Du måste förstå kompromisserna inom drönardesign innan du fyller på med sensorer

Drönare får allt fler användningsområden, inklusive som en del av räddningstjänstens verktyg när de anländer på en olycksplats eller till ett katastrofområde. Exempelvis användes vid branden i Notre-Dame i Paris drönare för att skaffa sig inledande bilder av storlek, hetta och omfattning på branden. De var även utrustade med värmekameror för att kunna söka efter personer som var kvar inomhus. Senare användes de för att bedöma skadorna. Den här typen av tillämpning medför utmaningar när det gäller att försöka se igenom komplexa förhållanden som rök och lågor med tillräcklig upplösning.

Hur lockande det än må vara att lägga till fler sensorer till en drönare för att åtgärda dessa utmaningar måste konstruktörer vara medvetna om att drönare är batteridrivna och i många fall kostnadskänsliga. Därför måste de sträva efter att hålla balansen mellan funktion, kostnad, storlek, vikt och effektförbrukning (SWaP). Att hitta den här balansen är det huvudsakliga målet när sensorer och bildutrustning läggs till i en drönardesign.

Den här artikeln går igenom de konstruktionsmässiga kompromisser som konstruktörer måste göra när de lägger till sensorer på en drönare. Här måste de fokusera extra mycket på strömförsörjningen, som troligen innehåller magneter som medför extra vikt och tar upp värdefullt utrymme. Dessutom introduceras lämpliga strömförsörjnings- och sensorlösningar från återförsäljare som Texas Instruments, Efficient Power Conversion, Analog Devices, Bosch Sensortec, STMicroelectronics och SparkFun Electronics.

Att tänka på vid design av drönare

Strömförsörjningen: När konstruktörerna vet vilka områden som ska prioriteras för optimal drönarprestanda kan de försöka hitta sätt att minimera den fysiska storleken och vikten med start i att utarbeta effektivast möjliga strömförsörjning. Detta leder till minimering av totalstorleken och vikten hos strömförsörjningen och därmed en mindre och lättare drönare.

En drönare med högre effektivitet hos strömförsörjningen kan drivas med ett mindre och lättare batteri. Ett typiskt val för ett drönarbatteri är ett uppladdningsbart litiumbatteri – av litiumjon- eller litiumpolymertyp – särskilt om konstruktören planerar att ladda batteriet genom att drönaren landar eller hovrar över en trådlös laddare eller genom laddning med en extern laddare vid landning. Konstruktörerna kan även använda ett icke laddningsbart standardbatteri som strömkälla och byta ut det när det har laddats ur.

Vid val av en DC/DC-omvandlare måste konstruktörerna använda en enhet med brett inspänningsintervall på grund av den höga spänningspulsen från den omvända elektromotoriska kraften (BEMF) från rotormotorerna. När motorn saktar in visar sig denna BEMF i DC/DC-omvandlarens ingång eftersom den kommer efter den separata DC/DC-omvandlaren som driver rotormotorerna.

Texas Instruments LM5161 DC/DC-strömomvandlarkrets är ett bra val för drönarens strömförsörjning. När den programmeras för drift i ej kontinuerligt ledande läge (DCM) ger den en noggrant reglerad buck-utmatning utan någon extra rippelinmatningskrets för extern feedback. Den har även integrerade MOSFET-enheter på högsidan och lågsidan som sparar kortutrymme. För ökad tillförlitlighet har LM5161 topp- och dal-strömbegränsningskretsar som skyddar mot överbelastningsförhållanden. Som en extra säkerhetsfunktion ger en underspänningsspärrkrets (UVLO) oberoende justerbara ingående underspänningströsklar och hysteres.

Med största sannolikhet finns det många sensorer på en drönare, tillsammans med en förknippad sensorfusionskrets, huvudprocessorn och propellermotorerna. De kräver ett bra batterikontrollsystem.

Konstruktörerna kan välja effekttransistorer med galliumnitrid (GaN) i sin föredragna strömförsörjningsarkitektur som normalt använder effekttransistorer. GaN hjälper till att säkerställa optimal prestanda med minimal storlek/minimalt avtryck.

Trådlös effekt – Omladdning under hovring [teoretisk diskussion]:^{1, 2, 3} Detta är önskvärt eftersom det kräver mycket effekt från batterierna när rotormotorerna ska stängas av och landa och sedan startas upp igen för att lyfta. Efficient Power Conversion är ett av många företag som utforskar trådlös laddning när drönaren hovrar. Ett alternativ för strömförsörjningen kan vara en trådlös laddningsarkitektur som baseras på en GaN FET som Efficient Power Conversions EPC2019.

