Entwicklung von Motorsteuerungen für Drohnen

Die weltweite Bevölkerungszahl könnte im Jahr 2050 bei fast 10 Mrd. Menschen liegen. Um die Ernährung der Weltbevölkerung zu sichern, muss die landwirtschaftliche Produktion um mindestens 50 % steigen. Dies geht aus einem Bericht aus dem Jahr 2017 zur Zukunft der Bereiche Ernährung und Landwirtschaft der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation (Food and Agriculture Organization, FAO) der Vereinten Nationen (UN) hervor.

Die FAO verweist dabei auf einige Herausforderungen, die bei der Versorgung der Weltbevölkerung im Vordergrund stehen. Dazu gehören die Verbesserung des Wohlstands der Landbevölkerung, die Optimierung von Ernährungssystemen und die Erhöhung der landwirtschaftlichen Produktion. Bei der Bewältigung dieser Herausforderungen spielen unter anderem fortschrittliche Technologien eine wichtige Rolle. Das so genannte Smart Farming sorgt dabei für die Verbesserung der Ernteerträge und Viehwirtschaft. Ein Beispiel in diesen Bereichen ist die Verwendung des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) zum Optimieren der Ertragsleistung und der Gesundheit von Tieren.

Durch die Erfassung von Daten, wie Bestandshöhen, Bepflanzungsdichte, Blätterstand oder Temperaturen bei der Tierhaltung, können Landwirte die Pflanzen- und Tierpflege verbessern und Ernteerträge voraussagen und maximieren. Sobald die Daten analysiert wurden, benötigen Landwirte effektive Mittel, um die Entscheidungen umzusetzen, die basierend auf den gesammelten Informationen getroffen wurden. Das größte Problem ist, dass sich Farm- und Ackerland über Tausende von Hektar erstrecken kann. Dadurch kann die Begutachtung von Anbauflächen und Viehbeständen sehr zeitaufwendig werden. Außerdem kann es schwierig sein, sich ein allgemeines Bild vom Zustand der Pflanzen oder Tiere zu machen oder Probleme – wie Unterbepflanzung, Trockenheit oder Schädlingsbefall – in bestimmten Gebieten zu identifizieren.

Die Rettung hierbei kommt in Form von Drohnen. Dank der Entwicklungen von Technologieunternehmen können Landwirte mit Drohnen bereits schnell große Gebiete überwachen und detaillierte Informationen in sichtbaren und nicht sichtbaren Wellenlängenbereichen erfassen (Abbildung 1). Mit dem Einzug der Präzisionslandwirtschaft und dem Einsatz unbemannter Luftfahrzeuge (Unmanned Arial Vehicles, UAVs) wurden zudem Möglichkeiten für Spezialisten geschaffen, cloudbasierte Analysetools zu entwickeln, mit denen die während des Fluges von UAVs erfassten Daten ausgewertet werden können, um entsprechende Maßnahmen ergreifen zu können. Dies kann Landwirten helfen, ihre Erträge zu steigern, indem Verfahren zur Bewässerung, Düngung und Schädlingsbekämpfung optimiert werden. Gleichzeitig können aber auch durch den effizienteren Einsatz von Chemikalien Kosten gesenkt werden.

Abbildung 1: Mit der Cloudanalyse von Luftaufnahmen können Ernte- und Bodenbedingungen überwacht werden. (Bildquelle: PrecisionHawk).

Der Einsatz von UAVs in der Landwirtschaft ist jedoch nicht auf die Erfassung von Daten beschränkt. Multi-Rotor-UAVs mit einer Tragkraft von 10 kg, 20 kg oder mehr bieten mehrere Vorteile gegenüber konventionellen Mitteln der Schädlingsbekämpfung in Form von Traktoren oder Leichtflugzeugen. Die Schulung eines UAV-Piloten lässt sich schneller und kostengünstiger als die Schulung eines Flugzeugpiloten durchführen. Außerdem ist auch das Fahrzeug selbst in Bezug auf den Erwerb und den Betrieb billiger. Im Vergleich zu einem Traktor ist ein UAV beim Verspritzen von Pflanzenschutzmitteln schneller und beschädigt nicht den Pflanzenbestand. Außerdem ist Fliegen immer noch möglich, wenn der Boden durch Regen aufgeweicht wurde.

UAV-Technologie für Präzisionslandwirtschaft

Der Markt für UAVs für die Präzisionslandwirtschaft steckt trotz der jüngsten Entwicklungen noch in den Kinderschuhen und entsprechende Bestimmungen sind längst noch nicht rechtskräftig. Derzeit ist beispielsweise die Nutzung von UAVs für gewerbliche Zwecke in den USA nicht erlaubt, obwohl die Bundesluftfahrtbehörde der Vereinigten Staaten (US Federal Aviation Authority, FAA) individuell eine entsprechende Berechtigung erteilen kann.

Was die UAV-Technologie angeht, sollte ein geeignetes Fluggerät mit grundlegenden Motor- und Flugsteuerungen, Sensoren, Fernmesstechnik sowie für das Verspritzen von Pflanzenschutzmitteln mit Systemen wie Ventilstellantrieb und Füllstandanzeige ausgestattet sein. Empfohlen werden auch radargestützte Antikollisionssysteme.

