Comprender los compromisos en el diseño de drones antes de acumular sensores

Los drones se utilizan cada vez más en diversas aplicaciones, incluso como parte del kit de herramientas de un rescatista en caso de una emergencia o desastre. Por ejemplo, durante el incendio de la Catedral de Notre-Dame en París, se usaron inicialmente para informar el tamaño, el calor y la extensión del fuego activo. También estaban equipados para registrar imágenes térmicas a fin de buscar personas que aún estuvieran dentro de la catedral. Posteriormente, fueron utilizados para evaluar el daño. Claramente, este tipo de aplicación presenta desafíos al tratar de visualizar a través de condiciones complejas, como el humo y las llamas del fuego, con una resolución adecuada.

A pesar de que pueda resultar muy atractivo agregar más sensores a un dron para enfrentar estos desafíos, los diseñadores deben tener en cuenta que los drones funcionan con baterías y que, en muchos casos, pueden verse afectados por los costos. Como resultado, los diseñadores deben realizar un acto de equilibrio delicado entre la funcionalidad, el costo, el tamaño, el peso y el consumo de energía (SWaP). Encontrar este equilibrio es el objetivo principal a considerar si se deben agregar sensores y equipos de imágenes a un diseño de dron.

Este artículo analiza los compromisos en la arquitectura que los diseñadores deben tener en cuenta al agregar sensores a un dron. Al hacerlo, se presta especial atención a la fuente de alimentación, que probablemente tendrá electroimanes que pueden ocasionar un exceso de peso y ocupar un espacio considerable. Además, los proveedores que introducen soluciones adecuadas de fuente de alimentación y sensores son Texas Instruments, Efficient Power Conversion, Analog Devices, Bosch Sensortec, STMicroelectronics y SparkFun Electronics.

Consideraciones del diseño arquitectónico de los drones

La fuente de alimentación: Una vez que el diseñador conoce las áreas clave en las que debe enfocarse para obtener un rendimiento óptimo del dron, puede buscar formas de minimizar el tamaño físico y el peso, al comenzar por crear una fuente de alimentación que sea lo más eficiente posible. Esto conducirá a minimizar el tamaño y peso general del suministro de energía y, por lo tanto, a un dron más pequeño y liviano.

Al funcionar con batería, un dron con mayor eficiencia de la fuente de alimentación puede operar con un tamaño y peso de batería más pequeños. Una opción típica para una batería de dron sería una batería de litio recargable, tipo Li-Ion o Li-Po, especialmente si el diseñador planea recargar la batería cuando aterriza, se desplaza con un cargador inalámbrico o simplemente al aterrizar con un cargador externo. Los diseñadores también pueden usar una batería estándar no recargable como fuente de alimentación y reemplazarla una vez que se descargue.

Al elegir un convertidor CC/CC, los diseñadores deberán utilizar un dispositivo de entrada amplio debido al pulso de alto voltaje del EMF posterior (BEMF) de los motores del rotor. Ante la desaceleración del motor, este BEMF aparecerá en la entrada del convertidor CC/CC, ya que viene después de la conversión CC/CC separada que alimenta los motores del rotor.

El circuito integrado (CI) convertidor de energía CC/CC LM5161 de Texas Instruments es una buena opción de suministro de energía para un dron debido a que, cuando está programado para funcionar en modo de conducción discontinua (DCM), proporciona una salida reductora firmemente regulada sin ningún circuito de inyección de ondulación de retroalimentación externa adicional. También tiene integrados MOSFET de lado alto y bajo que ahorran espacio en la placa. Para mayor confiabilidad, el LM5161 tiene circuitos de límite de corriente pico y valle que protegen contra condiciones de sobrecarga. Como característica de precaución adicional, el circuito de bloqueo por subtensión (UVLO) ofrece una entrada umbral e histéresis de bajo voltaje independientemente ajustable.

Lo más probable es que haya muchos sensores en la placa de un dron, junto con un CI de fusión de sensores asociado, el procesador principal y los motores de las hélices. Esto requiere un buen sistema de control de la batería.

Los diseñadores pueden optar por los transistores de potencia de nitruro de galio (GaN) en la arquitectura de la fuente de alimentación de su preferencia y que generalmente utiliza un transistor de potencia. El GaN ayudará con una eficiencia de rendimiento óptima con un tamaño reducido mínimo.

