Verstehen der Kompromisse beim Drohnendesign vor der Ausstattung mit zu vielen Sensoren

Drohnen kommen in immer mehr Anwendungsbereichen zum Einsatz, auch als Hilfsmittel von Ersthelfern in Not- oder Katastrophensituationen. So wurden sie beispielsweise beim Brand der Kathedrale Notre-Dame in Paris verwendet, um sich einen ersten Überblick über die Größe, die Temperatur und das Ausmaß des Brands zu verschaffen. Außerdem wurden sie mit Wärmebildkameras ausgestattet, um nach sich eventuell noch im Gebäude befindenden Personen zu suchen. Später wurde mit ihrer Hilfe das Ausmaß der Schäden bewertet. Derartige Anwendungen sind mit großen Herausforderungen verbunden, da die Sicht durch Rauch und Flammen mit entsprechender Auflösung erfolgen muss.

Bei der Verlockung, diese Herausforderungen durch zusätzliche Drohnensensoren anzugehen, müssen sich die Entwickler stets darüber im Klaren sein, dass es sich bei Drohnen um batteriebetriebene und in vielen Fällen auch kostspielige Geräte handelt. Aus diesem Grund müssen sie einen gangbaren Mittelweg zwischen Funktionalität, Kosten, Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) finden. Diesen Mittelweg zu finden ist das primäre Ziel, wenn es darum geht, ein Drohnendesign um zusätzliche Sensoren und Bildgebungsausrüstung zu ergänzen.

Dieser Artikel behandelt die Kompromisse bezüglich der Architektur, die zu berücksichtigen sind, wenn Entwickler einer Drohne weitere Sensoren hinzufügen. Hierbei wird der Spannungsversorgung besondere Aufmerksamkeit geschenkt, da eventuell vohandene Magnete für zusätzliches Gewicht sorgen und wertvollen Platz belegen. Des Weiteren werden von Anbietern wie Texas Instruments, Efficient Power Conversion, Analog Devices, Bosch Sensortec, STMicroelectronics und SparkFun Electronics geeignete Spannungsversorgungen und Sensorlösungen eingeführt.

Designüberlegungen zur Architektur von Drohnen

Die Spannungsversorgung: Sobald sich der Entwickler darüber im Klaren ist, auf welche Schlüsselbereiche er sich für eine optimale Drohnenleistung konzentrieren muss, kann er nach Möglichkeiten zur Minimierung ihrer Größe und ihres Gewichts suchen. Er beginnt zunächst damit, eine Spannungsversorgung mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad zu finden. Damit werden die Größe und das Gewicht der Spannungsversorgung minimiert, wodurch die Drohne kleiner und leichter ausfällt.

Bei einer Spannungsversorgung mit höherem Wirkungsgrad können kleinere und leichtere Batterien eingesetzt werden. In der Regel wird als Drohnen-Batterie ein wiederaufladbarer Lithium-Akku in Li-Ionen- oder Li-Polymer-Ausführung eingesetzt. Das gilt insbesondere dann, wenn der Entwickler die Batterie nach dem Landen auf oder schwebend über einem drahtlosen Ladegerät – oder einfach mit einem externen Ladegerät – aufladen möchte. Auch eine standardmäßige, nicht wiederaufladbare Batterie kann von den Entwicklern verwendet werden. Diese Batterie wird dann einfach ausgewechselt, sobald sie leer ist.

Bei der Auswahl eines DC/DC-Wandlers müssen die Entwickler aufgrund der hohen Spannungsimpulse der rückwirkenden EMK von den Rotormotoren auf eine Komponente mit hohem Eingangsspannungsbereich zurückgreifen. Bei der Motorverzögerung tritt diese rückwirkende EMK am Eingang des DC/DC-Wandlers auf, da dieser auf die separate DC/DC-Wandlung folgt, mit der die Rotormotoren versorgt werden.

Der DC/DC-Leistungswandler-IC LM5161 von Texas Instruments ist als Spannungsversorgung für eine Drohne eine gute Wahl, da er bei Programmierung für den lückenden Betrieb (DCM, Discontinuous Conduction Mode) einen streng geregelten Buck-Ausgang ohne zusätzliche externe Ripple-Injection-Feedbackschaltung bereitstellt. Des Weiteren verfügt er über integrierte High-Side- und Low-Side-MOSFETs, die Platinenfläche sparen. Für mehr Zuverlässigkeit verfügt der LM5161 über Begrenzungsschaltungen für Spitzen- und Talstrom, die einen Schutz vor Überlastbedingungen bieten. Als zusätzliche Vorsichtsmaßnahme sorgt eine Unterspannungsabschaltung (UVLO, Undervoltage Lockout) für einen Grenzwert für die Eingangsspannung und eine Hysterese, die unabhängig voneinander einstellbar sind.

