Sensori per i sistemi di avionica degli UAV

Di Redattori europei

Contributo di Editori europei di Digi-Key


Questo articolo è dedicato alle sfide che si presentano nello sviluppo di sistemi di sensori per gli aeromobili a pilotaggio remoto (UAV, unmanned aerial vehicle, comunemente detti droni), ad esempio per il rilevamento di pressione, vibrazioni e posizione. Nel mondo degli aeromobili si incontra tutta una serie di sfide tecnologiche: dall'architettura dei nodi dei sensori all'alimentazione, alla gestione dei pesi.

Oggi è in fase di sviluppo una nuova generazione di UAV che permetterà di monitorare molti tipi di situazioni. Dal monitoraggio degli incendi nei boschi in Australia al controllo del traffico negli Stati Uniti, questi UAV si avvalgono fortemente e in varie modalità della più recente tecnologia dei sensori. Ad esempio, le telecamere a infrarossi possono individuare persone disperse anche di notte; la spettroscopia laser è utilizzata per tener sotto controllo l'inquinamento dell'aria.

Con i sensori in volo, è possibile migliorare notevolmente la qualità dei dati acquisiti, sfruttando una maggiore flessibilità nel movimento e tempi di risposta più veloci. Attualmente si va delineando un nuovo scenario: il passaggio dagli aeromobili a pilotaggio remoto ai sistemi autonomi autopilotati che richiedono sensori di navigazione inerziali che vedono la combinazione di sistemi GPS con accelerometri e magnetometri. Tutto ciò esige una particolare attenzione sull'integrazione dei sistemi di sensori che, se aviotrasportati, sono fortemente legati a problematiche di alimentazione e di peso.

Cambiando l'architettura dei sensori, si possono addirittura eliminare i sensori di controllo per ridurre notevolmente le dimensioni del drone. Da qui nasce una nuova classe di droni di dimensioni estremamente contenute.

Nel frattempo, i ricercatori utilizzano i droni portatili per sviluppare e testare sistemi di sensori. Phastball-0 è stato sviluppato dai ricercatori della West Virginia University (WVU) negli Stati Uniti per studiare situazioni di congestione del traffico, sicurezza e impatto ambientale. L'aereo (che viene lanciato a mano) ha un'apertura alare di 2,44 metri e un peso al decollo di 9,5 kg, compresi 3,2 kg di carico utile costituito dai sensori per il rilevamento remoto. L'aereo viene telepilotato con un radiocomando a 9 canali ed è spinto da due ventole intubate mosse da motori elettrici brushless. L'uso della propulsione elettrica semplifica le operazioni di volo e riduce le vibrazioni sui sensori di bordo.

Il sistema di carico utile per il rilevamento remoto include una fotocamera digitale ad alta risoluzione, un ricevitore GPS, un sistema d navigazione inerziale a basso costo (INS), un telemetro laser puntato verso il basso con una portata di 370 m circa, un registratore dei dati di volo (scatola nera), una videocamera e un sistema di trasmissione video wireless.

I ricercatori della Goethe University di Francoforte, Germania, usano un UAV per colmare il vuoto di dati tra le fotografie satellitari sul monitoraggio dell'erosione del suolo in Marocco. MAVinci, in Germania, ha sviluppato il Sirius I, un UAV ad ala fissa dotato di telecamera digitale Panasonic. Le ricognizioni vengono svolte su diversi siti di studio con raggio di azione e altezze diverse allo scopo di fornire sia dati specifici ad altissima risoluzione che panoramiche a risoluzione inferiore. L'elaborazione delle immagini abbinata ai dati GPA permette di creare modelli digitali del terreno (DTM, Digital Terrain Model) e mosaici di immagini con una risoluzione molto alta, quantificando l'erosione in 2D e 3D. Facilita inoltre l'analisi delle aree circostanti e lo sviluppo paesaggistico.