Für die Datenerfassung können leichte und energiesparende hyperspektrale Sensoren mehr Informationen zu den Erntebedingungen liefern als konventionelle Kameras, die im sichtbaren Spektrum arbeiten. Hyperspektrale Sensoren basieren auf der spektroskopischen Technologie, die sich ursprünglich bei Satellitenanwendungen bewährt hat. Sie erfassen Daten mit Wellenlängen jenseits des sichtbaren Spektrums mithilfe einer Gruppe von Detektoren, wobei jeder dieser Detektoren auf die Verwendung in einem engen Bereich – wie sehr nahes Infrarot (VNIR, von 380 - 1000 nm), nahes Infrarot (NIR, 900 - 1700 nm) oder kurzwelliges Infrarot (SWIR, 950 - 2500 nm) – ausgelegt ist. Die chemischen Signaturen von Krankheiten bei landwirtschaftlichen Kulturpflanzen oder von anderen Schädlingen können besser in diesen Wellenlängenbereichen als ausschließlich im sichtbaren Spektrum beobachtet werden. Es kommen nun hyperspektrale Sensoren zu erschwinglichen Preisen auf den Markt, die durch niedrige Verzerrung, ein großes Sehfeld und eine interne Verarbeitung zur Entfernung von Geräuschen bestechen, um die Genauigkeit des erfassten Bildes sicherzustellen.

Flugtauglichkeit

Die UAVs, die in der Präzisionslandwirtschaft zum Einsatz kommen, variieren zwischen kleinen Fluggeräten mit festen Flügeln und drohnenartigen Multi-Rotor-Quad-Copter-Plattformen. UAVs für das Verspritzen von Pflanzenschutzmitteln können sechs oder mehr Rotoren aufweisen, damit sie je nach geplantem Ladegewicht genug Auftrieb haben.

Die DC-Motoren für das Heben der Rotoren in drohnenähnlichen UAVs sind normalerweise Bürstenmotoren oder bürstenlose Motoren (BLDC-Motoren). Kleine Fluggeräte können mit Bürstenmotoren für geringes Gewicht und einfache Bedienbarkeit ausgestattet sein, während eine größere Verlässlichkeit und ein geringeres elektromagnetisches Rauschen überzeugende Argumente für die Verwendung von BLDCs sind, insbesondere in größeren UAVs.

Herzstück des Fluggeräts bildet ein Flight-Controller, der für die Navigation, die Steuerung der Motoren für das Abheben und zur Beibehaltung der Höhe und des Kurses während des Flugs verantwortlich ist. Mit einer GPS-basierten Navigation und leichten MEMS-Miniatursensoren, wie einem 3-achsigen Beschleunigungsmesser, einem 3-achsigen Gyroskop und einem Luftdrucksensor, wird eine genaue Positionsbestimmung sichergestellt, Bewegungssteuerung und gute Höhenkontrolle erreicht. Im Hinblick auf die Stabilität während des Flugs teilen Flight-Controller für die aktuellen Multi-Rotor-UAVs einige ihrer Charakteristiken mit den Charakteristiken der Controller von Modellhubschraubern, die den Ausgleichsrotor am Heck steuern, wodurch verhindert wird, dass die Zelle des Fluggeräts sich um die eigene Achse dreht. Bei einem UAV-Controller wird anhand der Inertialmessung, die auf einer MEMS-Sensorfusion basiert, die Anpassung der einzelnen Motordrehzahlen koordiniert, um das Fluggerät auf dem gewünschten Kurs zu halten.

Als ein unterstützendes Tool in der Präzisionslandwirtschaft liegt die Stärke des Flight-Controllers in seiner Benutzeroberfläche und den Funktionen, mit denen die Flugroute des UAV festgelegt werden kann. Ein Landwirt muss im Vorfeld genau angeben, wo lang das UAV fliegen soll, um einen vollständigen Bildsatz von einem bestimmten Feld zu erfassen oder um sicherzustellen, dass beim Verspritzen von Pflanzenschutzmittel im vorgegebenen Gebiet mit minimalem Aufwand möglichst wenig daneben gespritzt wird.

Entwicklung von Motorsteuerungen vorantreiben

Um die Entwicklung von Motorantrieben zu vereinfachen, stehen von verschiedenen Herstellern eine Reihe von Evaluationskits zur Verfügung. Regelalgorithmen, wie die feldorientierte Regelung, die Hall-Sensoren oder Messungen der gegenelektromotorischen Kraft für die Rotorlageerkennung verwenden, sind in der Regel kostenlos erhältlich. Mit diesen Hilfsmitteln können Techniker verschiedene Motortypen schnell betriebsbereit machen, indem sie Beispielssoftware bereitstellen, die bei der Anwendungsentwicklung einen Vorsprung verschaffen kann.