Auf einer Drohne befinden sich sehr wahrscheinlich zahlreiche Sensoren sowie ein IC zur Sensorfusion, der Hauptprozessor und die Propellermotoren. Diese Komponenten erfordern ein gutes Batteriesteuerungssystem.

Entwickler können für die gewählte Spannungsversorgungsarchitektur, in der üblicherweise ein Leistungstransistor zum Einsatz kommt, GaN-Leistungstransistoren (GaN: Galliumnitrid) verwenden. GaN bietet eine Optimierung der Leistungseffizienz bei minimaler Größe bzw. minimalem Footprint.

Drahtlose Versorgung – Aufladen im Schwebeflug [theoretische Diskussion]:^{1, 2, 3} Dies ist wünschenswert, da die Rotormotoren einer Drohne, die zum Aufladen landen und abgeschaltet werden muss, beim erneuten Starten und Abheben sehr viel Leistung von der Batterie aufnehmen. Efficient Power Conversion ist eines von vielen Unternehmen, die sich mit dem drahtlosen Laden im Schwebeflug befassen. Eine Option für die Spannungsversorgung wäre eine drahtlose Ladearchitektur auf der Basis eines GaN-FET, wie beispielsweise dem EPC2019 von Efficient Power Conversion.

GaN-basierte FETs ermöglichen Schaltvorgänge bei 13,56 Megahertz (MHz) – eine mit herkömmlichen Silizium-FETs schwer zu erreichende Schaltfrequenz. Durch diese hohe Schaltfrequenz werden außerdem die Größe und das Gewicht der Magnete der Spannungsversorgung minimiert. Außerdem sind GaN-Transistoren fünf- bis zehnmal kleiner als Siliziumkomponenten und dennoch für dieselben Leistungspegel geeignet. Mit einer solchen Spannungsversorgung müssen Drohnen nicht landen und können stattdessen über einer drahtlosen Ladestation schweben.

Die Entwickler werden feststellen, dass es eine Vielzahl an Evaluierungs-/Entwicklungskarten gibt, mit deren Hilfe die Markteinführungszeit durch eine drahtlose Versorgung beschleunigt werden kann. Der GaN-FET EPC2019 wird von Efficient Power Conversion mit der Entwicklungskarte EPC9513 für drahtlose Leistungsempfänger unterstützt, die im Inneren der Drohne zum Einsatz kommt. Diese Entwicklungskarte ist für die Entwickler von Bedeutung, da sie auf dem AirFuel-Standard basiert. Dieser Standard gewährleistet ein zertifiziertes drahtloses Design, das weltweit mit anderen Produkten zum drahtlosen Laden interoperabel ist. Vom Anbieter können die Entwickler die Gerber-Dateien für die Demo-Karte anfordern, um das Layout der Karte zu optimieren.

Solarenergie: Eine weitere Versorgungsoption ist die Verwendung von Solarenergie zum Laden der Drohnenbatterie. Hierfür stellt die Solarzelle PT15-75 von PowerFilm Inc. Eine gute Wahl dar.

Die PT15-75 kann zusammen mit einem Batterieladegerät-IC LT3652 von Analog Devices verwendet werden, um ein intelligentes und kompaktes Batterieladegerät zu implementieren (Abbildung 1). Denken Sie daran, dass es unter keinen Umständen zur Ausgabe einer Leerlaufspannung (Voc) kommen kann, wenn das Panel an eine Last angeschlossen wird und Strom liefert.

Abbildung 1: Mit diesem solarbetriebenen 2-A-Batterieladegerät, dem zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten einer Solarzelle (z. B. der PT15-75) bei maximalen Leistungspegeln ein Thermistor R_NTC hinzugefügt wurde, können die Entwickler eine zuverlässige Versorgung mit hohem Wirkungsgrad für eine Drohne entwickeln. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Regelschleife am Eingang des LT3652 verfügt außerdem über die Möglichkeit, den Betriebspunkt des Solarpanels mit maximaler Leistung zu finden, wodurch der Wirkungsgrad der Umwandlung der Sonnenenergie optimiert wird, um der Batterie die maximale Ausgangsleistung zuzuführen.

