Sensores para sistemas de aviónica sin tripulación

Este artículo analiza los desafíos a la hora de desarrollar sistemas de sensores para vehículos aéreos no tripulados (UAV) desde la presión y la vibración a la detección de posición. El entorno de la aviación presenta diferentes desafíos desde la arquitectura del nodo del sensor a la administración de potencia y peso.

Una nueva generación de vehículos aéreos no tripulados (UAV) se está desarrollando para mejorar el monitoreo de muchos tipos de sistemas. Desde el seguimiento de incendios de arbustos en Australia hasta el control del tráfico en los EE. UU., estos UAV aprovechan al máximo esta última tecnología de sensores de distintas maneras. Por ejemplo, las cámaras infrarrojas pueden buscar personas perdidas a la noche y la espectroscopia láser se utiliza para monitorear la polución en el aire.

Al contar con sensores aéreos, se puede mejorar significativamente la calidad de los datos que se adquieren al brindar más flexibilidad para moverse alrededor y tiempos de respuesta más rápidos. Esto se complementa al pasar de aviones piloteados de manera remota a sistemas autónomos que necesitan sensores de navegación inerciales, que combinan acelerómetros y magnetómetros con sistemas GPS. Todo esto necesita que se centre más en la integración de los sistemas de sensores en una aplicación aérea que está totalmente limitada en potencia y peso.

Cambiar la arquitectura del sensor puede sacar por completo a los sensores de control, permitiendo una reducción importante del UAV. Esto ha dado lugar a una nueva clase de UAV ultra pequeños.

Mientras tanto, los investigadores están utilizando los UAV portátiles para desarrollar y probar los sistemas de sensores. Phastball-0 se desarrolló en la universidad West Virginia University (WVU) en los EE. UU. para estudios sobre congestión de tráfico, seguridad e impacto medioambiental. El UAV lanzado a mano tiene una envergadura de 96 pulgadas y un peso de despegue de 21 lb, incluyendo 7 lb de carga útil enfocada en la teledetección. La aeronave se pilotea de manera remota con un sistema de radio R/C de 9 canales y se alimenta con un par de turbinas eléctricas sin escobillas. El uso de un sistema de propulsión eléctrica simplifica las operaciones de vuelo y reduce las vibraciones en los sensores integrados.

El sistema de carga útil de teledetección incluye una cámara digital de alta resolución, un receptor GPS, un Sistema de navegación inercial de bajo costo, un buscador de rango láser descendente y con alcance de 400 yardas, un registrador de datos de vuelo, una cámara de video y un sistema inalámbrico de transmisión de video.

Los investigadores en Goethe University de Fráncfort Alemania, están utilizando un UAV para saltear el bache de datos entre las fotografías del satélite para controlar la erosión del suelo en Marruecos. Un UAV Sirius I con alas fijas desarrollado por MAVinci en Alemania está equipado con una cámara digital Panasonic y se realizan investigaciones en distintos lugares de estudio con diferentes extensiones y alturas de vuelo para ofrecer una resolución muy alta, datos específicos del lugar y una visión general de menor resolución. El procesamiento de imágenes junto con los datos GPA permite la creación de modelos de terreno digital (DTM) y mosaicos de imágenes con resolución muy alta para cuantificar la erosión en 2D y 3D. También facilita el análisis del área circundante y el desarrollo del terreno.

Si bien el estudio de caso hace que el UAV controle la situación externa, el avión en sí también se debe controlar. Los sensores internos son una parte vital del desarrollo de los sistemas UAV para garantizar que el avión esté funcionando de manera correcta y segura, y aquí se pueden utilizar sensores como indicadores de tensión para controlar la condición del cable de masa con la célula y evitar problemas en el vuelo. Estas se deben conectar a un convertidores de datos ADC y luego vincularse con un microcontrolador a través de una interfaz SPI. Estos datos se pueden almacenar para un análisis posterior, analizar en el avión o transmitirse a tierra para que se pueda controlar el rendimiento del UAV.

