Begrijp de voor- en nadelen voor droneontwerp voordat je sensoren toevoegt

Drones worden steeds vaker in tal van toepassingen gebruikt, waaronder als onderdeel van een toolkit voor eerste hulpverleners bij een ongeluk, noodgeval of ramp. Zo waren het bijvoorbeeld drones die als eerste de scope, hitte en ernst van de brand in de Notre-Dame in Parijs rapporteerden. Uitgerust met warmtebeeldcamera's zochten ze naar mensen die mogelijk nog binnen waren. Later werden ze gebruikt om de schade te beoordelen. Uiteraard brengen dit soort toepassingen uitdagingen met zich mee, zoals een adequate resolutie om door rook en vlammen te kunnen kijken.

Het is verleidelijk om dergelijke problemen op te lossen door simpelweg meer sensoren toe te voegen, maar ontwerpers moeten zich ervan bewust blijven dat drones op batterijen werken en in veel gevallen kostengevoelig zijn. Daarom moeten ontwerpers een delicate afweging maken tussen functionaliteit, kosten, grootte, gewicht en stroomverbruik (SWaP). Het vinden van de juiste balans is het primaire doel bij de overweging of men al dan niet sensoren en beeldvormingsapparatuur aan een droneontwerp toevoegt.

Dit artikel bespreekt de architecturale afwegingen die ontwerpers moeten maken voordat ze sensoren aan een drone toevoegen. Hierbij wordt speciaal aandacht besteed aan de stroomvoorziening, omdat voedingen magneten kunnen bevatten die aanzienlijk gewicht toevoegen en kostbare ruimte innemen. Vervolgens worden geschikte voedingen en sensoroplossingen geïntroduceerd van leveranciers zoals Texas Instruments, Efficient Power Conversion, Analog Devices, Bosch Sensortec, STMicroelectronics en SparkFun Electronics.

Overwegingen met betrekking tot het architecturale ontwerp van drones

Stroomvoorziening: Als een ontwerper eenmaal weet wat de belangrijkste factoren zijn voor optimale droneprestaties, kan hij of zij vervolgens bepalen hoe de fysieke grootte en het gewicht kan worden geminimaliseerd, te beginnen met het creëren van de meest efficiënte stroomvoorziening. Dit leidt tot het minimaliseren van de grootte en het gewicht van de voeding en dus tot een kleinere, lichtere drone.

Een drone met een efficiëntere stroomvoorziening kan voldoen met een kleinere en dus lichtere accu. Meestal worden drones uitgerust met een oplaadbare lithium-accu (li-ion of lipo), vooral als de ontwerper van plan is de accu op te laden door de drone boven een draadloze oplader te laten landen of zweven, of gewoon tijdens het landen met een externe oplader. Ontwerpers kunnen ook een standaard niet-oplaadbare batterij als stroombron gebruiken en die vervangen als hij leeg is.

Bij het kiezen van een DC/DC-omvormer moeten ontwerpers een component gebruiken met een brede input vanwege de hoge spanningspuls door de tegen-EMK van de rotormotoren. Wanneer de snelheid van de motor afneemt, is deze tegen-EMK merkbaar bij de input van de DC/DC-omvormer omdat deze na de afzonderlijke DC/DC-conversie komt die de rotormotoren aandrijft.

De LM5161 DC/DC-omvormer-IC van Texas Instruments is een goede keuze voor een dronevoeding omdat deze, wanneer geprogrammeerd voor discontinue geleidingsmodus (DCM) een streng gereguleerde buck-output zonder een aanvullende externe feedback ripple injection schakeling. Ook heeft deze voeding geïntegreerde high-side en low-side MOSFET's wat ruimte bespaart op de printplaat. Voor extra betrouwbaarheid beschikt de LM5161 over piek- en dalstroombegrensschakelingen die bescherming bieden tegen overbelasting. Ook is er als extra voorzorg een schakeling voor undervoltage lockout (UVLO) die een onafhankelijk instelbare drempel vormt voor onderspanning en hysterese aan de ingang.

Drones hebben hoogstwaarschijnlijk meerdere sensoren aan boord, samen met een bijbehorende sensorfusie-IC, de hoofdprocessor en propellermotoren. Hiervoor is een goed accuregelsysteem nodig.

Ontwerpers kunnen voor vermogenstransistoren kiezen op basis van galliumnitride (GaN) in de voedingsarchitectuur die normaal gesproken een vermogenstransistor gebruikt. GaN biedt een optimale prestatie-efficiëntie met een minimale grootte/voetafdruk.