Sensoren: Sensoren erhöhen sowohl die Steuerbarkeit von Drohnen als auch ihren Nutzen. Hinsichtlich der Drohnensteuerung kann ein Sensor einen Nivelliermodus, einen Modus zum Halten einer konstanten Höhe oder einen Modus für eine Umlaufbahn zum Umkreisen eines interessanten Objekts oder Punkts ermöglichen. Alle diese zusätzlichen Funktionen setzen leistungsfähigere Trägheitsmesseinheiten (IMUs, Inertial Measurement Units) und barometrische Drucksensoren voraus, um eine optimale Benutzererfahrung sowie mehr Zuverlässigkeit für Spezial- oder kommerzielle Drohnen zu erzielen.

Eventuell müssen Entwickler die Leistungsfähigkeit der Drohne erhöhen, wofür unter Umständen ein Gyroskop mit einer extrem niedrigen Drift des Ausgangssignals erforderlich ist, um insbesondere bei wechselhaften Temperaturbedingungen die Ausrichtung, die Position und das Gleichgewicht der Drohne halten zu können. Erreichen lässt sich dies mit der IMU BMI160 von Bosch Sensortec, einer Kombination aus Beschleunigungsmesser und Gyroskop. Diese IMU ist klein, verbraucht wenig Strom und bietet eine Fusion von Sensordaten für neun Achsen. Sie misst 2,5 x 3,0 Millimeter (mm), ist 0,83 mm hoch und verbraucht lediglich 925 Mikroampere (µA), selbst bei voller Auslastung von Gyroskop und Beschleunigungsmesser. Es wird mit einer Spannung von 1,71 Volt bis 3,6 Volt betrieben.

Ergänzend zur BMI160 ermöglicht ein digitaler barometrischer Drucksensor inklusive Temperatursensor die Messung der vertikalen Geschwindigkeit und die Bestimmung der Flughöhe der Drohne. Außerdem verbessert er die GPS-Navigation. Barometer sollten gelegentlich auf Meeresspiegeldruck kalibriert werden, damit sie weiterhin exakt bleiben. Der barometrische Druck- und Temperatursensor BMP388 von Bosch Sensortec ist ein gutes Beispiel für einen IC, den Entwickler in ihre Architektur integrieren können. Bei einem geringen Platzbedarf von 2 x 2 mm², einer Höhe von 0,88 mm und einem niedrigen Stromverbrauch von lediglich 3,4 µA bei 1 Hertz (Hz) eignet sich dieses Sensormodul ausgezeichnet für den Batteriebetrieb. Die Komponente bietet eine typische relative Genauigkeit von +/-8 Pa mit einer typischen absoluten Genauigkeit von +/-50 Pa, wodurch der Schwebeflug der Drohne verbessert wird und sie Hindernissen besser ausweichen kann.

Zur Bewegungserkennung entlang mehrerer Achsen vereint das iNEMO IMU-SiP-Modul ISM330DLCTR einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop und ein Magnetometer in einem monolithischen Sechs-Achsen-IC. Mit einer solchen Konfiguration können die horizontale, die vertikale und die Rotationsstabilität einer Drohne im Schwebeflug beibehalten werden. Für Anwendungen wie die professionelle Drohnenfotografie und die 3D-Bildgebung ist eine Stabilisierung per 6-Achsen-Gyroskop nötig, die vom ISM330DLCTR bereitgestellt wird.

Das Gyroskop misst die Ausrichtung der Drohne und behält sie bei. Durch die Integration von drei Beschleunigungsmessern, von denen jeder entlang einer anderen Achse ausgerichtet wird, kann die Bewegung einer Drohne entlang jeder beliebigen Achse ermittelt werden. Auf diese Weise können Informationen zum Rollen, Nicken und Gieren der Drohne besser erfasst und an den PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler) der Drohne übermittelt werden.

Das Magnetometer misst Stärke und Richtung des Magnetfelds der Erde, um die Bewegungsbahn der Drohne zu korrigieren. Achten Sie darauf, das Magnetometer regelmäßig zu kalibrieren, da es durch die von Stromleitungen, Motoren und jeglichen anderen Elektrogeräten erzeugten starken Felder beeinträchtigt werden kann.

