Prevenzione delle collisioni basata sui sensori per le flotte di droni

I droni (ufficialmente conosciuti come "sistemi aeromobili senza pilota") stanno rapidamente diventando una tecnologia abituale che singoli o aziende possono acquistare e usare con una relativa libertà (il che ovviamente non significa che li si possa far volare ovunque si voglia o per qualsiasi scopo). I sistemi più moderni montano dei supporti per gondole che consentono operazioni a carico utile intercambiabile e sono in grado di accogliere diversi tipi di sensori, illuminatori e collegamenti video.

Anche se i droni pilotati individualmente raramente collideranno in aria, le probabilità che si verifichi un evento del genere aumentano con l'aumentare del numero di operazioni non sincronizzate e casuali di una flotta. Tuttavia, grazie a una programmazione intelligente e a schemi di controllo accorti, è possibile far lavorare assieme più unità per spostare carichi utili, sganciare ritardanti di fiamma, agevolare le operazioni di soccorso o effettuare sorveglianza. In questi casi, devono essere presenti delle tecnologie autonome sia di controllo remoto di precisione, sia di prevenzione delle collisioni locali.

Questo articolo prende in esame le soluzioni per rilevare e localizzare gli oggetti estranei nelle vicinanze dei droni. Questi sistemi di sensori possono inserire un livello sicuro di protezione anti-collisione all'interno dei processori locali, per cui il drone entra in modalità autonoma quando si interrompono le comunicazioni sulla linea principale. Nel sito Web di DigiKey sono reperibili tutti i componenti, le schede dati e i sistemi di sviluppo a cui si farà riferimento.

Tecnologie di prossimità

Esistono diverse tecniche per rilevare la presenza di altri droni o oggetti in prossimità dei droni che non comportano comunicazioni con un hub centrale o tra droni adiacenti. Il rilevamento ottico è una di queste.

Gli emettitori ottici a infrarossi possono emettere frequenze particolari, cicli di lavoro e pattern utilizzabili dai rilevatori ottici (basati su fotodiodi e fototransistor) per estrarre i segnali. Questi vengono mandati a un controller embedded che può cercare un segnale riflesso (con la sua stessa frequenza) o segnali con un'altra frequenza. Il pattern di chirp della frequenza può anche codificare un numero ID per cui i droni sanno chi sono i propri vicini.

Emettitori e rilevatori sono piccoli e leggeri, per cui è fattibile disporli tutt'attorno al perimetro di un drone. Questo approccio è simile a quello usato dalle barriere luminose comunemente presenti negli ascensori per rilevare quando la porta non deve chiudersi. Tuttavia, mentre le barriere luminose rilevano l'intrusione in un piano bidimensionale, in questo caso servono informazioni tridimensionali. Sapere che c'è qualcosa vicino non è sufficiente. Occorre conoscere anche a che distanza si trova.

Per quanto questi sensori siano economici, a basso consumo (relativamente a basso consumo dato che gli emettitori possono assorbire anche grandi quantità di corrente) e di dimensioni ridotte, questa tecnica dipende dalla riflettività dei droni stessi. Se sono di colore nero opaco e hanno una forma "furtiva" che li rende scarsamente percettibili, questa tecnica potrebbe non produrre risultati adeguati. I riflettori possono essere disposti attorno al perimetro a intervalli regolari. Tenere inoltre presente che, sopra e sotto, potrebbe essere necessario mettere dei riflettori con un pattern diverso.

Questa tecnica comporta poi un altro problema, specie se il drone deve essere usato per applicazioni militari segrete: gli emettitori possono fungere da beacon di ritorno per armi anti-droni. I nemici potrebbero così creare proiettili a basso costo, guidati, per eliminare i droni. I riflettori possono anche lasciare che emettitori avanzati "dipingano" un bersaglio con un pattern di riflessione ben definito.

