Sensorbasierte Kollisionsvermeidung für Drohnenflotten

Drohnen (offiziell als „Unbemannte Luftfahrzeuge“ bezeichnet) werden immer schneller zu einer weit verbreiteten Technologie, die Einzelpersonen und Unternehmen kaufen und relativ uneingeschränkt bedienen können (was nicht bedeutet, dass Drohnen an jedem Ort und zu jedem Zweck fliegen dürfen). Modernere Systeme verfügen über Befestigungen, über die sich austauschbare Nutzlasten befördern lassen und die eine große Vielzahl von Sensoren, Beleuchtungssystemen und Videoschaltungen aufnehmen können.

Während individuell gesteuerte Drohnen nur selten in der Luft kollidieren, steigt die Wahrscheinlichkeit solcher Ereignisse mit einer zunehmenden Anzahl zufälliger, nicht abgestimmter Flottenoperationen. Durch die Verwendung intelligenter Programmierungs- und Steuerschemen können jedoch mehrere Einheiten bei der Beförderung von Nutzlasten, dem Abwurf von Flammhemmern, der Durchführung von Rettungsaktionen oder bei Überwachungsmaßnahmen zusammenarbeiten. In solchen Fällen sind sowohl eine präzise Fernsteuerung als auch lokale autonome Kollisionsvermeidungstechnologien unverzichtbar.

In diesem Artikel werden Lösungen für das lokale Erfassen und Erkennen von Fremdobjekten in der Nähe von Drohnen untersucht. Diese Sensorsysteme fügen eine sichere Schutzschicht zur Kollisionsvermeidung hinzu, die in den lokalen Prozessoren eingebettet ist und es Drohnen ermöglicht, auf einen autonomen Modus umzuschalten, wenn die Hauptverbindung ausfällt. Alle in diesem Artikel erwähnten Komponenten, Datenblätter und Entwicklungssysteme sind auf der Website von DigiKey verfügbar.

Näherungstechnologien

Es gibt verschiedene Technologien, mit denen andere Drohnen oder Objekte in der Nähe von Drohnen erkannt werden können, ohne dass eine Kommunikation mit einem zentralen Hub oder gar benachbarten Drohnen erforderlich wäre. Eine optische Sensorlösung wäre eine solche Technologie.

Optische IR-Sender können eindeutige Frequenzen, Betriebszyklen und Muster aussenden, die optische Detektoren (auf Basis von Fotodioden und Fototransistoren) zur Extrahierung von Signalen verwenden können. Diese werden an einen eingebetteten Controller geleitet, der sie auf ein reflektiertes Signal (eigene Frequenz) oder andere Frequenzsignale untersucht. In das Chirp-Frequenzmuster kann sogar eine ID-Nummer kodiert sein, sodass Drohnen erkennen, welche Drohnen sich in unmittelbarer Nähe befinden.

Die Sender und Detektoren sind klein und leicht und können daher rings um die Drohne angebracht werden. Dieser Ansatz ähnelt dem von Lichtvorhängen, mit denen bei Aufzügen erkannt wird, wann eine Tür nicht geschlossen werden darf. Während Lichtvorhänge jedoch ein Eindringen in eine zweidimensionale Fläche erkennen, sind in unserem Fall dreidimensionale Informationen nötig. Es reicht nicht aus zu wissen, dass sich etwas in der Nähe befindet. Wir müssen auch wissen, wie weit das Objekt entfernt ist.

Zwar überzeugt diese Lösung durch geringe Kosten, eine geringe Leistungsaufnahme (relativ gering; die Sender können schon ziemlich viel Strom verbrauchen) und ihre geringe Größe, jedoch ist sie auf die Reflexion durch die Drohnen angewiesen. Wenn diese mattschwarz sind und ein Stealth-Design besitzen, führt diese Technik möglicherweise nicht zu befriedigenden Ergebnissen. Reflektoren können in gleichmäßigen Abständen um das Objekt angebracht werden. Beachten Sie, dass Reflektoren mit einem anderen Muster an der Ober- und Unterseite erforderlich sein können.

Ein anderes Problem bei dieser Technologie besteht darin – insbesondere wenn die Drohne für verdeckte militärische Einsätze verwendet werden soll –, dass die Sender von der Antidrohnenabwehr als Zielflugfunkfeuer genutzt werden können. Damit könnten Feinde zu geringen Kosten selbstlenkende Flugkörper zum Abschuss von Drohnen entwickeln. Mit Reflektoren lassen sich auch nach vorn gerichtete Sender mit einem bestimmten Reflexionsmuster überlisten.