Sebbene lo scopo principale degli UAV sia quello di monitorare la situazione esterna, essi stessi hanno bisogno di essere monitorati. I sensori interni sono una parte vitale dello sviluppo dei sistemi UAV per assicurare che gli aerei operino correttamente e in modo sicuro ed è possibile usare sensori come estensimetri per monitorare la condizione della fusoliera ed evitare problemi in volo. Questi devono essere collegati a un convertitore di dati ADC e quindi collegati a un microcontroller tramite un'interfaccia SPI. Questi dati possono essere poi memorizzati per essere sottoposti ad analisi in un secondo momento, essere analizzati a bordo o essere ritrasmessi a terra per il monitoraggio delle prestazioni del drone.

Non essendoci alcun intervento umano, la capacità di raccogliere ed elaborare i dati sul drone costituisce un punto vitale e i vincoli di peso e dimensioni ne fanno una sfida cruciale per il progettista.

Anche la potenza disponibile per i sensori e la rete di sensori wireless è fortemente vincolata. Il Green Falcon di 2,5 metri sviluppato presso la Queensland University of Technology in Australia è alimentato da ventotto celle solari monocristalline. Queste generano 0,5 W per le fotocamere di bordo e i sensori destinati a seguire l'evoluzione degli incendi boschivi.

UAV Green Falcon australiano

Figura 1: Le celle solari dell'UAV Green Falcon australiano generano solo 0,5 W per l'alimentazione dei sensori dell'aereo.

UAV più grandi sfruttano la loro maggiore superficie per generare più energia dalle celle solari, consentendo l'uso di più sistemi di sensori. Solara 50, ad esempio, è lungo 15,5 metri ed è in grado di trasportare un carico utile di 32 kg. Il velivolo è alimentato da 3.000 celle solari disposte sulla superficie alare superiore, timone di profondità e deriva per fornire fino a 7 kW, conservando l'energia in eccesso in batterie agli ioni di litio nell'ala. Questa realizzazione fornisce una potenza sufficiente a mantenere l'UAV in aria fino a cinque anni a 105 kmh e a un'altitudine di crociera di 20 km come una stazione di monitoraggio nello spazio. Una versione più grande, Solara 60, avrà un'apertura alare di 60 metri e potrà trasportare carichi utili fino a 100 kg.

Solara 50

Figura 2: I 7 kW di potenza generati da Solara 50 consentiranno di alimentare i propri sensori per un massimo di cinque anni.

Alcuni dei sensori usati sono funzionali per l'operatività dell'UAV e i giroscopi e gli accelerometri sono usati per monitorare la posizione e l'orientamento dell'aereo. Solara 50 è dotato anche di numerosi sensori integrati nel carico utile, con collegamenti radio ad alta velocità che trasmettono i dati di telemetria alla stazione di terra.

Analogamente, il gruppo di ricerca UAV dell'Università del Minnesota sta usando aerei telecomandati amatoriali come Ultra Stick 120 per sviluppare una piccola struttura di ricerca low-cost e open-source sul volo degli UAV. L'obiettivo è quello di sostenere attività di ricerca all'interno del dipartimento, compresi gli algoritmi di controllo, navigazione e guida, metodi embedded di rilevamento dei problemi e strumenti di identificazione del sistema.

Il gruppo usa tre dimensioni della famiglia di aerei Ultra Stick - 120, 25e e Mini - e vi ha installato numerosissimi sottosistemi di sensori. L'unità di misurazione inerziale (IMU) usa iSensor® ADIS16405 di Analog Devices, mentre il sistema GPS si serve del chipset Sirf III.

ADIS16405 di Analog Devices

Figura 3: ADIS16405 di Analog Devices usato come sistema di misurazione inerziale per UAV.

Il team ha utilizzato SX8724C di Semtech con tecnologia ZoomingADC che offre una risoluzione fino a 16 bit come ADC primario per interfacciarsi con i sensori di pressione prodotti da Honeywell. Il sistema di acquisizione dei dati si basa sulla tecnologia ZoomingADC a bassa potenza di Semtech e collega direttamente la maggior parte dei tipi di sensori miniaturizzati con un microcontroller per uso generale.