Tuttavia, e per la maggior parte delle applicazioni civili, soluzioni con buoni riflettori ottici come quella economica e di dimensioni ridotte di Silicon Labs, SI1102-A-GMR, funzionano piuttosto bene. In questo caso, il trasmettitore e il ricevitore ottici combinati, non metallici e a montaggio superficiale (Figura 1), sono in grado di rilevare i segnali riflessi a mezzo metro di distanza, ma assorbono 400 mA fra 2,2 e 5,25 volt. La scheda di valutazione SI1102EK della società può essere usata per imparare e fare delle prove anche con altri componenti della famiglia QuickSense di Silicon Labs, mentre sul sito Web di DigiKey è disponibile un Modulo didattico per l'uso dei prodotti.

Figura 1: I piccoli trasmettitori e ricevitori ottici a montaggio superficiale sono strettamente integrati in contenitori monolitici che forniscono soluzioni di rilevamento di prossimità.

Tecniche basate sul suono

Per misurare la prossimità e la distanza si possono usare delle tecniche basate sul suono, nello specifico ultrasoniche, e per tali scopi sono già disponibili numerosi trasduttori a ultrasuoni. La selezione e la sintonizzazione delle frequenze operative possono permettere a diverse unità adiacenti di operare ognuna con un'interferenza ridotta, se viene usato un filtraggio stretto. Analogamente a quanto avviene con le tecniche ottiche, in presenza della modulazione di larghezza di impulso o di un campo di frequenza agile, è possibile codificare gli ID nel pattern di chirp.

Esistono delle soluzioni sotto forma di trasduttori discreti come MA40S4R di Murata, o come unità integrate di misurazione della distanza come SCN-1530SC di Honeywell. I segnali acustici si disperdono più rapidamente man mano che la distanza aumenta, pertanto questa tecnica è molto più localizzata e può essere più difficile da rilevare da distanze maggiori – per fini militari per proteggere i droni da attacchi guidati. Il rumore di fondo, che è prevalente in particolare sui campi di battaglia, può interferire con la capacità embedded del micro di estrarre in modo continuo segnali affidabili. Inoltre, il rumore del motore (acustico o elettrico) può influire sulla capacità di un processore di estrarre un segnale che sia sempre affidabile.

Come le tecnologie di prossimità ottica, il rilevamento del campo sonico ha un altro valore aggiunto dato dalla disponibilità di sistemi di sviluppo e schede di valutazione per poter testare rapidamente questa tecnologia. Ad esempio, Analog Devices offre il kit di sviluppo di sensori EVAL-CN0343-EB1Z specifici per la misurazione sonica della distanza. Maxim offre il kit di valutazione MAXQ7667EVKIT-1# per la misurazione ultrasonica della distanza, basato sui suoi processori embedded (Figura 2).

Figura 2: I trasduttori ultrasonici possono avere grandi dimensioni ma in genere sono leggeri e sono stati impiegati in modo affidabile per rilevare prossimità e distanza. I kit di valutazione consentono di testare e imparare a basso costo e con bassi rischi prima di scegliere una specifica tecnologia.

Soluzioni GPS

Per operazioni molto ravvicinate, è possibile usare dispositivi magnetici e a effetto Hall, ma per il rilevamento su distanze maggiori non sono in genere un'alternativa praticabile. La necessità di bobine in rame rende questa soluzione ingombrante e costosa. L'invio dei segnali su distanze maggiori, da parte delle bobine, può inoltre consumare molta energia elettrica.

Anche se in questo caso il video ha un'applicazione potenziale, l'elaborazione richiesta per estrarre i bordi e determinare gli oggetti localizzati in tempo reale può essere un ostacolo. Inoltre, le informazioni di miglioramento del bordo estratte possono sì essere valide per vedere un profilo, ma potrebbero non esserlo altrettanto quando si cerca di stabilire in modo facile e preciso la distanza. Potrebbe apparire la stessa immagine sia per un oggetto piccolo vicino che per uno grande lontano.

