Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy

Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Petr Jan Juračka a kolektiv

Tomáš Báča, Martin Hrazdíra, Petr Lněnička, Tomáš Lněnička, Vojtěch Duchoslav, Marie Bulínová, Jindřich Plzák

Drony – fotografování z ptačí perspektivy

Co všechno potřebujete vědět o dronech a jejich využití pro leteckou fotografii a video

Vydala Grada Publishing, a.s.

U Průhonu 22, Praha 7

obchod@grada.cz, www.grada.cz

tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400

jako svou 6580. publikaci

Odpovědná redaktorka Věra Slavíková

Grafická úprava a sazba Ondřej Huleš

Formát ePub Marek Skružný

Fotografie na obálce: Petr Jan Juračka

Fotografie v textu: Petr Jan Juračka [PJJ], Tomáš Báča [TB], Martin Hrazdíra – Aircap [AC],

Petr a Tomáš Lněničkovi – Vertical Images [VI], Ilja Mašík [IM], Vojtěch Duchoslav [VD],

Jindřich Plzák [VI] a hosté uvedeni u konkrétních snímků

Počet stran 108

První vydání, Praha 2017

Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a. s.

© Grada Publishing, a.s., 2017

Cover Design © Ondřej Huleš, 2017

Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.

ISBN 978-80-271-9767-5 (ePub)

ISBN 978-80-271-9766-8 (pdf)

ISBN 978-80-247-5787-2 (print)

Předmluva

Když jsem v roce 2013 začínal psát o dronech do časopisu FotoVideo, naprosto jsem netušil, na jak dlouhou cestu jsem se vydal. Jedna z prvních poznámek byla o tom, že je v tomto oboru nutné neustále číst. Nikoliv knihy ani časopisy, ale zahraniční internetová fóra, kde se člověk dočte takřka vše, co potřebuje. Tehdy to byla ještě pravda, neboť žádná kniha o dronech na trhu nebyla. Nyní jsme se to rozhodli změnit. Je jasné, že vývoj technologií jde dopředu každým dnem, a že tato kniha bude zastaralá už v den, kdy vyjde. Ale základní poznatky, které vás navedou k bezpečnému létání, zůstávají již několik let stejné.

Ať už jste ryzí začátečníci, kteří teprve zvažují nákup prvního dronu (anebo jej právě vybalujete z krabice), či jste modeláři stavějící svůj vlastní létající stroj, v této knize naleznete shrnutí současných hlavních poznatků o tom, co drony jsou, jak létají, jak se ovládají a hlavně – jak se s nimi fotografuje a natáčí videa. Dozvíte se také, jaká jsou základní pravidla platná v České republice a Evropě, kdy potřebujete licenci Úřadu civilního letectví a kdy nikoliv. V neposlední řadě jsme se rozhodli nastínit i budoucnost dronů ve výzkumu a průmyslu.

Abychom alespoň částečně čelili zubu času, rozhodli jsme se této knize udělat webovou stránku. Budeme zde publikovat novinky a aktualizovat odkazy na současné online zdroje v češtině i angličtině, včetně sociálních sítí. Naleznete ji na adrese http://petr.juracka.eu/drony.

Přeji vám mnoho podařených záběrů z ptačí perspektivy a hlavně žádné, a pokud nějaké, tak ne devastující, pády.

Mgr. Petr Jan Juračka, Ph.D.

editor knihy

Když se řekne dron...

Slovo dron je včeštině poměrně novým fenoménem. Do nedávna označovalo zpravidla velká vojenská letadla bez pilota na palubě, jejichž účelem byla převážně špionáž území či útok na nepřítele. Svým způsobem by tomu tak mělo být dodnes, ale protože slovo dron je natolik krátké adobře zapamatovatelné, vžilo se dnes již ijako označení malých bezpilotních letadel, která jsou zpravidla mnohem menší než ta vojenská, anamísto zbraní či speciálních čidel vozí na palubě nejčastěji fotoaparát. Drony již také nejsou výsadou několika zasvěcených odborníků či nadšených amatérů, ale dostanou se do rukou ilidem, kteří snimi doposud neměli žádnou zkušenost. Mnoho jich tak končí vlepším případě na stromech, vhorším na střechách budov či drátech elektrického vedení. Čas od času tak špatně pilotované drony mohou způsobovat zranění kolemjdoucích osob či dokonce jejich pilotů. Tato kniha si klade za cíl toto skóre vylepšit