Grazie a tre ingressi differenziali, può adattarsi a più sistemi di sensori. Le sue uscite digitali sono usate per polarizzare o resettare gli elementi di rilevamento. La catena di acquisizione è costituita da un multiplexer di ingresso, tre amplificatori a guadagno programmabile e un convertitore A/D sovracampionato. La tensione di riferimento può essere selezionata su due diversi canali e l'intervallo di compensazione dell'offset è ampio grazie a due appositi amplificatori di compensazione. Il guadagno programmabile e l'offset permettono di focalizzarsi su una piccola parte dell'intervallo di ingresso definito dalla tensione di riferimento.

Per scegliere gli ingressi analogici è usato un multiplexer a otto ingressi, mentre l'ingresso di riferimento viene selezionato tra due diversi canali. Tuttavia, dato che l'amplificatore dell'ingresso funziona sempre in modalità differenziale con entrambi l'ingresso positivo e quello negativo selezionati tramite il multiplexer, nella configurazione a terminazione singola sono disponibili solo sette canali di acquisizione (incluso VREF).

Il core della sezione di zooming è costituito da tre amplificatori programmabili differenziali (PGA). Dopo la scelta di una combinazione VIN e VREF di segnali di riferimento e di ingresso, la tensione di ingresso viene modulata e amplificata negli stadi da 1 a 3. La programmazione precisa del guadagno fino a 1.000 V/V abbina la risoluzione al sensore. I due stadi finali forniscono l'offset programmabile e, se necessario, ogni amplificatore può essere bypassato. L'uscita della cascata del PGA viene quindi alimentata direttamente al convertitore analogico/digitale (ADC) che converte il segnale in un flusso digitale per il microcontroller. Questi dati possono quindi essere memorizzati o pacchettizzati e trasmessi in modo wireless a terra.

iSensor ADIS16405 di Analog Devices è un sistema inerziale completo comprendente un giroscopio a tre assi, un accelerometro e un magnetometro. Abbina la tecnologia miniaturizzata iMEMS al condizionamento del segnale per ottimizzare le prestazioni dinamiche. La tecnologia CMOS viene usata per ridurre le dimensioni e i costi del sensore così come il consumo energetico. Ogni sensore è caratterizzato in fabbrica per sensibilità, bias, allineamento e accelerazione lineare per far fronte al bias del giroscopio. Di conseguenza, ciascuno di essi dispone di una propria compensazione dinamica per le formule di correzione che garantiscono la precisione delle misurazioni da −40 a +85 °C. I magnetometri hanno una funzione di autocorrezione per fornire prestazioni di bias accurate a prescindere dalla temperatura. Far fronte alle variazioni di temperatura a cui sono sottoposti i sensori usati negli UAV è fondamentale per assicurare che i dati ricevuti siano accurati e utilizzabili.

iSensor ADIS16405 di Analog Devices

Figura 4: Diagramma a blocchi di iSensor ADIS16405 di Analog Devices.

Rispetto ai progetti discreti, ADIS16400 offre un metodo semplice ed economico per integrare il rilevamento inerziale multiassiale accurato. I tempi di integrazione del sistema sono ridotti al minimo perché test e calibrazione fanno parte del processo di produzione in fabbrica e, nei sistemi di navigazione, il rigoroso allineamento ortogonale semplifica l'allineamento del sistema di riferimento inerziale. Il miglioramento dell'interfaccia periferica seriale (SPI) e della struttura del registro rende possibile una raccolta dei dati e un controllo della configurazione più rapidi mentre, utilizzando una piedinatura compatibile e lo stesso contenitore delle famiglie ADIS1635x e ADIS1636x, l'aggiornamento a ADIS16400 richiede solo le modifiche del firmware necessarie per accogliere altri sensori e aggiornamenti della mappa del registro.