Draadloze voeding — opladen tijdens zweven [theoretische discussie]:^{1, 2, 3} Dit is wenselijk omdat elke keer dat een drone landt en wordt uitgezet om op te laden, het opnieuw opstarten van de rotormotoren en opstijgen veel energie kost. Efficient Power Conversion is een van de vele bedrijven die onderzoek doet naar draadloos opladen terwijl de drone in de lucht is. Een dergelijke stroomvoorziening kan worden gerealiseerd met een draadloze oplaadarchitectuur op basis van een GaN-FET, zoals de EPC2019 van Efficient Power Conversion.

Op GaN gebaseerde FET's kunnen schakelen bij 13,56 megahertz (MHz) — een schakelfrequentie die moeilijk te bereiken is met gewone silicium-FET's. Dankzij deze hoge schakelfrequentie wordt ook de grootte en het gewicht van de voedingsmagneten geminimaliseerd. Bovendien zijn GaN-transistoren vijf tot tien keer zo klein als siliciumcomponenten, maar ze kunnen dezelfde vermogensniveaus aan. Met dit type voeding hoeven drones niet te landen, maar kunnen in plaats daarvan over een draadloos oplaadstation zweven.

Ontwerpers hebben de keuze uit tal van evaluatie-/ontwikkelingsboards waarmee ze de marktintroductietijd kunnen verkorten. De EPC2019 GaN-FET wordt door Efficient Power Conversion ondersteund met het EPC9513 ontwikkelingsboard voor een draadloze vermogensontvanger, dat in de drone zelf wordt gebruikt. Dit ontwikkelingsboard is belangrijk omdat het gebaseerd is op de AirFuel-standaard, wat garandeert dat het draadloze ontwerp gecertificeerd is en compatibel met andere draadloze oplaadproducten wereldwijd. Ontwerpers kunnen de Gerber-bestanden van de leverancier voor het demoboard opvragen om de geoptimaliseerde lay-out te maken.

Zonne-energie: Een andere optie is het gebruik van zonne-energie om de accu van drones op te laden. Hiervoor is de PT15-75 zonnecel van PowerFilm Inc. een goede optie.

De PT15-75 kan samen worden gebruikt met een LT3652 acculader-IC van Analog Devices voor een slim en compact acculaderontwerp (Afbeelding 1). Vergeet niet dat er eigenlijk nooit een open-circuit spanning (Voc) op de uitgang staat wanneer het paneel wordt aangesloten op een belasting en stroom levert.

Afbeelding 1: Ontwerpers kunnen een betrouwbare en efficiënte stroomvoorziening voor hun drone creëren door deze 2A-acculader op zonne-energie toe te voegen, waarbij de thermistor R_NTC wordt toegevoegd om te compenseren voor de temperatuurcoëfficiënt van een zonnecel (zoals de PT15-75) bij maximaal stroomverbruik. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ingangsstabiliseringsloop van de LT3652 biedt ook de mogelijkheid om het maximale oplaadpunt van het zonnepaneel te vinden, waardoor de zonne-energie optimaal wordt omgezet en het maximale uitgangsvermogen naar de accu levert.

Sensoren: Sensoren verhogen zowel de bestuurbaarheid als het nut drones. Wat betreft de besturing van een drone kan een sensor modi voor automatisch niveau, constante hoogte of specifieke baan inschakelen om bijvoorbeeld rond een bepaald object of een interessante plek te vliegen. Al deze extra functies zijn afhankelijk van inertiële meeteenheden (IMU’s) en de barometrische druksensoren voor een optimale gebruikerservaring en voor verbeterde betrouwbaarheid voor doelgebonden of commerciële drones.

Ontwerpers zijn soms genoodzaakt de prestaties van hun drones te verbeteren met behulp van een gyroscoop met een extreem lage afwijking van het uitgangssignaal om de oriëntatie, de positie en het evenwicht van de drone te garanderen, met name onder veranderende temperatuuromstandigheden. Dit kan worden bereikt met een BMI160 van Bosch Sensortec, een combinatie van een versnellingsmeter en een gyroscoop, die als kleine, low-power IMU wordt geleverd met negendimensionale sensorgegevensfusie. Dit component is 2,5 x 3,0 millimeter (mm) en 0,83 mm hoog en verbruikt slechts 925 microampère (µA), zelfs als de gyroscoop en versnellingsmeter op volle kracht werken. De BMI160 werkt op een voeding van 1,71 volt tot 3,6 volt.

Als aanvulling op de BMI160 kan een digitale barometrische druksensor met temperatuursensor worden gebruikt voor het meten van de verticale snelheid, het verbeteren van de GPS-navigatie en het bepalen van de hoogte van een drone. Het wordt aanbevolen om barometers af en toe te kalibreren bij een luchtdruk op zeeniveau om de nauwkeurigheid te garanderen. De BMP388 barometrische druk- en temperatuursensor van Bosch Sensortec is een goed voorbeeld van een IC die ontwerpers in hun architectuur kunnen integreren. Deze sensormodule is dankzij een kleine voetafdruk van maar 2 x 2 mm², een hoogte van 0,88 mm en een energieverbruik van slechts 3,4 µA bij 1 hertz (Hz) zeer geschikt voor accu's. Het component heeft een typische relatieve nauwkeurigheid van +/-8 Pa met een typische absolute nauwkeurigheid van +/-50 Pa, wat de vaardigheden van de drone van zweven en obstakels vermijden, verbetert.

