Soluciones para evitar la colisión basadas en sensores para las flotas de drones

Los drones (conocidos oficialmente como "Sistemas de aeronaves no tripuladas") son una tecnología cada vez más común que las personas y empresas pueden comprar y operar con relativa libertad (eso no significa que pueda hacerlo volar donde quiera o con cualquier finalidad). Los sistemas más modernos cuentan con montajes de almohadilla por lo que permite operaciones con carga intercambiable. Además, pueden aceptar una amplia variedad de sensores, iluminadores y enlaces de video.

Si bien los drones piloteados individualmente tienen pocas posibilidades de colisionar en el medio del vuelo, existe mayor probabilidad de que esto suceda al aumentar el número de operaciones de flotas no sincronizadas y aleatorias. A través del uso de esquemas de control y programación inteligente, las múltiples unidades pueden trabajar juntas para mover cargas, esparcir sustancias ignífugas, ayudar a realizar tareas de rescate o realizar rescates. En estos casos, se deben haber implementado las tecnologías de control remoto preciso y anticoalisión autónoma y local.

Este artículo examina las soluciones para la detección localizada y la detección de objetos extraños en las proximidades de los drones. Estos sistemas de sensores pueden insertar una capa segura de prevención de colisión que se integra con los procesadores locales, por lo que permite que el drone ingrese a un modo autónomo cuando se caen las comunicaciones de la línea principal. Todas las piezas, las hojas de datos y los sistemas de desarrollo mencionadas aquí se pueden encontrar en el sitio web de DigiKey.

Tecnologías de proximidad

Hay varias técnicas que se pueden usar para detectar otros drones y objetos en la proximidad de los drones que no involucren comunicaciones al concentrador central o incluso a las comunicaciones entre los drones adyacentes. La detección óptica es una de estas técnicas.

Los emisores ópticos de IR pueden impulsar frecuencias únicas, ciclos de trabajo y patrones que los detectores ópticos (basado en fotodiodos o fototransistores) pueden usar para extraer las señales. Estas se suministran a un controlador integrado que puede buscar una señal reflejada (de su propia frecuencia) u otras señales de frecuencia). El patrón de señal chirp de frecuencia incluso puede codificar un número de ID para que los drones sepan quiénes están a su alrededor.

Los emisores y detectores son pequeños y ligeros por lo que vale la pena rodear el perímetro de un drone con ellos. Este enfoque es similar al que se utiliza con las cortinas de luces en elevadores para detectar cuando no se debe cerrar la puerta. No obstante, si bien las cortinas de luces detectan la intrusión en un plano bidimensional, en este caso se necesita información tridimensional. No es suficiente para saber que algo está cerca. También tenemos que saber a qué distancia está.

Si bien esta técnica de sensores es de bajo costo, bajo consumo (relativamente poca potencia, los emisores pueden consumir bastante más corriente) y de tamaño reducido, depende de la reflectividad de los propios drones. Si son planos de color negro y uniformes en diseño, es posible que esta técnica no se la adecuada. Los reflectores se pueden colocar alrededor del perímetro a intervalos espaciados de manera uniforme. También tenga en cuenta que se pueden necesitar reflectores de un patrón diferente en la parte superior e inferior.

Otro problema con esta técnica, especialmente si el drone se usa para aplicaciones militares en cubierto, es que los emisores pueden funcionar como faros buscadores para las armas antidrones. Esto permite que los enemigos creen proyectiles autoguiados para quitar los drones. Los reflectores también pueden permitir que los emisores que buscan hacia adelante pinten un objetivo con un patrón de reflexión bien definido.

No obstante, para la mayoría de las aplicaciones civiles, las buenas soluciones de reflector óptico como Silicon Labs SI1102-A-GMR de bajo costo y tamaño pequeño funcionan bastante bien. En este caso, el receptor y el transmisor óptico combinados, no metálicos y de montaje en superficie (Figura 1) pueden detectar señales reflejadas de 20 pulgadas de distancia, pero toman 400 mA a 2.2 a 5.25 voltios. La placa de evaluación SI1102EK se puede utilizar para aprender y probar este miembro de la familia Silicon Labs QuickSense y otros. Además un Módulo de capacitación sobre el producto está disponible en el sitio web de DigiKey.

Figura 1: Los receptores y transmisores ópticos, de montaje en superficie se integran perfectamente a los paquetes monolíticos que ofrecen soluciones de detección de proximidad.

Apagar el sonido

Las técnicas basadas en sonido, especialmente ultrasonido, se pueden usar para calibrar la proximidad y la distancia, y muchos transductores ultrasónicos ya están disponibles para cumplir con esta finalidad. La selección y el ajuste de frecuencias operacionales pueden permitir unidades adyacentes diferentes para que cada una opere con interferencia reducida si se utiliza la filtración ajustada. Al igual que las técnicas ópticas, si la modulación de ancho de pulso de un rango de frecuencia ágil está disponible, los ID se pueden codificar en el patrón chirp.

Las soluciones existen en forma de transductores discretos como Murata MA40S4R o como unidades de medición de distancia integrada como Honeywell SCN-1530SC. Las señales sónicas se esparcen de manera más rápida cuando aumenta la distancia por lo que esta técnica es mucho más localizada y puede ser más difícil de detectar en las distancias más largas y para fines militares al proteger los drones de ataques autoguiados. El ruido de fondo, que prevalece especialmente en batalla, puede interferir con la capacidad integrada del micro de extraer las señales confiables de manera constante. Además, el ruido del motor (acústico o eléctrico) puede afectar la capacidad de un procesador de extraer una señal constantemente confiable.