Selbst mit diesen Kits benötigen Techniker jedoch ein gewisses Maß an Kenntnissen in Bezug auf die Entwicklung von Motoren, um Drehzahl und Drehmoment genau kontrollieren zu können. Die Herausforderungen liegen bei der Einrichtung der Software für den ausgewählten Motor und der anschließenden Feinabstimmung der Parameter, um Reaktionen auf Drehzahl- und Drehmomentbefehle zu optimieren. Der Techniker muss die Spannungskonstante (Ke) des Motors, den Reibungskoeffizienten und das Trägheitsmoment kennen. Wenn sich der Controller der Messung der gegenelektromotorischen Kraft bedienen soll, müssen sowohl die Beobachtung des sensorlosen Zustands sowie die Drehzahlregelung eingerichtet werden. In jüngster Zeit haben Anbieter wie TI und STMicroelectronicsdie Verfahren zur Charakterisierung und Feinabstimmung von Motoren vereinfacht. Somit können Entwickler den Motor antreiben, ohne sich im Vorfeld mit dessen Eigenschaften vertraut machen zu müssen. Die beiden Hersteller haben dabei leicht unterschiedliche Ansätze verwendet.

ST hat Funktionen zur Identifikation und Feinabstimmung in MC Workbench, einer firmeneigenen Entwicklungsumgebung für Motorsteuerungen, integriert (Abbildung 2). Der so genannte Motor-Profiler ermittelt in Sekundenschnelle anhand von statischen Open- und Closed-Loop-Tests die Motorparameter. Zusätzliche Parameter zur Beschreibung der Leistungs-, Treiber- und Regelstufe werden über die grafische Benutzerschnittstelle von MC Workbench eingegeben. Das Projekt wird dann generiert und kompiliert, wodurch der Motor gedreht und gesteuert werden kann. Mithilfe der One-Touch-Abstimmungsfunktion von MC Workbench können anschließend die Einstellungen für eine reibungslose Regelung von Drehzahl und Drehmoment angepasst werden.

Abbildung 2: MC Workbench von ST als Hilfsmittel bei der Einrichtung. Ein so genannter Motor-Profiler erfasst unbekannte Motorparameter.

Durch die Implementierung dieser Funktion in MC Workbench können Entwickler eine Auswahl aus verschiedenen Mikrocontrollern treffen, wie aus der breiten Auswahl an STM32 MCUs. Außerdem können sie mit dem STM32-Entwicklungsökosystem eine kostengünstige Entwicklungsplattform erstellen. Im Rahmen eines anderen Ansatzes hat ST kürzlich den STSPIN32F0 eingeführt. Der STSPIN32F0 verfügt über einen integrierten STM32F0-Mikrocontroller und integriert zudem einen 3-Phasen-Halbbrücken-Gate-Treiber, bietet Überstrom-, Kurzschluss- und Wärmeschutz und Operationsverstärker für die Decodierung von Hall-Sensoren. Das Evaluierungsboard STEVAL-SPIN3201, das mit der Motorsteuerungsbibliothek STSW-STM32100 verwendet wird, kombiniert den STSPIN32F0-IC mit Funktionen für das Leistungsmanagement. Als Beispiel für eine Firmware kann STSW-SPIN3201 heruntergeladen und in Verbindung mit MC Workbench verwendet werden, um den Motor schnell anzutreiben und mit der Entwicklung zu beginnen.

Bei diesem Ansatz von TI wird die InstaSPIN™-MOTION-Softwarelösung in den Festspeicher von Mikrocontrollern, wie Geräten der C2000 Piccolo™-Serie – beispielsweise TMS320F28069M – eingebettet. InstaSPIN-MOTION umfasst den Software-basierten FAST™-Rotorflusssensor (Fluss, Winkel, Drehzahl, Drehmoment). Außerdem verfügt die Lösung über Komponenten für das Motor-Profiling, die Feinabstimmung einzelner Parameter und das Störverhalten zur Ermittlung des Motortyps (Abbildung 3).

Abbildung 3: InstaSPIN-MOTION von TI verwendet zum Charakterisieren des Motors Firmware, die in den Mikrocontroller eingebettet ist.

Entwickler können die Funktionen von InstaSPIN-MOTION über die MotorWare™-Softwareumgebung von TI nutzen. Das DRV8312-69M-KIT kombiniert eine Steuerplatine mit einem TMS320F28069M und ein Baseboard für Antriebsmodule mit einem DRV8312-IC, bei dem es sich um einen 3-Phasen-Wechselrichter mit einer Schaltung handelt, die für den Antrieb eines BLDC-Motor benötigt wird. Eine Motor mit 55 W wird ebenfalls bereitgestellt.

Fazit

Die Präzisionslandwirtschaft stellt eine weitere vielversprechende Einsatzmöglichkeit der Drohnentechnologie dar. Die Notwendigkeit, die Produktion in einer kosteneffizienten Art und Weise zu optimieren, wird die Entwicklungen in diesem Sektor vorantreiben. Der Weg zum Erfolg ist eine Software, mit der Flugbahnen programmiert und erfasste Daten interpretiert werden können. Darüber hinaus ist es wichtig, jederzeit die technischen Kenntnisse in Bezug auf die Motorsteuerung nutzen zu können, um schnell eine stabile und kontrollierbare Fluggerätzelle erstellen zu können.