Sebbene ADIS16400 produca i dati in modo indipendente, può fungere anche da dispositivo slave SPI che comunica con i processori di sistema (master). SPI opera in modalità full-duplex, in questo senso il processore master può leggere i dati in uscita da DOUT utilizzando gli stessi impulsi SCLK per trasmettere l'indirizzo di destinazione successivo su DIN.

Per limitare il più possibile i requisiti di spazio, il modulo misura 23 × 23 × 23 mm con un'interfaccia con connettore flessibile per facilitare varie opzioni di orientamento del montaggio.

I droni sono particolarmente utili per entrare in aree che potrebbero essere troppo pericolose per i velivoli con equipaggio. Questo richiede una serie più ampia di sensori. La National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) negli Stati Uniti utilizza l'UAV Aerosonde come "cacciatore di tornado", misurando le velocità del vento e le cadute di pressione con sensori di pressione assoluta. L'UAV, costruito dalla AAI australiana, fornisce dati in tempo quasi reale direttamente al National Hurricane Center in Florida. Offre misurazioni molto più vicine alla superficie dell'acqua rispetto ai sistemi precedenti, oltre alle classiche letture della pressione barometrica e della temperatura. Anche UAVSI, costruttore di UAV del Regno Unito, ha una versione del suo sistema Vigilant da 20 kg progettata appositamente per la ricerca scientifica in condizioni climatiche estremamente difficili come quelle antartiche.

L'architettura dei sensori sta diventando sempre più importante e, per la progettazione, è imprescindibile sapere se sono destinati all'aviotrasporto su UAV o a terra. Anche se potrebbe parere strano, l'agenzia statunitense per le ricerca DARPA lavora con sviluppatori esperti di app mobili sull'Adaptable Sensor System ADAPT. Si tratta di un sistema di sensori flessibili che può essere usato in varie situazioni, ma principalmente per fini di spionaggio, sorveglianza e ricognizione (ISR) grazie a una build personalizzata del sistema operativo Android.

Nel test DARPA, un semplice quadricottero usa il sensore ADAPT per tener automaticamente traccia della sua distanza da terra. Il sensore UGS (Unattended Ground Sensor), integrato nel core ADAPT, trasmette le istruzioni di volo al drone, rendendo così possibili velivoli multirotore di dimensioni molto più piccole. DARPA ritiene che ADAPT potrebbe portare a un'applicazione più rapida ed efficiente della tecnologia in campo militare, ma i sensori potrebbero trovare impiego, prima o poi, anche nell'elettronica di consumo, come è avvenuto per Crazyflie di Bitcraze. Questo è un quadricottero di 9 x 9 cm che pesa solo 19 grammi e che è disponibile in due versioni la cui unica differenza è data dai sensori a bordo. Il quadricottero è in grado di volare fino a sette minuti e la ricarica della batteria ai polimeri di litio richiede circa 20 minuti con una stazione USB standard.

Il minuscolo UAV quadricottero Crazyflie

Figura 5: Il minuscolo UAV quadricottero Crazyflie in fase di sviluppo.

Conclusioni

Negli UAV viene integrato qualsiasi tipo di sensori, per uso sia interno che esterno, ma i vincoli di alimentazione e peso continuano a limitare ciò che può essere aggiunto a tale sistema. Negli UAV vengono usate le videocamere agli infrarossi e foto/videocamere digitali tradizionali, ma anche sistemi a spettroscopia laser, per fornire un'ampia serie di misurazioni. Tuttavia, per controllare il drone stesso servono anche i sensori. I sistemi GPS e di misurazione inerziale più sofisticati oggi in uso si servono della tecnologia del silicio più avanzata per ridurre peso e consumi. Sensori miniaturizzati forniscono accelerometri resistenti che possono essere usati in modo efficace nei sistemi UAV con elaborazione dei dati altamente integrata per ridurre ulteriormente dimensioni e consumo energetico.

Con un approccio mentale diverso all'architettura dei sensori, gli UAV possono arrivare a dimensioni ancora molto più piccole e trovare molteplici possibilità di applicazione.

 

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