Al igual que las técnicas de proximidad óptica, otra posibilidad junto con la búsqueda de rango sónico es, por ejemplo, el sistema de desarrollo y las placas de evaluación están disponibles para poder probar esta tecnología. Por ejemplo, Analog Devices ofrece el kit de desarrollo de sensor EVAL-CN0343-EB1Z, especialmente la medición de distancia sónica. Maxim también ofrece el kit de evaluación de medición de distancia ultrasónica MAXQ7667EVKIT-1# basado en los procesadores integrados (Figura 2).

Figura 2: Los transductores ultrasónicos pueden ser grandes, pero generalmente son más livianos y se han utilizado de manera confiable para detectar la proximidad y la distancia. Los kits de evaluación le permiten probar y aprender a un bajo costo y riesgo antes de elegir una tecnología específica.

Soluciones de GPS

Para operaciones muy cercanas, se pueden usar dispositivos magnéticos y de efecto Hall, pero generalmente no son viables para la detección de distancia más larga. La necesidad de bobinas de cobre hace que esta solución sea grande y costosa. También consume mucha más energía para que las bobinas envíen señales a distancias más largas.

Si bien el video tiene una aplicación potencial aquí, el procesamiento requerido para extraer bordes y determinar los objetos localizados en tiempo real puede ser un impedimento. Además, si bien la información de mejora de bordes extraída puede ser útil para ver un bosquejo, es posible que no se pueda utilizar al tratar de calcular la distancia de manera precisa y segura. La misma imagen puede aparecer para un objeto pequeño que esté cerca o un objeto grande que esté lejos.

Una solución posible es usar los receptores GPS en cada drone y tener una red en malla auto organizada para que cada drone adyacente pueda mantener una distancia controlable de otros. Disponibles como chips y módulos, las unidades GPS pueden ser bastantes resueltos y varias soluciones internacionalmente compatibles son compatibles con estándares GPS, GLONASS y GNSS. Además, muchos fabricantes de calidad de antenas GPS permiten una ubicación óptima en y alrededor del drone para la adquisición de señales confiables. Desde que solo se reciben los sistemas de GPS, no hay transmisores informantes para guiar a la cacería de misiles y drones.

El acceso a datos y el control UART simple, SPI o IIC serial son una buena opción para la integración impecable con un microcontrolador integrado. A modo de ejemplo, tenga en cuenta los módulos generales SL869GNS115T001 de Telit Wireless Solutions para los estándares GPS, GLONASS y GNSS (Figura 3). Al ser una parte empaquetada LLC de montaje en superficie, de 1,8 gramos y de 24 pines, la unidad de 3 a 3.6 voltios pueden consumir hasta 67 mA durante la adquisición, pero solo 73 uA en modo de espera.

Figura 3: La implementación del GPS usando un protocolo serial a un módulo GPS dedicado ofrece una solución de bajo costo y de tamaño pequeño que no implicará mucho tiempo de diseño. Se le puede indicar simplemente a un drone que vaya a un lugar y lo hará de manera autónoma.

Radar

Una solución posible podría ser el uso del radar ultracompacto y reducido. Las técnicas RF pueden ser ideales para esta aplicación, especialmente a frecuencias muy altas donde las antenas y los componentes se contraen a una escala muy pequeña.

Otra ventaja es que la industria automotriz ha impulsado la mayoría de esta tecnología con características, como el radar para evitar colisiones y la detección de proximidad de compuerta elevadiza y como estos automóviles tienen más de un lado, las soluciones de radar de canales múltiples y los extremos frontales están disponibles.

De hecho, AFE5401TRGCTQ1 de Texas Instruments es un front end de radar analógico, monolítico y de 4 canales con un amplificador de ruido bajo integrado, un ecualizador, un amplificador de ganancia programable, sin solapamientos y A/D con resolución de 12 bits (Figura 4). Tenga en cuenta de qué manera esta pieza de 1.8 voltios permite realizar un muestreo simultáneo en todos los canales y un tasa 25 Msample/seg. con un bus paralelo compatible con CMOS de 12 bits para permitir una rápida transferencia de datos de los datos adquiridos en un controlador host local.

Figura 4: los dispositivos con radar monolítico de canales múltiples, como este receptor de 4 canales, se han desarrollado para la industria automotriz, pero son ideales para probar y desarrollar sistemas de proximidad y anticolisión para drones.

Debido a la mayor popularidad de radares pequeños y compactos para evitar colisiones y otras aplicaciones, algunos kits buenos de desarrollo de radares (como AD8285CP-EBZ de Analog Devices) están disponibles para evaluar y probar esta tecnología.

El radar es una tecnología para tener en cuenta ya que está en proceso de miniaturizarse para poder usarse como un dispositivo de interfaz de reconocimiento de gestos. La sociedad conjunta entre Google e Infineon, denominado Project Soli, está desarrollando este nuevo sensor de interacción usando la tecnología de radar. Al detectar la ubicación y el movimiento de los dedos en el espacio, justo hacia abajo para usar el efecto doppler para detectar la velocidad, permite una buena interacción de los dispositivos. El sensor Soli puede rastrear el movimiento submilimétrico de los dedos humanos a una alta velocidad y precisión. Se puede colocar en un chip, se puede producir a escala y se puede usar dentro de dispositivos para vestir incluso pequeños. El equipo del Project Soli está planeando lanzar un kit de desarrollo que le permitirá a los desarrolladores crear nuevas interacciones y aplicaciones.

Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder al sitio web de DigiKey.