Ještě než poprvé vzlétnete…

Ať jste si svůj první dron koupili sami, anebo jej našli třeba pod stromečkem, sprvním startem chvíli počkejte. Svrbění prstů atěšení se na první vzlet končí totiž obvykle nějakým nezdarem, nezřídka zraněním. Jakkoliv jsou moderní drony autonomní achytré, stále je to člověk, kdo stroj ovládá. Apokud ten člověk neví odronech dostatečně mnoho, na průšvih je zaděláno. Možná to bude znít jako klišé, ale pokud nemáte zatím žádnou zkušenost sdrony, před prvním vzlétnutím se zakoupeným dronem nezapomeňte:

•Přečíst manuál. Opravdu. Manuály nebývají dlouhé adočtete se vnich, jak správně nastavit pilotážní režim, že byste měli před prvním použitím dobít baterii nebo nakalibrovat kompas.

•Přečíst kapitolku „Bezpečnost především“ této knihy.

•Najděte si otevřený, dostatečně volný prostor. Nejlepší bude velká louka za městem, bez drátů vysokého napětí.

Jako ideální stav se jeví mít kamaráda, který sdaným typem dronu létá pravidelně, amůže vás tak na různé neduhy připravit. Pokud takového nemáte, nebo preferujete start vsoukromí, čtěte. Vyzkoušejte si také funkce kniplů apřepínačů ještě na zemi, bez nasazených vrtulí, které na dron nasaďte až vokamžiku, kdy si myslíte, že už všemu dostatečně rozumíte. Pamatujte, že dokud jsou vrtule vbatohu, nemá se příliš co stát amůžete vším hýbat, jak se vám zlíbí.

Pozor, některé drony mohou mít na sobě připevněné součástky, které je nutné před startem odstranit, jinak hrozí nenávratné poškození stroje (tzv. Remove Before Flight). Může se jednat oaretační zařízení závěsového systému (tzv. gimbalu) nebo např. motorů. Pro trénink může být výhodné létat vuzavřené tělocvičně, kde nemusíte řešit počasí či větrné poryvy. Je nutné si ale uvědomit, že zde patrně nebude fungovat držení polohy pomocí GPS, která nebude mít uvnitř dostatečně silný signál.

Jako velmi vhodné se doporučuje před prvním startem trochu trénovat na leteckém simulátoru. Na trhu jich je celá řada, obvykle se dají nainstalovat na stolní počítač aovládat přímo vaším ovladačem připojeným přes USB kabel. Pokud jste ale zakoupili dron od společnosti DJI, měli byste mít tento simulátor zabudovaný přímo vaplikaci DJI GO, takže můžete let simulovat na vašem telefonu či tabletu bez nutnosti instalace dalších softwarů třetích stran.

Pokud se jedná ováš první let, velmi doporučujeme sledovat pozorně pouze dron, nikoliv obraz přenášený na zem. Nenastavujte kameru anepouštějte záznam, první let si užijte jen jako samotnou pilotáž. Pohyb v3D prostoru totiž vyžaduje plné soustředění ataké čas, než si na něj zvyknete.

Pro první vzlety si zvolte dostatečně velké apřehledné místo. Zde na snímku profesionální tým se špičkově vyladěným dronem DJI S800, záznamovým zařízením Panasonic GH4 agimbalem DJI Z15. [AC]

Zkušebna dronů vnejvětším světovém obchodě sfototechnikou aelektronikou, B&H vNew Yorku. [PJJ]

Trocha techniky aneb Proč to létá?

Pojďme si shrnout, jakou cestou šly věda atechnika při vývoji kvadrokoptéry (tedy dronu se čtyřmi rotory). Na první pohled se může zdát, že není očem psát. Možná si řeknete: „Přece stačí vzít vrtulník audělat ho malý. Dát mu více vrtulí apřidat dálkové ovládání”. Vpraxi tomu tak skutečně je, nicméně je potřeba zmínit několik milníků, které takovou miniaturizaci umožnily. Skutečnost, že až vposledních několika letech zaznamenaly malé, dálkově řízené bezpilotní drony veliký rozmach, má za společného jmenovatele hned několik důležitých vědecko-technických pokroků.

