utan batteri eller annan energilagring ombord.

Denna soldrivna drönare, som utvecklades som ett studentprojekt under programmet Innovation &Design (iDP) vid NUS tekniska fakultet, kan starta och landa vertikalt utan landningsbana. Konstruerad med lättviktsmaterial av kolfiber, quadcopter drönaren väger bara 2,6 kg, och har en yta på ca 4 kvm. Den är utrustad med 148 individuellt karakteriserade kiselsolceller och stöds av en ram utrustad med fyra rotorer.

En stor flygbragd

Roterande vingade flygplan är betydligt mindre effektiva när det gäller att generera lyft jämfört med sina motsvarigheter med fasta vingar. Därav, medan det har funnits exempel på solflygplan de senaste åren, ett livskraftigt 100-procentigt solarroterande flygplan som kan starta och landa vertikalt är fortfarande en stor teknisk utmaning.

"Vårt flygplan är extremt lätt för sin storlek, och den kan flyga så länge det finns solljus, även i timmar. Till skillnad från konventionella quadcopter drönare, våra flygplan är inte beroende av batterier ombord och är därför inte begränsade av flygtiden. Dess förmåga att landa på vilken plan yta som helst och flyga ut ur marken på ett kontrollerat sätt gör den också lämplig för praktisk implementering, " sa docent Aaron Danner från institutionen för elektro- och datateknik vid NUS tekniska fakulteten, som ledde projektet.

Den soldrivna quadcopter-drönaren kan styras med fjärrkontroll eller programmeras att flyga autonomt med hjälp av ett GPS-system som är inbyggt i flygplanet. Flygplanet kan potentiellt användas som en "flygande solpanel" för att ge nödsolenergi till katastrofområden, såväl som för fotografering, leverans av små paket, övervakning och inspektion. Batterier kan inbyggas för att driva flygplanet när det inte finns solljus eller för att laddning ska ske under flygningen för att möjliggöra drift när det är molnigt eller mörkt. Annan hårdvara såsom kameror kan också inkluderas för specifika applikationer.

Sedan 2012, åtta NUS studentteam har gjort successiva designförbättringar och arbetat mot ett helt soldrivet flygplan under överinseende av Assoc Prof Danner, som också har en gemensam anställning vid Solar Energy Research Institute of Singapore vid NUS. Den första solarassisterade quadcopterdrönaren som utvecklades av studenter 2012 kunde bara uppnå 45 procent av flygkraften från solceller och resten från batterier ombord.

Det senaste laget, bestående av dåvarande sista året NUS ingenjörsstudenter Goh Chong Swee, Mr Kuan Jun Ren och Mr Yeo Jun Han, gjort ytterligare förbättringar av de tidigare prototyperna av quadcopter drönaren. De uppnådde så småningom en helt soldriven flygning med sin senaste prototyp. Teammedlemmarna, som just tog examen från NUS i juli 2018, leddes gemensamt av Brian Shohei Teo från iDP-programmet för detta projekt.

Mr Yeo sa, "Vi stötte på många tekniska utmaningar när vi byggde drönaren. Dessa inkluderade att hitta ett optimalt antal solceller som var effektiva och lätta nog att driva framdrivningssystemet, som i sin tur måste vara lätt och samtidigt kunna producera tillräcklig dragkraft för att lyfta flygplanet. Andra problem vi stötte på var inställning och kalibrering av flygkontroller för att förbättra flygstabiliteten, samt att designa en ram som är lätt men ändå tillräckligt styv. Det här har varit ett utmärkt lärotillfälle för oss."

"Att kunna få något att flyga under kontroll under lång tid är ett mycket komplext ingenjörsproblem. Våra studenter har uppnått flyg i sin renaste form, drivs av naturligt solljus. Detta är en fantastisk prestation, sa herr Teo.

Teamet kommer att fortsätta att finjustera flygplanet för att ytterligare förbättra dess effektivitet. Med dessa förbättringar, de hoppas kunna föra tekniken närmare kommersialisering.