Energía inalámbrica: Recarga mientras se desplaza [discusión teórica]:^{1, 2, 3.} Esto es recomendable porque cuando un dron aterriza y se apaga para recargar y vuelve a desplazarse, el arranque y el despegue de los motores del rotor requieren gran cantidad de energía de la batería. Efficient Power Conversion es una de las muchas compañías que investigan sobre la carga inalámbrica mientras el dron se desplaza en el aire. Una opción para el suministro de energía podría ser una arquitectura de carga inalámbrica basada en un FET de GaN, como el EPC2019 de Efficient Power Conversion.

Los FET basados en GaN permiten una conmutación a 13.56 megahercios (MHz), que es una frecuencia de conmutación difícil de alcanzar con los FET de silicio regulares. Esta alta frecuencia de conmutación también minimizará el tamaño y el peso de los electroimanes de la fuente de alimentación. Además, los transistores de GaN son de cinco a diez veces más pequeños que los dispositivos de silicio y pueden manejar los mismos niveles de potencia. Con este tipo de suministro de energía, los drones no tienen que aterrizar; en cambio, pueden desplazarse con una base de carga inalámbrica.

Los diseñadores descubrirán que hay una gran cantidad de placas de evaluación/desarrollo para acelerar el tiempo de comercialización con energía inalámbrica. En el caso del FET de GaN EPC2019, Efficient Power Conversion lo respalda con la placa de desarrollo del receptor de energía inalámbrico EPC9513, que se utilizará dentro del dron. Esta placa de desarrollo es importante para los diseñadores porque se basa en el estándar AirFuel, que garantiza un diseño inalámbrico certificado interoperable con otros productos de carga inalámbrica a nivel mundial. Los diseñadores pueden solicitar al proveedor los archivos Gerber para que la placa de demostración vuelva a crear el diseño optimizado de la placa.

Energía solar: Otra opción de alimentación es la energía solar para cargar la batería del dron. Para este propósito, la celda solar PT15-75 de PowerFilm Inc. es una buena opción.

El PT15-75 se puede usar junto con el CI del cargador de batería LT3652 de Analog Devices para implementar un cargador de batería de diseño inteligente y compacto (Figura 1). Recuerde, realmente no hay ninguna situación en la que el voltaje de circuito abierto (Voc) sea la salida cuando el panel está conectado a una carga y proporciona corriente.

Figura 1: Los diseñadores pueden crear una potencia de dron confiable y eficiente con la adición de este cargador de batería de 2 A alimentado por energía solar donde se ha agregado el termistor R_NTC para compensar el coeficiente de temperatura de una celda solar (como el PT15-75) a niveles de energía máximos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El bucle de regulación de entrada LT3652 también tiene la capacidad de encontrar el punto de funcionamiento de máxima energía del panel solar, lo que optimiza la eficiencia de la conversión de la energía solar para suministrar la máxima energía de salida a la batería.

Sensores: Los sensores aumentarán la capacidad de control de los drones, así como su utilidad. Con respecto al control del dron, un sensor puede habilitar un modo de nivel automático, un modo de altitud constante o un modo de órbita para circular alrededor de un objeto o punto de interés específico. Todas estas características adicionales se basan en unidades de medición inercial (IMU) de mayor rendimiento y sensores de presión barométrica para lograr una óptima experiencia de usuario, así como una confiabilidad mejorada para drones comerciales o de propósito especial.

Es posible que los diseñadores necesiten aumentar el rendimiento del dron, lo que puede requerir un giroscopio con una deriva de señal de salida extremadamente baja para garantizar la orientación, la posición y el equilibrio del dron, especialmente en condiciones de temperatura variable. Esto se puede lograr utilizando un acelerómetro BMI160 de Bosch Sensortec y una combinación de giroscopio que viene como una pequeña IMU de baja potencia con fusión de datos de sensores de nueve ejes. Mide 2,5 x 3,0 milímetros (mm) con una altura de 0,83 mm y consume solo 925 microamperios (µA), incluso cuando el giroscopio y el acelerómetro están en modo de funcionamiento completo. Opera desde un suministro de 1,71 voltios a 3,6 voltios.

Para complementar al BMI160, el sensor de presión barométrica digital con sensor de temperatura ayudará a medir la velocidad vertical, mejorará la navegación GPS y determinará la altitud del dron. Se recomienda calibrar los barómetros ocasionalmente a presiones del nivel del mar para mantener la precisión. El sensor de presión barométrica y de temperatura BMP388 de Bosch Sensortec es un buen ejemplo de un CI que los diseñadores pueden integrar en su arquitectura. Con un espacio reducido de 2 x 2 mm² a 0,88 mm de alto y un bajo consumo de energía de solo 3,4 µA a 1 hertz (Hz), este módulo sensor es altamente adecuado para lograr el funcionamiento con batería. El dispositivo tiene una precisión relativa típica de +/-8 Pa con una precisión absoluta típica de +/-50 Pa que mejorará la capacidad de vuelo del dron, así como su capacidad para evitar obstáculos.