Una soluzione possibile consiste nell'usare i ricevitori GPS su ogni drone e avere una rete a maglie a organizzazione indipendente per cui ogni drone adiacente si tiene a una distanza controllabile dagli altri. Disponibili come chip o come moduli, le unità GPS possono avere una risoluzione abbastanza spinta e numerose soluzioni compatibili a livello internazionale supportano gli standard GPS, GLONASS e GNSS. Inoltre, diversi produttori di antenne GPS di qualità consentono un posizionamento ottimale sopra e attorno al drone per un'acquisizione affidabile dei segnali. E dal momento che i sistemi GPS sono solo di ricezione, non vi sono dei trasmettitori spia a guidare i cacciatori di droni e missili.

La semplicità del controllo seriale UART, SPI o IIC e dell'accesso ai dati ne fanno una scelta valida per un'integrazione agevole con un microcontroller embedded. Come esempi si consideri il modulo per scopi generici SL869GNS115T001 di Telit Wireless Solutions per gli standard GPS, GLONASS e GNSS (Figura 3). Come componente in contenitore LLC a montaggio superficiale di 1,8 grammi di peso e a 24 pin, l'unità da 3 a 3,6 V può assorbire fino a 67 mA durante l'acquisizione, ma appena 73 uA in standby.

Figura 3: L'implementazione del GPS in un modulo GPS dedicato utilizzando un protocollo seriale offre una soluzione economica e di piccole dimensioni che non richiederà lunghi tempi di programmazione. A un drone si può semplicemente dire dove andare, perché vi ci si rechi autonomamente.

Radar

Una soluzione molto fattibile potrebbe essere l'uso di un radar ridotto e ultracompatto. La tecnologia RF potrebbe essere ideale per questa applicazione, specie a frequenze molto alte quando le antenne e i componenti possono avere dimensioni ridottissime.

Un altro vantaggio deriva dal fatto che il settore automotive ha portato molto avanti lo sviluppo di questa tecnologia, con funzionalità quali i radar anti-collisione e il rilevamento di prossimità per l'apertura dei cancelli; e dato che le auto hanno più di un lato sono disponibili front-end e soluzioni radar multicanale integrate.

Ad esempio, AFE5401TRGCTQ1 di Texas Instruments è un front-end radar analogico monolitico a quattro canali con integrati amplificatore a basso rumore, equalizzatore, amplificatore a guadagno programmabile, anti-aliasing e A/D con risoluzione a 12 bit (Figura 4). Notare come questo componente a 1,8 V consenta il campionamento simultaneo attraverso tutti i canali e come la sua velocità di 25 Msample/sec con un bus parallelo compatibile CMOS a 12 bit permetta il trasferimento rapido dei dati di acquisizione a un controller host.

Figura 4: I dispositivi radar monolitici multicanale come questo ricevitore a quattro canali sono stati sviluppati per il settore automotive, ma sono ideali per testare e sviluppare i sistemi di prossimità e anticollisione per i droni.

Considerata la crescente diffusione dei radar piccoli e compatti per applicazioni anticollisione e di altro tipo, esistono alcuni kit validi di sviluppo (come AD8285CP-EBZ di Analog Devices) per testare e valutare questa tecnologia.

Il radar è una tecnologia da tenere sotto osservazione perché è in fase di miniaturizzazione al fine di poter essere utilizzata come dispositivo di interfaccia per il riconoscimento dei gesti. La partnership congiunta tra Google e Infineon, chiamata Project Soli, sta sviluppando questo nuovo sensore di interazione utilizzando la tecnologia radar. Rilevando la posizione e il movimento delle dita nello spazio – fino a usare l'effetto Doppler per rilevare la velocità – promette un'interazione complessa con il dispositivo. Il sensore Soli è in grado di tracciare movimenti inferiori al millimetro delle dita umane, ad alta velocità e con grande precisione. Può essere messo su un chip, prodotto in serie e usato persino all'interno di piccoli dispositivi indossabili. Il team Project Soli ha in progetto il rilascio di un kit di sviluppo che consentirà agli sviluppatori di creare nuove interazioni e applicazioni.

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.