Como no hay intervención humana, la capacidad de recolectar y procesar datos sobre el UAV es vital y los límites de peso y tamaño lo convierten en un desafío clave para el diseñador.

La potencia disponible para los sensores y la red inalámbrica de sensores también está severamente limitada. El Green Falcon de 2.5 metros desarrollado en la universidad Queensland University of Technology en Australia está alimentado por veintiocho celdas solares monocristalinas. Esto genera 0.5 W para las cámaras y los sensores integrados para realizar un seguimiento de la progresión del incendio de arbustos.


Figura 1: El UAV Green Falcon de Australia genera solo 0.5 W de las celdas solares para alimentar a sus sensores.

Los UAV más grandes utilizan sus superficies más grandes para generar más potencia de las celdas solares, permitiendo utilizar más sistemas de sensores. El Solara 50, por ejemplo, tiene 15.5 metros (54 ft) de largo y puede soportar una carga útil de 32 kg (70 lb). El avión está alimentado por 3000 celdas solares ubicadas en el ala superior, el elevador y el estabilizador horizontal para ofrecer un máximo de 7 kW y almacena el exceso en baterías de ión de litio en el ala. Esto genera energía suficiente para que el UAV vuele durante cinco años a 65 mph y una altitud crucero de 20 km (65,000 pies) como una estación de monitoreo aéreo. Una versión más grande es la Solara 60 que tendrá 60 metros (197 pies) transversal y puede soportar hasta 100 kg (250 lb).


Figura 2: Los 7 kW de potencia generada por el Solara 50 permitirá alimentar a los sensores durante cinco años máximo.

Algunos de los sensores utilizados son parte integral para la operación del UAV y se utilizan giroscopios y acelerómetros para controlar la posición y la orientación del avión. El Solara 50 también tiene una variedad de sensores integrados en la carga útil con enlaces de radio de alta velocidad que transmiten datos de telemetría a la estación terrestre.

De la misma manera, el grupo de investigación de UAV en la University of Minnesota está utilizando el avión a control remoto para aficionados, como el Ultra Stick 120 para desarrollar una instalación pequeña de investigación de vuelo UAV, de código abierto y de bajo costo. El objetivo es apoyar las actividades de investigación del departamento, entre ellas algoritmos de control, navegación y guía; métodos integrados de detección de fallas y herramientas de identificación del sistema.

El grupo utiliza tres tamaños de la familia de aviones Ultra Stick: el 120, el 25e y el Mini, y tiene instalado una variedad de subsistemas de sensores. La unidad de medición inercial (IMU) utiliza el Analog Devices iSensor^® ADIS16405 mientras que el sistema GPS utiliza el chipset Sirf III.


Figura 3: El ADIS16405 de Analog Devices se utiliza como un sistema de medición inercial del UAV.

El equipo usó el ADC de zoom Semtech SX8724C que ofrece una resolución de hasta 16 bits como el ADC principal para interconectarse con los sensores de presión de Honeywell. Este sistema de adquisición de datos se basa en la tecnología ADC de zoom de bajo consumo y conecta directamente la mayoría de los tipos de sensores en miniatura con un microcontrolador de propósito general.

Con tres entradas diferenciales, puede adaptar varios sistemas de sensores. Las salidas digitales se utilizan para polarizar o reiniciar los elementos de detección. La cadena de adquisición es un multiplexor de entrada, tres amplificadores de ganancia programables y un convertidor A/D sobre muestreo. El voltaje de referencia se puede seleccionar en dos canales diferentes y dos amplificadores de compensación de offset permite un amplio rango de compensación de offset. La ganancia y el offset programables permiten utilizar el zoom para acercar en una porción pequeña del rango de entrada definida por el voltaje de referencia.