Para detectar movimiento a lo largo de múltiples ejes, el módulo del sistema en paquete (SiP) ISM330DLCTR iNEMO IMU de STMicroelectronics combina un acelerómetro y un giroscopio junto con un magnetómetro en un CI monolítico de seis ejes. Este tipo de configuración permite que el dron mantenga una estabilidad horizontal, vertical y rotacional mientras se desplaza. Para aplicaciones como la fotografía de drones de calidad profesional e imágenes en 3D, se necesita la estabilización giroscópica de seis ejes proporcionada por el ISM330DLCTR.

El giroscopio mide y mantiene la orientación del dron. Al integrar tres acelerómetros, cada uno de los cuales está orientado a lo largo de un eje diferente, se puede determinar el grado de movimiento de un dron a lo largo de cualquier eje. Esto permitirá una mejor recopilación de información acerca del balanceo, paso y giro del dron y luego devolverá esta información al controlador proporcional-integral-derivativo (PID) del dron.

El magnetómetro medirá la fuerza y la dirección del campo norte magnético de la Tierra para corregir su trayectoria. El magnetómetro se debe calibrar con frecuencia, debido a que las líneas eléctricas, los motores y cualquier otro campo fuerte emitido por dispositivos eléctricos pueden afectarlo.

El acelerómetro detectará cuando el movimiento del dron sea causado por fuerzas externas, como una fuerte ráfaga de viento, y lo transmitirá al controlador PID, que a su vez ajustará los motores para compensar.

Telémetros: Aterrizaje, desplazamiento y distancia de un objeto

Los drones deben tener buenos sensores para aterrizar de forma segura, para desplazarse cuando sean cargados de forma inalámbrica y para detectar objetos y evitar colisiones cuando estén en movimiento. Esta telemetría se puede realizar utilizando sonido o luz.

Detección ultrasónica del telémetro: Las capacidades de aterrizaje, desplazamiento y seguimiento en tierra del dron se pueden proporcionar mediante sensores ultrasónicos. Cuando un dron está en el proceso de aterrizaje, necesita detectar la distancia desde la parte inferior del dron hasta el área en la que está aterrizando. Aunque el GPS y el barómetro son parte de esta función de control, hacer una detección precisa de la distancia es la clave para un aterrizaje seguro.

Los sensores ultrasónicos también pueden ayudar para un desplazamiento y seguimiento en tierra seguros, lo que puede requerir que el dron vuele a una altura fija. Uno de esos sensores de distancia para asistencia de aterrizaje, desplazamiento y detección de techo es la placa del sensor de telemetría del tiempo de vuelo (ToF) ultrasónico MB1010-000 de MaxBotix.

Comprensión del ToF

Todos estos casos necesitan usar el método ToF, que es el tiempo que tarda una onda ultrasónica emitida en alcanzar un objetivo más el tiempo en el que la señal reflejada viaja de regreso al sensor del dron (Figuras 2 y 3).

Figura 2: Los diseñadores deberán comprender los conceptos del ToF durante un aterrizaje, desplazamiento o carga inalámbrica de un dron. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Figura 3: Las tres fases del ToF ultrasónico. Sonido inicial transmitido (1), silencio (2) y eco recibido (3) para localizar el rango exacto en sus diseños de drones. La comprensión de este gráfico, junto con la placa de evaluación y los sensores discutidos en este artículo, pueden ayudar a los diseñadores a cumplir con los objetivos de estabilidad de vuelo, prevención de colisiones y carga inalámbrica óptimas al implementar las sugerencias de hardware de esta sección. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Para calcular la distancia que hay entre el dron y cualquier objeto, use la siguiente ecuación:

Texas Instruments ofrece el módulo de evaluación de detección de proximidad ultrasónica PGA460PSM-EVM que acortará el tiempo de diseño.

Detección de rango LiDAR: Otro medio de detección de distancia es el uso de detección de luz y telemetría (LiDAR) con láser pulsado. Para crear una imagen tridimensional, se puede usar la información obtenida de los sistemas LiDAR del ToF. La tecnología LiDAR permite alta precisión y resolución, así como una gran área de cobertura.