Trotzdem sind gute optische Reflektorlösungen, wie das kostengünstige und kleine Silicon Labs SI1102-A-GMR, insbesondere für zivile Zwecke gut geeignet. In diesem Fall können an der Oberfläche angebrachte nicht metallische kombinierte optische Sender und Empfänger (Abbildung 1) reflektierte Signale mit einem Abstand von 50 cm (20 Zoll) erkennen, allerdings bei einem Verbrauch von 400 mA bei 2,2 bis 5,25 Volt. Mit dem Entwicklungsboard SI1102EK des Unternehmens können andere Mitglieder der Silicon Labs QuickSense-Familie getestet werden. Ein Produktschulungsmodul steht auf der Website von DigiKey bereit.

Abbildung 1: Kleine auf der Oberfläche montierte Sender und Empfänger sind hochintegriert in monolithischen Gehäusen, die Lösungen zur Näherungserkennung bieten.

Schalltechnik

Mit schallbasierten Techniken, insbesondere Ultraschalltechniken, können die Nähe und der Abstand gemessen werden. Zahlreiche Ultraschallwandler sind für diesen Zweck sofort einsatzbereit. Die Auswahl und das Einstellen der Betriebsfrequenzen gestatten bei strenger Filterung den Betrieb mehrerer benachbarter Einheiten bei verminderter Interferenz. Wie bei optischen Techniken können – wenn Pulsweitenmodulation oder ein ausreichend flexibler Frequenzbereich verfügbar sind – IDs in das Chirp-Muster kodiert werden.

In Form diskreter Wandler stehen Lösungen wie das Murata MA40S4R oder als integrierte Abstandsmessungseinheiten das Honeywell SCN-1530SC zur Verfügung. Da Schallsignale mit zunehmender Entfernung schnell streuen, ist diese Technik auf einen engeren Raum begrenzt und kann aus weiteren Entfernungen schwerer entdeckt werden. Bei militärischen Einsätzen können so Drohnen besser vor selbstgelenkten Angriffen geschützt werden. Hintergrundrauschen, wie unter militärischen Einsatzbedingungen oft anzutreffen, kann die Fähigkeit eines eingebetteten Mikrofons zur fortlaufenden verlässlichen Extraktion von Signalen behindern. Darüber hinaus können auch Motorgeräusche (akustisch oder elektrisch) die fortlaufende verlässliche Extraktion von Signalen stören.

Wie bei optischen Näherungstechnologien besteht ein zusätzlicher Vorteil der Entfernungsmessung per Schall darin, dass die Entwicklungssysteme und Entwicklungsboards für Tests dieser Technologie sofort zur Verfügung stehen. Beispielsweise bietet Analog Devices das Sensor-Entwicklungskit EVAL-CN0343-EB1Z speziell für die Schallentfernungsmessung an. Maxim bietet außerdem das Entwicklungskit MAXQ7667EVKIT-1# zur Ultraschallentfernungsmessung an, das auf eingebetteten Prozessoren basiert (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ultraschallwandler können groß sein, wiegen aber meist wenig und wurden bereits zuverlässig zur Bestimmung von Nähe und Entfernung eingesetzt. Mit Entwicklungskits können Sie bei geringen Kosten und Risiken eine bestimmte Technologie zuerst kennenlernen und testen, bevor Sie sich für sie entscheiden.

GPS-Lösungen

Für den Betrieb im extremen Nahbereich ist der Einsatz von magnetischen und Hall-Effekt-Komponenten möglich, für die Erfassung bei größeren Entfernungen aber eher nicht praktikabel. Die Notwendigkeit von Kupferdrahtspulen macht diese Lösung sperrig und teuer. Es kann auch viel Energie nötig sein, damit Spulen Signale über längere Entfernungen senden.

Während Video hier potenziell eingesetzt werden könnte, ist die für das Extrahieren von Kanten und das Bestimmen lokaler Objekte in Echtzeit erforderliche Verarbeitung eher ein Hindernis. Hinzu kommt, dass das Extrahieren erweiterter Kanteninformationen für das Erkennen der Kontur hilfreich sein kann, für das schnelle und präzise Bestimmen der Entfernung bringt es aber nichts. Dasselbe Bild kann für ein kleines Objekt in der Nähe wie für ein großes Objekt in weiter Entfernung angezeigt werden.