Drohnenbewegungen, die durch externe Kräfte, z. B. einen starken Windstoß, verursacht werden, werden vom Beschleunigungsmesser erkannt und an den PID-Regler übertragen, der diese Bewegung wiederum mithilfe der Motoren kompensiert.

Entfernungsmesser: Landen, Schwebeflug und Entfernung zu einem Objekt

Drohnen benötigen gute Sensoren, um sicher landen, beim drahtlosen Laden im Schwebeflug verweilen und Objekte erfassen zu können, um im Flug Kollisionen zu vermeiden. Diese Entfernungsbestimmung kann mithilfe von Schall oder Licht erfolgen.

Ultraschall-Entfernungsmesser: Ultraschallsensoren ermöglichen das Landen von Drohnen, den Schwebeflug und die Bodenverfolgung. Beim Landen muss eine Drohne den Abstand ihrer Unterseite zum beabsichtigten Landeplatz ermitteln. Obwohl diese Steuerungsfunktion ein GPS und ein Barometer umfasst, ist die exakte Entfernungsmessung für das sichere Landen entscheidend.

Ultraschallsensoren sind auch für den sicheren Schwebeflug und die Bodenverfolgung hilfreich, um die Drohne in einer vorgegebenen Höhe fliegen zu lassen. Ein solcher Entfernungssensor für die Landehilfe, den Schwebeflug und die Deckennäherungserkennung ist die Ultraschall-Time-of-Flight-Entfernungssensorkarte von MaxBotix mit dem Namen MB1010-000.

Laufzeitmessung (ToF, Time-of-Flight)

Für alle diese Fälle wird die ToF-Methode (Laufzeitmessung) benötigt. Hierunter versteht man die Zeit, die eine ausgesendete Ultraschallwelle benötigt, um ein Ziel zu erreichen, von diesem reflektiert und vom Sensor der Drohne erfasst zu werden (Abbildungen 2 und 3).

Abbildung 2: Entwickler müssen das Konzept von ToF beim Landen einer Drohne, im Schwebeflug oder beim drahtlosen Laden verstehen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Abbildung 3: Die drei Phasen der Ultraschall-ToF. Die ausgesendete Schallwelle (1), die Stille (2) und das empfangene Echo (3) für die exakte Entfernungsbestimmung in einem Drohnendesign. Mithilfe dieser Grafik sowie der Entwicklungskarte und der Sensoren, die in diesem Artikel behandelt wurden, können die Entwickler für Flugstabilität sorgen, Kollisionen vermeiden und ein optimales drahtloses Laden ermöglichen, wenn sie die in diesem Abschnitt vorgeschlagene Hardware implementieren. (Bildquelle: Texas Instruments)

Verwenden Sie diese Gleichung, um den Abstand der Drohne von einem Objekt zu berechnen:

Texas Instruments hat das Modul PGA460PSM-EVM zur Ultraschall-Näherungserfassung im Angebot, mit dem sich das Design beschleunigen lässt.

LiDAR-Entfernungserfassung: Eine weitere Methode zur Entfernungsmessung ist die Verwendung der optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung (LiDAR, Light Detection And Ranging) mithilfe gepulster Laser. Die über ToF-LiDAR-Systeme gewonnenen Informationen können verwendet werden, um ein dreidimensionales Bild zu erstellen. Die LiDAR-Technologie bietet hohe Genauigkeit und Auflösung sowie einen großen Abdeckungsbereich.

Entwickler können einen optischen Laser-Distanz-Sensor wie beispielsweise den SEN-14032 von SparkFun Elektronics auswählen, einen optischen Distanzsensor auf Laserbasis mit einer Reichweite von 40 m. Ein externer Mikrocontroller ist erforderlich, um eine I²C-Schnittstelle zum Sensor herzustellen.

Es gibt zwei primäre Architekturen, die für diese Art von LiDAR verwendet werden: Solid-State-LiDAR-Systeme und motorisierte rotierende LiDAR-Systeme mit einem Sichtfeld von 360°. Beide funktionieren nach demselben Prinzip, bei dem ein Laser einen Lichtstrahl aussendet. Beim Solid-State-System wird für den Scan ein Spiegel verwendet, während beim rotierenden System eine sich drehende Scheibe verwendet wird, die von einem Motor angetrieben wird.