Los diseñadores pueden seleccionar un sensor de telemetría óptico de distancia láser como el SEN-14032 de SparkFun Electronics, un sensor de telemetría óptico de distancia láser con un alcance de 40 m. Se necesitará un microcontrolador externo para interactuar con el sensor a través de I²C.

Dos tipos principales de arquitecturas se utilizan para este tipo de LiDAR: un LiDAR de estado sólido y un LiDAR giratorio motorizado con 360˚ de campo de visión. Ambos usan el mismo principio, con un láser que envía un haz de luz. En el caso de estado sólido, se usa un espejo para escanear, mientras que la arquitectura del disco giratorio de escaneo usa un disco giratorio, accionado por un motor.

Un tercer tipo de LiDAR conocido como LiDAR flash, destella muchos pulsos cortos al mismo tiempo, usa un chip de cámara para recibir los reflejos de los pulsos y, posteriormente, mide el ToF. El LiDAR flash tiene una resolución muy alta, pero está limitado a unos 30 metros (m).

Detección del entorno

Cámara termográfica: Una cámara termográfica de un dron detectará las firmas de calor/temperatura de los objetos y materiales y las mostrará como imágenes fijas o videos. El incendio de Notre-Dame en París fue observado y rastreado usando cámaras termográficas. Estas cámaras pueden detectar pequeñas diferencias de calor, a veces tan pequeñas como de 0,01 ˚C.

Otra área importante para el uso de imágenes térmicas de drones es la recuperación ante desastres, como, por ejemplo, después de un terremoto o huracán de gran intensidad, que puede dejar estructuras dañadas o colapsadas con personas atrapadas adentro (Figuras 4 y 5).

Figura 4: La vista del dron de un edificio derrumbado es un primer paso importante que un dron daría con una cámara convencional. Luego, con el uso de una cámara termográfica, podría detectar el calor corporal de las personas atrapadas entre los escombros. (Fuente de la imagen: IEEE⁴)

Figura 5: Los diseñadores ahora tienen las herramientas para localizar y salvar vidas en situaciones de desastre. Esta imagen de una persona atrapada fue tomada usando un dron DJI durante un simulacro de bomberos. (Fuente de la imagen: Industrial Equipment News/Menlo Fire UAS/Programa de drones, vía AP)

Una buena manera para que los diseñadores comiencen a usar imágenes térmicas en un dron es usar un producto como la 500-0771-01, una micro cámara térmica de FLIR Lepton. La cámara tiene un rango espectral de 800 nanómetros (nm) a 1400 nm, un rango dinámico de escena de 0 a 120 ˚C y un consumo de energía nominal de 150 milivatios (mW) (en funcionamiento), 650 mW (durante un evento de obturación) y 5 mW (en espera).

Detección de humedad, presión y temperatura: Para ayudar a determinar las condiciones atmosféricas, los diseñadores pueden utilizar el BME280 de Bosch Sensortec, un sensor digital de humedad, presión y temperatura con una interfaz SPI. Está altamente integrado, mide 2,5 mm x 2,5 mm x 0,93 mm y consume tan solo 0,1 µA en modo de reposo o hasta 3,6 µA cuando está detectando los tres parámetros.

Acelere el tiempo de comercialización con kits de desarrollo de multisensores

El DA14585IOTMSENSOR es un kit de desarrollo de multisensores de Dialog Semiconductor que utiliza sensores ambientales de Bosch Sensortec y sensores de movimiento de TDK Invensense. Este kit es importante para los diseñadores porque es una buena plataforma para experimentar y desarrollar capacidades de fusión de sensores de detección de drones y acelerar el tiempo de comercialización.

Tiene un sensor de gas, humedad, presión y temperatura de baja energía BME680 , así como un acelerómetro, giroscopio y magnetómetro. Las capacidades de fusión de sensores del DA14585IOTMSENSOR permiten a los diseñadores ver cómo se puede usar esta función para obtener un mejor rendimiento general de detección y, al mismo tiempo, extender la vida útil de la batería del dron.

Conclusión

Los drones presentan un desafío de diseño inusualmente difícil por requerir una alta funcionalidad y largos tiempos de vuelo. Al igual que con cualquier diseño, para desarrollar un plan que garantice una arquitectura óptima que cumpla con los requisitos del proyecto, se deben conocer las principales tareas que deberá realizar el dispositivo.

Referencias:

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