GaN-baserade FET-enheter erbjuder switchning vid 13,56 MHz – en switchningsfrekvens som är svår att uppnå med vanliga kisel-fälteffekttransistorer. Denna höga switchningsfrekvens minimerar även storleken och vikten på strömförsörjningens magneter. Dessutom är GaN-transistorer fem till tio gånger mindre än silikonenheter, men kan ändå hantera samma effektnivåer. Med den här typen av strömförsörjning behöver drönarna inte landa. De kan istället hovra över en trådlös laddningsplatta.

Konstruktörerna kommer att upptäcka att det finns många utvärderings-/utvecklingskort som påskyndar tiden till marknaden med trådlös kraft. När det gäller EPC2019 GaN FET ger Efficient Power Conversion stöd med utvecklingskortet EPC9513 med trådlös effektmottagare som kan användas inuti drönaren. Det här utvecklingskortet är viktigt för konstruktörer eftersom det har grunden i AirFuel-standarden, som säkerställer en certifierad trådlös design som är kompatibel med andra trådlösa laddningsprodukter, globalt. Konstruktörer kan beställa Gerber-filer från leverantören för demonstrationskortet för att återskapa kortets optimerade layout.

Solenergi: Ett annat alternativ är att använda solenergi för att ladda drönarens batteri. För detta syfte är solcellen PT15-75 från PowerFilm Inc. ett bra val.

PT15-75 kan beställas tillsammans med en Analog Devices LT3652-batteriladdarkrets för att implementera en smart, kompakt batteriladdarkonstruktion (figur 1). Kom ihåg att det inte finns några situationer där öppen kretsspänning (Voc) matas ut när panelen ansluts till last och ger ström.

Figur 1: Konstruktörerna kan skapa tillförlitlig, effektiv drönarkraft genom att lägga till den här soldrivna 2 A-batteriladdaren där termistorn R_NTC har lagts till för att kompensera för en solcells (som PT15-75) temperaturkoefficient vid maximala effektnivåer. (Bildkälla: Analog Devices)

LT3652:s ingångsregleringsslinga har även kapacitet att hitta solpanelens maximala verkningsgrad, vilket optimerar effektiviteten i omvandlingen från solenergi till maximal utmatad effekt till batteriet.

Sensorer: Sensorer ökar förmågan att styra drönarna och gör dem mer användbara. När det gäller att styra drönare kan en sensor aktivera ett läge för automatisk nivå, ett läge för konstant höjd eller ett omloppsläge för att cirkulera runt ett föremål eller en intressant plats. Alla dessa tillagda funktioner förlitar sig på tröghetsmätningsenheter (IMU:er) och barometertrycksensorer med högre prestanda för att ge optimal användarupplevelse samt ökad tillförlitlighet för specialanpassade eller kommersiella drönare.

Konstruktörerna kan behöva öka drönarnas prestanda, vilket kan kräva ett gyroskop med extremt låg utgående signalförskjutning för att säkerställa drönarens orientering, position och balans, särskilt vid föränderliga temperaturförhållanden. Detta kan uppnås med en Bosch Sensortec BMI160 accelerometer- och gyroskopkombination som levereras som en liten, lågeffekt-IMU med sensordatafusion med nio axlar. Den mäter 2,5 x 3,0 millimeter (mm) med en höjd på 0,83 mm och förbrukar endast 925 mikroampere (µA), även när gyroskopet och accelerometern är i fullt driftläge. Den drivs med en spänningskälla på 1,71 till 3,6 volt.

För att komplettera BMI160 kan du använda en digital barometertrycksensor med temperatursensor för att kunna mäta vertikal hastighet, förbättra GPS-navigationen och bestämma en drönares höjd. Det rekommenderas att kalibrera barometrarna vid havsnivå då och då för att tryckvärdena ska vara korrekta. Bosch Sensortecs BMP388 barometertryck- och temperatursensor är ett bra exempel på en krets som konstruktörerna kan integrera i sin arkitektur. Med ett litet avtryck på 2 x 2 mm², höjd på 0,88 mm och låg effektförbrukning på endast 3,4 µA vid 1 hertz (Hz) är den här sensormodulen väl anpassad för batteridrift. Enheten har en typisk relativ precision på +/-8 Pa med en typisk absolut precision på +/-50 Pa som förbättrar drönarens förmågor att hovra och undvika hinder.