Om beweging langs meerder assen te detecteren, is de ISM330DLCTR iNEMO IMU system-in-package (SiP) module van STMicroelectronics uitgerust met een combinatie van een versnellingsmeter en gyroscoop, samen met een magnetometer in een monolithische zesdimensionale IC. Dankzij dit type configuratie behoudt de drone de horizontale, verticale en rotatiestabiliteit tijdens het vliegen. Voor toepassingen zoals professionele dronefotografie en 3D-beeldvorming is de zesdimensionale gyrostabilisatie die door de ISM330DLCTR wordt geleverd noodzakelijk.

De gyroscoop meet en handhaaft de oriëntatie van de drone. Door drie versnellingsmeters te integreren, elk georiënteerd langs een andere as, kan de bewegingsgraad van de drone langs de assen worden bepaald. Hierdoor kan beter informatie worden verzameld over de roll (rollen), pitch (klimmen en dalen) en yaw (zijwaartse beweging) van de drone, waarna die informatie wordt teruggevoerd naar de PID-controller (proportional-integral-derivative) van de drone.

De magnetometer meet de sterkte en richting van de magnetische noordpool van de aarde om de baan te corrigeren. Zorg er wel voor dat de magnetometer regelmatig wordt gekalibreerd, want hoogspanningskabels, motoren en andere sterke velden die door elektrische apparaten worden gegenereerd, kunnen de instelling beïnvloeden.

De beweging van de drone als gevolg van externe krachten, zoals een sterke windvlaag, wordt gedetecteerd door de versnellingsmeter en doorgegeven aan de PID-regelaar, die vervolgens de motoren aanpast om hiervoor te compenseren.

Rangefinders: Landen, zweven en afstand van een object bepalen

Drones moeten over goede sensoren beschikken om veilig te landen, tijdens draadloos opladen te zweven en om voorwerpen te detecteren om botsingen tijdens het vliegen te voorkomen. Hiervoor kan zowel geluid als licht worden gebruikt.

Ultrasone afstandsdetectie: Ultrasone sensoren kunnen worden gebruikt voor landen, zweven het volgen van de grond. Wanneer een drone gaat landen, moet de afstand tussen de onderkant van de drone en de landingslocatie worden gemeten. Hoewel GPS en een barometer ook deel uitmaken van deze besturingsfunctie, is nauwkeurige afstandsmeting de sleutel voor een veilige landing.

Ultrasone sensoren kunnen ook helpen bij het veilig zweven en volgen van de grond, waarvoor de drone wellicht op een vaste hoogte moet vliegen. Een voorbeeld van een rangingsensor voor assistentie bij landen, zweven en hoogtedetectie is het MB1010-000 ultrasone time-of flight (ToF) rangingsensorboard van MaxBotix.

Wat is ToF?

Al deze gevallen vereisten gebruik de ToF-methode. ToF is de tijd die een uitgezonden ultrasone golf nodig heeft om het doel te bereiken plus de tijd die nodig is voor het gereflecteerde signaal om terug te keren naar de sensor op de drone (Afbeelding 2 en 3).

Afbeelding 2: Het is belangrijk dat ontwerpers het concept van ToF begrijpen voor landen, zweven of draadloos opladen van de drone. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Afbeelding 3: De drie fasen van ultrasone ToF. Oorspronkelijk verzonden geluid (1), stilte (2) en ontvangen echo (3) voor nauwkeurige afstandsmeting in droneontwerpen. Door deze afbeelding goed te bestuderen en de hardwaresuggesties in deze paragraaf te implementeren, in combinatie met het evaluatieboard en de sensoren die in dit artikel worden besproken, kunnen ontwerpers vluchtstabiliteit verbeteren, botsingen voorkomen en draadloos opladen optimaliseren. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De afstand van de drone tot een object kan als volgt worden berekend:

Texas Instruments biedt de PGA460PSM-EVM evaluatiemodule voor ultrasone nabijheidsdetectie waarmee ontwerptijd kan worden verkort.

LiDAR rangedetectie: Een andere manier om afstand te meten is met behulp van LiDAR (Light Detection And Ranging) oftewel lichtdetectie met gepulseerde lasers. De informatie van ToF LiDAR-systemen kan worden gebruikt om een driedimensionaal beeld te creëren. LiDAR-technologie zorgt voor een hoge nauwkeurigheid en resolutie en een groot dekkingsgebied.