Bei einer dritten Art von LiDAR-System, dem sogenannten Flash-LiDAR, werden viele kurze Impulse gleichzeitig ausgesendet. Die reflektierten Impulse werden von einem Kamerachip registriert, der daraufhin die ToF misst. Flash-LiDAR bietet eine sehr hohe Auflösung, ist jedoch auf Entfernungen von etwa 30 Metern (m) beschränkt.

Erfassen der Umgebung

Wärmebildkamera: Eine an einer Drohne befestigte Wärmebildkamera erkennt Wärmesignaturen bzw. Temperaturen von Objekten und Materialien und zeigt diese in Form von Bildern oder Videos an. Der Brand von Notre-Dame in Paris wurde mithilfe von Wärmebildkameras beobachtet und verfolgt. Diese Kameras sind in der Lage kleinste Wärmeunterschiede zu registrieren, die manchmal nur 0,01 °C betragen können.

Auch nach Katastrophen wie Erdbeben oder schweren Wirbelstürmen, die beschädigte oder eingestürzte Strukturen mit eingeschlossenen Personen hinterlassen können, kommen Drohnen mit Wärmebildkameras zum Einsatz (Abbildungen 4 und 5).

Abbildung 4: Dieses Bild zeigt ein eingestürztes Gebäude aus der Sicht einer Drohne, das als wichtiger erster Schritt mit einer konventionellen Kamera aufgenommen wurde. Im Anschluss daran könnte mithilfe einer Wärmebildkamera die Körperwärme von Personen erfasst werden, die eventuell unter den Trümmern verschüttet wurden. (Bildquelle: IEEE⁴)

Abbildung 5: Inzwischen verfügen Entwickler über die nötigen Tools, um Menschen aus Notfallsituationen retten zu können. Dieses Bild einer eingeschlossenen Person wurde während einer Brandschutzübung mit einer DJI-Drohne aufgenommen. (Bildquelle: Industrial Equipment News/Menlo Fire UAS/Drohnenprogramm, über AP)

Eine Kamera wie etwa die Mikro-Wärmebildkamera 500-0771-01 von FLIR Lepton ermöglicht Entwicklern den einfachen Einstieg in die Verwendung einer Drohne mit Wärmebildkamera. Die Kamera bietet einen Spektralbereich von 800 Nanometern (nm) bis 1400 nm, einen Dynamikbereich von 0 °C bis 120 °C sowie eine Nennleistungsaufnahme von 150 Milliwatt (mW) (im Betrieb), von 650 mW (beim Verschlussvorgang) und von 5 mW (auf Standby).

Feuchtigkeits-, Druck- und Temperaturerfassung: Zur Erfassung von atmosphärischen Bedingungen können Entwickler den BME280 von Bosch Sensortec verwenden, einen digitalen Feuchtigkeits-, Druck- und Temperatursensor mit einer SPI-Schnittstelle. Der Sensor ist hochintegriert, misst 2,5 mm x 2,5 mm x 0,93 mm und verbraucht im Ruhemodus gerade einmal 0,1 µA oder bis zu 3,6 µA bei der Erfassung aller drei Parameter.

Beschleunigung der Markteinführungszeit mit Multisensor-Entwicklungskits

Das DA14585IOTMSENSOR ist ein Multisensor-Entwicklungskit von Dialog Semiconductor, das Umweltsensoren von Bosch Sensortec sowie Bewegungssensoren von TDK Invensense verwendet. Dieses Kit ist für Entwickler deshalb von Bedeutung, weil es eine gute Plattform zum Experimentieren mit sowie zur Entwicklung von Möglichkeiten zur Sensorfusion bei Drohnen bietet und die Markteinführung beschleunigt.

Es verfügt über einen BME680, einen Gas-, Feuchtigkeits-, Druck- und Temperatursensor mit niedrigem Stromverbrauch, sowie einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop und ein Magnetometer. Mithilfe der Möglichkeiten zur Sensorfusion des DA14585IOTMSENSOR können Entwickler erkennen, wie diese Funktion sowohl zur Verbesserung der Sensorleistung als auch zur Verlängerung der Batterielebensdauer verwendet werden kann.

Fazit

Drohnen stellen dahingehend eine ungewöhnlich große Designherausforderung dar, dass sie eine hohe Funktionalität sowie lange Flugzeiten erfordern. Wie bei jedem anderen Design auch müssen die Hauptaufgaben bekannt sein, für die das Gerät verwendet werden soll, um einen Plan für eine optimale Architektur ausarbeiten zu können, die den Projektanforderungen gerecht wird.

Referenzen:

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