För att kunna upptäcka rörelser längs flera axlar har STMicroelectronics ISM330DLCTR iNEMO IMU SiP-modul (system-in-package) en accelerometer, ett gyroskop och en magnetometer i en monolitisk sexaxlad IC. Den här typen av konfiguration gör det möjligt för en drönare att bibehålla horisontell och vertikal stabilitet samt rotationsstabilitet under hovring. I tillämpningar som professionell drönarfotografering och 3D-bildhantering är sexaxlad gyrostabilisering nödvändigt och tillhandahålls av ISM330DLCTR.

Gyroskopet mäter och bibehåller drönarens orientering. Genom att lägga till tre accelerometrar, alla orienterade längs olika axlar, kan drönarens rörelseutslag längs alla axlar fastställas. Detta gör det enklare att samla in information om drönarens roll-, stignings- och girvinkel och därefter att mata informationen tillbaka till drönarens PID-styrenhet (proportional-integral-derivative).

Magnetometern mäter styrkan och riktningen hos fältet från jordens magnetiska nordpol för att korrigera sin bana. Se till att magnetometern kalibreras ofta eftersom kraftledningar, motorer och andra starka magnetfält från elektrisk utrustning kan påverka den.

Drönarrörelser som orsakas av externa krafter som kraftig vind känns av med accelerometern och förmedlas till PID-regulatorn som in sin tur justerar motorerna för att kompensera.

Avståndsmätare: landning, hovring och avstånd från ett föremål

Drönarna måste ha bra sensorer för att kunna landa säkert, hovra vid trådlös laddning och känna av föremål för att undvika kollisioner i rörelse. Avståndsmätningen kan utföras med ljud eller ljus.

Avståndsmätning med ultraljud: landning, hovring och spårning på mark kan åstadkommas med ultraljudssensorer. När en drönare håller på att landa måste den kunna känna av avståndet från drönarens undersida till området där den ska landa. Även om den här styrfunktionen tar hjälp av GPS- och barometerfunktioner är avståndsmätning med hög precision nyckeln till säker landning.

Ultraljudssensorer kan även hjälpa till med säker hovring och markavsökning, vilket kan kräva att drönaren flyger på fast höjd. En sådan avståndsmätningssensor för landningshjälp, hovring och takavkänning är MaxBotix MB1010-000 ultraljudssensorkort för avståndsmätning som baseras på ToF (time-of flight).

Förstå ToF

Alla dessa fall kräver att användning av ToF-metoden, som är den tid det tar för en ultraljudsvåg att nå ett mål, plus tiden för den reflekterade signalen att komma tillbaka till drönarens sensor (figur 2 och 3).

Figur 2: Konstruktörerna måste förstå ToF-begreppet när en drönare landar, hovrar eller laddas trådlöst. (Bildkälla: Texas Instruments)

Figur 3: De tre faserna för ultraljuds-ToF. Inledande utsänt ljud (1), tystnad (2) och mottaget eko (3) för precisionsmätning av avstånd i drönarkonstruktioner. Att förstå det här diagrammet, tillsammans med utvärderingskortet och sensorerna som diskuteras i den här artikeln, kan hjälpa konstruktörerna att uppfylla kraven på stabil flygning, undvika hinder och optimal trådlös laddning vid implementering av maskinvaruförslagen i det här avsnittet. (Bildkälla: Texas Instruments)

Använd följande ekvation för att beräkna avståndet från drönaren till ett föremål:

Texas Instruments erbjuder ultraljudsmodulen PGA460PSM-EVM för närhetsavkänning, vilket förkortar konstruktionstiden.

LiDAR-avståndsavkänning: En annan metod för avståndsavkänning är att använda LiDAR (light detection and ranging) med pulslaser. Informationen från ToF LiDAR-system kan användas för att skapa en tredimensionell bild. LiDAR-tekniken möjliggör hög precision och upplösning samt ett stort täckningsområde.

Konstruktörerna kan välja en optisk lasersensor för avståndsmätning som SparkFun Electronics SEN-14032, en laserbaserad optisk avståndsmätningssensor med räckvidd på 40 m. En extern microcontroller krävs för att samverka med sensorn via I²C.