Od helikoptéry ke kvadrokoptéře

Vývoj letadlové techniky započali bratři Orville Wright aWilbur Wright na počátku dvacátého století. Letadla se velmi rychle dostala od prvních pokusů do armády apoté kcivilní dopravě. Brzy se objevily první Helikoptéry (Igor Sikorsky, 1939), letouny těžší než vzduch, schopné kolmého startu apřistání. Klasická helikoptéra je po technické stránce velmi důmyslný stroj, který pro své řízení vyžaduje zkušeného pilota. Ten ovládá letoun naklápěním listů hlavní aocasní vrtule, čímž může vrtulník naklopit libovolným směrem (tím směruje tah hlavního rotoru), stoupat, klesat ataké otáčet kolem svislé osy. Nevýhoda klasické helikoptéry je ve složitosti mechaniky náklonu listů. Ta vyžaduje přesné seřízení, je náchylná na poškození aprodukuje velké množství vibrací. Pokud zmenšíme helikoptéru do rozměrů dnešních dronů, na její konstrukci se prakticky nic nemění. Malé klasické helikoptéry na dálkové ovládání nejsou nic nového, ale kjejich masovému rozšíření nedošlo. Může za to již zmíněná složitost řešení, náchylnost kpoškození, produkce vibrací av poslední řadě bezpečnost (jeden velký rotor oprůměru 0,5 metru může způsobit nemalá zranění).

Atak můžeme namísto jednoho velkého rotoru, se složitým mechanizmem proměnlivého náklonu listů, použít několik menších rotorů (třeba čtyř), ukterých bude náklon pevný. Takové řešení vyžaduje hned několik zásadních změn vpojetí řízení helikoptéry. Vpřípadě vrtulí spevným náklonem listů musíme změnu jejich tahu (atím ovládání letounu) řešit změnou rychlosti jejich otáčení. Toho docílíme upevněním každé vrtule na její vlastní motor. Následně řízením otáček každého motoru atím řízením tahů vrtulí můžeme docílit stejných nebo podobných manévrů jako sklasickou helikoptérou. Naklápění letounu je dosaženo změnou poměru otáček protilehlých vrtulí, ke stoupání aklesání přispívají všechny stejnou měrou ao otáčení kolem svislé osy se dělí vrtule srotací po směru hodinových ručiček stěmi sopačnou rotací. Ano, aby tento koncept mohl fungovat ahelikoptéra nemusela mít ocasní rotor (nebo jiné speciální řešení), je potřeba zajistit, aby se polovina vrtulí točila opačným směrem než ta druhá. Tento fakt vede kdůsledku, že většina běžných dronů má sudý počet vrtulí.

Onestabilitě aneb Za vším je fyzika

Dobře, máme tedy „helikoptéru“ např. se čtyřmi rotory ačtyřmi motory. Co bránilo jejich rozšíření aproč se snimi až nyní masově setkáváme vmnoha oborech, kde bychom to před nedávnem nečekali? Sodpovědí na tuto otázku nám pomůže fyzika amatematika. Již dlouhou dobu (je starší než létání samo) existuje vědní obor Teorie dynamických systémů, který jde ruku vruce sTeorií řídicích systémů. Oba obory spojují fyziku amatematiku azabývají se analýzou toho, jak se dá nějaký systém (stroj) matematicky popsat ajak se dá automaticky (jiným strojem, tzv. regulátorem) řídit. Jejich počátky sahají až do doby parních strojů. Když se pokusíme popsat systém např. známého dronu DJI Phantom, teorie dynamických systémů nám řekne, že pokud bychom ho chtěli (my lidé) řídit pouhou změnou otáček rotorů, potřebovali bychom daleko rychlejší reakce, než jaké nám příroda dala.