Eine mögliche Lösung ist die Verwendung von GPS-Empfängern für jede Drohne sowie eines selbstorganisierenden Mesh-Netzwerks, die es nebeneinander fliegenden Drohnen ermöglichen, einen kontrollierbaren Abstand untereinander einzuhalten. Verfügbar als Chips oder Module können GPS-Einheiten ziemlich gut auflösen, und verschiedene international kompatible Lösungen unterstützen GPS-, GLONASS- und GNSS-Standards. Darüber hinaus erlauben viele Qualitätshersteller von GPS-Antennen die optimale Platzierung auf und um die Drohne, um eine zuverlässige Signalerfassung zu ermöglichen. Und da GPS-Systeme reine Empfangsgeräte sind, gibt es keine Sender, die Raketen oder Drohnenjäger anziehen könnten.

Die einfache serielle UART-, SPI- oder IIC-Steuerung und der Datenzugriff machen sie zu einer guten Wahl für die nahtlose Integration mit einem eingebetteten Mikrocontroller. Als Beispiel sei das Universalmodul Telit Wireless Solutions SL869GNS115T001 für GPS-, GLONASS- und GNSS-Standards genannt (Abbildung 3). Das 24-polige, 1,8 Gramm schwere, auf Oberflächen montierbare LLC-Gehäuseteil kann als 3- bis 3,6-Volt-Einheit während der Erfassung 67 mA verbrauchen, im Standby aber nur 73 uA.

Abbildung 3: Die Implementierung von GPS mithilfe eines seriellen Protokolls für ein dediziertes GPS-Modul ermöglicht eine platzsparende, kostengünstige Lösung, die nicht viel Entwicklungszeit erfordert. Einer Drohne kann einfach ihr Ziel mitgeteilt werden und sie findet ihren Weg dorthin autonom.

Radar

Eine leicht realisierbare Lösung wäre der Einsatz eines reduzierten, ultrakompakten Radars. HF-Techniken wären für diese Anwendung ideal geeignet, insbesondere bei sehr hohen Frequenzen, bei denen Antennen und Komponenten sehr klein ausgelegt sein können.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Automobilindustrie eine Vielzahl dieser Technologien mit Features wie dem Kollisionsvermeidungsradar und der Liftgate-Näherungserkennung bereits weit vorangetrieben hat. Und da Autos mehr als eine Seite haben, sind integrierte Mehrkanal-Radarlösungen und Front-Ends verfügbar.

Das AFE5401TRGCTQ1 von Texas Instruments ist beispielsweise ein monolithisches analoges 4-Kanal-Radar-Front-End mit integriertem rauscharmen Verstärker, Entzerrer, programmierbaren Verstärker, Antialiasing und A-D-Wandlern mit 12-Bit-Auflösung (Abbildung 4). Dieses 1,8-Volt-Bauteil ermöglicht die gleichzeitige Abtastung aller Kanäle, und seine Raten von 25 Msample/s mit einem 12-Bit CMOS-kompatiblen parallelen Bus gestatten die schnelle Übertragung der erfassten Daten an einen Host-Controller.

Abbildung 4: Monolithische Mehrkanal-Radargeräte wie dieser 4-Kanal-Empfänger wurden für die Automobilindustrie entwickelt. Sie sind aber auch ideal für das Testen und Entwickeln von Näherungs- und Kollisionsvermeidungssystemen für Drohnen geeignet.

Aufgrund der gestiegenen Popularität von kleinen und kompakten Radargeräten zur Kollisionsvermeidung sowie anderen Einsatzzwecken stehen einige gute Radar-Entwicklungskits (z. B. das AD8285CP-EBZ von Analog Devices) zum Kennenlernen und Testen dieser Technologie zur Verfügung.

Radar ist eine Technologie, die man im Auge behalten sollte, da sie für die Verwendung in Schnittstellengeräten zur Gestenerkennung immer weiter miniaturisiert wird. Eine gemeinsame Partnerschaft von Google und Infineon unter dem Namen Project Soli entwickelt diesen neuen, auf Radartechnologie basierenden Interaktionssensor. Durch Erkennen von Position und Bewegung der Finger in der Luft – bis zur Nutzung des Dopplereffekts zur Erkennung der Geschwindigkeit – verspricht diese Technologie eine umfassende Geräteinteraktion. Der Soli-Sensor kann Bewegungen der menschlichen Finger im Submillimeterbereich mit hoher Geschwindigkeit und Präzision erkennen. Er passt auf einen Chip, kann im großen Umfang produziert und selbst in kleinen tragbaren Geräten verwendet werden. Das Project Soli-Team plant die Veröffentlichung eines Entwicklungskits, mit dem Entwickler neue Interaktionen und Anwendungen entwerfen können.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktseiten auf der DigiKey-Website.