Ontwerpers kunnen een optische afstandssensor op basis van laserpulsen selecteren, zoals de SEN-14032 van SparkFun Electronics met een bereik van 40 m. Een externe microcontroller is nodig om via I²C met de sensor te kunnen communiceren.

Er zijn twee primaire architecturen die voor dit soort LiDAR worden gebruikt: een halfgeleider-LiDAR en een gemotoriseerde roterende LiDAR met een gezichtsveld van 360˚. Beide werken op basis van hetzelfde principe, waarbij een laser een lichtstraal verstuurt. Bij de halfgeleider-LiDAR wordt een spiegel gebruikt om te scannen, terwijl de roterende LiDAR een draaiende schijf gebruikt die wordt aangedreven door een motor.

Een derde soort LiDAR wordt flash LiDAR genoemd en verstuurt meerdere korte pulsen tegelijkertijd, waarbij een camerachip wordt gebruikt om de pulsreflecties te ontvangen en vervolgens de ToF te meten. Flash LiDAR heeft een zeer hoge resolutie, maar is slechts beperkt tot circa 30 meter (m).

Omgevingsdetetectie

Warmtebeeldcamera: Een warmtebeeldcamera op een drone detecteert de specifieke hitte/temperatuur van objecten en materialen en geeft deze weer als foto's of video's. De brand in de Notre-Dame in Parijs werd waargenomen en gevolgd met behulp van warmtebeeldcamera's. Deze camera's kunnen kleine verschillen in warmte detecteren, soms van maar 0,01 ˚C.

Een andere belangrijke toepassing van drone-warmtebeeldtechnieken is noodhulpverlening, zoals na een aardbeving of een zware orkaan, waarbij mensen vast kunnen zitten in beschadigde of ingestorte gebouwen (Afbeeldingen 4 en 5).

Afbeelding 4: Een ingestort gebouw gezien vanuit droneperspectief is een belangrijke eerste stap voor een drone met een conventionele camera. Vervolgens kan de drone met behulp van een warmtebeeldcamera de lichaamswarmte van de personen die in het puin vastzitten, detecteren. (Bron afbeelding: IEEE⁴)

Afbeelding 5: Ontwerpers hebben nu de beschikking over tools om in noodsituaties mensen te vinden en levens te redden. Deze afbeelding van een persoon die opgesloten zit, was genomen met een DJI-drone tijdens een brandweeroefening. (Bron afbeelding: Industrial Equipment News/Menlo Fire UAS/Droneprogramma, via AP)

Een goede manier voor ontwerpers om te beginnen met thermische beeldvorming in drones is de 500-0771-01, een thermische microcamera van FLIR Lepton. De camera heeft een spectraal bereik van 800 nanometer (nm) tot 1400 nm, een dynamisch bereik van 0˚ tot 120 ˚C en een nominaal vermogen van 150 milliwatt (mW) (in bedrijf), 650 mW (tijdens sluitertijd) en 5 mW (in stand-by).

Vochtigheids-, druk- en temperatuurmeting: Ontwerpers kunnen atmosferische condities meten met de BME280 van Bosch Sensortec, een digitale vochtigheids-, druk- en temperatuursensor met een SPI-interface. Deze geïntegreerde sensor is 2,5 mm x 2,5 mm x 0,93 mm en verbruikt slechts 0,1 µA in slaapstand en tot 3,6 µA tijdens het detecteren van alle drie de parameters.

Kortere marktintroductietijd met multi-sensor ontwikkelingssets

De DA14585IOTMSENSOR is een multi-sensor ontwikkelingsset van Dialog Semiconductor dat gebruik maakt van omgevingssensoren van Bosch Sensortec en bewegingssensoren van TDK Invensense. Deze set is belangrijk voor ontwerpers, omdat het een goed platform biedt om te experimenteren met de mogelijkheden voor sensorfusie van dronesensoren en zo de marktintroductietijd te verkorten.

De set is uitgerust met een BME680 low-power gas-, vochtigheid-, druk- en temperatuursensor, evenals een versnellingsmeter, gyroscoop en een magnetometer. Dankzij de sensorfusie van de DA14585IOTMSENSOR kunnen ontwerpers zien hoe deze functie kan worden gebruikt om zowel betere algemene detectiefuncties te verkrijgen als de levensduur van de drone-accu te verlengen.

Conclusie

Drones vormen een buitengewoon moeilijke uitdaging voor ontwerpers vanwege de vereisten voor hoge functionaliteit en lange vluchttijden. Zoals altijd moeten de belangrijkste taken die een apparaat moet uitvoeren, bekend zijn voordat een ontwerpplan kan worden ontwikkeld voor een optimale architectuur die voldoet aan de projectvereisten.

Referenties:

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