Det finns två primära typer av arkitekturer för den här typen av LiDAR: en solid-state-LiDAR och en motoriserad roterande LiDAR med 360˚ synfält. De använder båda samma princip, med en laser som sänder ut en ljusstråle. I solid-state-fallet används en spegel för att avsöka, medan arkitekturen med avsökande roterskiva använder en motordriven roterande skiva.

En tredje typ av LiDAR som kallas flash-LiDAR skickar många korta pulser samtidigt och använder ett kamerachip för att ta emot pulsreflektionerna och samtidigt mäta ToF. Flash LiDAR har mycket hög upplösning, men är begränsad till cirka 30 meter (m).

Känna av omgivningen

Värmekameror: En värmekamera på en drönare känner av värmesignaturer/temperatur från föremål och material och visar dem som stillbilder eller videor. Branden i Notre-Dame i Paris observerades och följdes med värmekameror. Dessa kameror kan känna av små temperaturskillnader, ibland så låga som 0,01 ˚C.

Ett annat viktigt användningsområde för värmekameror på drönare är vid räddningsinsatser vid katastrofer som jordbävningar eller orkaner som kan lämna efter sig skadade eller nedfallna strukturer som människor har fastnat under (figur 4 och 5).

Figur 4: En drönarbild på en kollapsad byggnad är ett viktigt första steg och kan tas med en vanlig kamera. Därefter kan en värmekamera användas för att känna av kroppsvärmen från personer som fastnat i rasmassorna. (Bildkälla: IEEE⁴)

Figur 5: Konstruktörerna har nu tillgång till verktyg för att lokalisera och rädda liv i katastrofsituationer. Den här bilden på en person som fastnat togs med en DJI-drönare under en brandövning (Bildkälla: Industrial Equipment News/Menlo Fire UAS/Drone program, via AP)

Ett bra sätt för konstruktörerna att börja med värmekameror i drönare är att använda något i stil med 500-0771-01, en mikrovärmekamera från FLIR Lepton. Kameran har ett spektralintervall på 800 till 1400 nm, ett dynamiskt område på 0 till 120 ˚C och nominell strömförbrukning på 150 milliwatt (mW) (drift), 650 mW (vid slutaraktivering) och 5 mW (standby).

Fukt-, tryck- och temperaturavkänning: För att hjälpa till att avgöra atmosfärsförhållanden kan konstruktörerna använda Bosch Sensortecs BME280, en digital fukt-, tryck- och temperatursensor med SPI-gränssnitt. Den är mycket integrerad, mäter 2,5 x 2,5 x 0,93 mm och förbrukar endast 0,1 µA i viloläge eller upp till 3,6 µA vid avkänning av alla tre parametrarna.

Förkorta tid till marknad med utvecklingssatser med flera sensorer

DA14585IOTMSENSOR är en utvecklingssats med flera sensorer från Dialog Semiconductor som använder omgivningssensorer från Bosch Sensortec och rörelsesensorer från TDK Invensense. Den här satsen är viktig för konstruktörer eftersom den är en bra utgångsplattform för att experimentera med och utveckla drönarsensortillämpningar med samverkansfunktioner och förkorta tiden till marknaden.

Den har en BME680 gas-, fukt-, tryck- och temperatursensor med låg effekt, samt accelerometer, gyroskop och magnetometer. Med DA14585IOTMSENSORs funktioner för sensorsamverkan kan konstruktörerna se hur funktioner kan användas för att både få bättre övergripande avkänningsprestanda och förlänga befintlig drönarbatterilivslängd.

Slutsats

Drönare är en ovanligt svår designutmaning som kräver hög funktionalitet och långa flygtider. Som för alla konstruktioner måste de huvuduppgifter som ska utföras vara kända för att kunna utveckla en plan för att säkerställa en optimal arkitektur som uppfyller projektkraven.

Referenser:

1. Drones…Up, Up, and Away
2. Light-Weight Wireless Power Transfer for Mid-Air Charging of Drones Samer Aldhaher, Paul D. Mitcheson, Juan M. Arteaga, George Kkelis, David C. Yates, IEEE 2017
3. Nonlinear Parity-Time-Symmetric Model for Constant Efficiency Wireless Power Transfer: Application to a Drone-in-Flight Wireless Charging Platform Jiali Zhou, Bo Zhang, Wenxun Xiao, Dongyuan Qiu, Yanfeng Chen, IEEE 2018
4. DronAID: A Smart Human Detection Drone for Rescue Rameesha Tariq, Maham Rahim, Nimra Aslam, Narmeen Bawany, Ummay Faseeha, IEEE 2018