Průměrný člověk má reakční dobu na vnější podnět kolem 0,2 sekundy (neboli zvládá vědomě ovlivňovat děje skmitočtem až 5 Hz). Kvadrokoptéra tak malá, jako je DJI Phantom, ale ke svému řízení potřebuje zpětnou vazbu až 100× rychlejší, než kolik je člověk schopen zajistit. Stím souvisí druhý problém – kvadrokoptéra je tzv. nestabilní systém – pokud ji přestaneme aktivně řídit, její let obvykle rychle končí nehodou. Opakem je stabilní systém, tedy takový, který se po chvíli neřízeného chování vrátí do své stabilní polohy azastaví se (třeba pramice na klidné hladině, kyvadlo na tyči atp). Nestabilní systémy vyžadují řízení stzv. zápornou zpětnou vazbou, aby se chovaly dle našich představ. Není to nic jiného, než že aktivně ovládáme „ovladač“ vopačném směru, než kterým se náš systém vydává od požadovaného stavu. Vpřípadě Phantoma ajiž zmíněného řízení motorů, je potřeba jejich otáčky opravovat nejméně 100× za sekundu, aby Phantom mohl létat dle našich představ. Tohoto není člověk, jak již bylo zmíněno, schopen. Aproto se dlouhou dobu čekalo na malé, integrované adostatečně rychlé mikropočítače asenzory, bez kterých by dnešní drony nemohly létat.

Pěkná analogie pro nestabilní systém ajeho zpětnovazební řízení je balancování tužky na špičce prstu. Tato úloha je vlecčems podobná řízení malé kvadrokoptéry. Dá se spočítat, že čím kratší je tužka, tím rychlejší reakce musíme mít, abychom ji na prstě bezpečně udrželi. Proto člověk poměrně snadno udrží násadu od koštěte, ale stužkou se bude potýkat jen těžko. Stejný příměr platí ipro kvadrokoptéru. Čím menší letoun je, tím rychlejší apřesnější musí automatické řízení být.

Pro zajištění dostatečně rychlé apřesné zpětné vazby je každý dron vybaven malým mikropočítačem arychlými senzory náklonu aotáčení. Senzory jsou klíčové pro řídicí systém, bez nich by nevěděl, jaké otáčky má motorům nastavit. Pokud má pilotovi počítač pomoci např. sudržováním vodorovného náklonu letounu, je potřeba připojit senzor náklonu. Často se ve spojení sdrony setkáme stermínem gyroskop. Tím se obvykle myslí inteligentní senzor, který kombinuje mikro-elektro-mechanické gyroskopy (senzory rychlosti otáčení) aakcelerometry (senzory zrychlení). Senzory musí být velmi rychlé, aby stíhaly dávat podněty ke zpětné vazbě. Obvykle provádějí měření řádově 100× během jedné sekundy. Tato technologie se začala rozmáhat kolem roku 2005 spříchodem chytrých telefonů, díky kterým se dosáhlo rychlého vývoje atím imasového rozšíření anízkých nákladů na výrobu. Mikropočítače vdronech jsou také často stavěny na příbuzných architekturách jako ty vmobilních telefonech (ARM) ajejich vývoj jde velmi rychle kupředu.

Co dalšího je potřeba?

Zčeho se skládá multikoptéra?

Rám, tělo letounu

Vrtule

K2, Pákistán, 3. července 2016

Motory

Řídicí jednotky motorů

Autopilot

Akumulátor

Dálkový ovladač

Kamera akamerový závěs

Dron není jen letadlo

Systém pro dálkový přenos obrazu

Nabíječ akumulátorů

Náhradní akumulátory

GPS tracker

Bezpečnost až na prvním místě

Kdy létat akdy raději ne?

Jak se starat oakumulátory?

Komerční využití dronů

Pojištění dronů

Letecké práce

Drony ve vědě avýzkumu

Využití dálkově řízených systémů varcheologii

Výzkum automatického řízení

Co nás teprve čeká? Pojďme si zavěštit

Table of Contents

Předmluva

Když se řekne dron...

Ještě než poprvé vzlétnete…

Trocha techniky aneb Proč to létá?

Od helikoptéry ke kvadrokoptéře

O nestabilitě aneb Za vším je fyzika

Co dalšího je potřeba?

Z čeho se skládá multikoptéra?

Rám, tělo letounu

Vrtule

Motory

Řídicí jednotky motorů

Autopilot

Akumulátor

Dálkový ovladač

Kamera a kamerový závěs

Dron není jen letadlo

Systém pro dálkový přenos obrazu

Nabíječ akumulátorů

Náhradní akumulátory

GPS tracker

Bezpečnost až na prvním místě

Kdy létat a kdy raději ne?

Jak se starat o akumulátory?

Komerční využití dronů

Pojištění dronů

Letecké práce

Drony ve vědě a výzkumu

Využití dálkově řízených systémů v archeologii

Výzkum automatického řízení

Co nás teprve čeká? Pojďme si zavěštit