Un multiplexor de ocho entradas se utiliza para seleccionar entradas analógicas mientras que la entrada de referencia se selecciona entre dos canales diferenciales. No obstante, como el amplificador de entrada siempre funciona en un modo diferencial con entrada positiva y negativa seleccionada a través del multiplexor, solo siete canales de adquisición (incluyendo el VREF) están disponibles en la configuración de extremo único.

El núcleo de la sección de zoom está conformado por tres amplificadores programables diferenciales (PGA). Tras seleccionar una combinación de VIN y VREF de señales de entrada y de referencia, el voltaje de entrada se modula y amplifica a través de las etapas 1 a 3. La ganancia fina que programa hasta 1000 V/V coincide con la resolución del sensor. Las dos etapas finales ofrecen un offset programable y, si es necesario, cada amplificador se puede desviar. La salida de la cascada del PGA se alimenta directamente al convertidor analógico a digital (ADC), que convierte la señal en un stream digital para el microcontrolador. Estos datos se pueden almacenar o empaquetar y se transmiten de manera inalámbrica a la tierra.

El dispositivo ADIS16445 iSensor de Analog Devices es un sistema inercial completo que incluye un giroscopio triaxial, un acelerómetro y un magnetómetro. El sistema combina la tecnología micromaquinada iMEMS con el acondicionamiento de señal que optimiza el rendimiento dinámico. La tecnología CMOS se emplea para reducir el tamaño y el costo del consumo del sensor y de potencia. Cada sensor se calibra en fábrica para su sensibilidad, polarización, alineación y aceleración lineal para abordar la polarización del giroscopio. Como resultado, cada sensor tiene sus propias fórmulas de compensación dinámica que brindan mediciones precisas de −40 °C a +85 °C. Los magnetómetros tienen una función de autocorrección para ofrecer un rendimiento de polarización precisa sobre temperatura. Abordar las variaciones de temperatura que suceden en sensores utilizados en los UAV es un elemento esencial para garantizar que los datos recibidos son precisos y utilizables.


Figura 4: Diagrama de bloque de ADIS16405 iSensor de Analog Devices

El dispositivo ADIS16400 ofrece un método simple y rentable para integrar detección inercial multieje precisa en comparación con diseños discretos. El tiempo de integración del sistema se minimiza porque las pruebas y calibraciones de movimiento necesarias forman parte del proceso de producción en fábrica y en sistemas de navegación, la alineación ortogonal ligera simplifica el alineamiento del marco inercial. Una interfaz periférica serial (SPI) y la estructura de registro ofrece un control de configuración y recolección de datos más rápida y al usar un patillaje compatible y el mismo paquete que las familias ADIS1635x y ADIS1636x. La actualización a ADIS16400 requiere solo cambios de firmware para alojar sensores adicionales y registrar las actualizaciones del mapa.

Si bien ADIS16400 produce datos de manera independiente, también puede operar como dispositivos esclavos SPI que se comunican con los procesadores del sistema (maestro). El SPI opera en modo dúplex completo, por lo que el procesador maestro puede leer los datos de salida de DOUT mientras usa los mismos pulsos SCLK para transmitir la próxima dirección de objetivo en DIN.

Para mantener los mínimos requisitos de espacio, el módulo mide 23 mm × 23 mm × 23 mm con una interfaz de conector flexible para facilitar varias opciones de orientación de montaje.

Los aviones sin tripulación son especialmente útiles para penetrar en áreas que pueden ser demasiado peligrosas para aviones tripulados. Esto requiere un mayor número de sensores. La National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) en EE. UU. utiliza la UAV Aerosonde como un cazador de huracanes, ya que mide las velocidades del viento y las caídas de presión con sensores de presión absolutos. El UAV, construido por la AAI de Australia, ofrece datos prácticamente en tiempo real directamente al National Hurricane Center en Florida. Ofrece mediciones más cercanas a la superficie del agua que los sistemas anteriores además de lecturas de temperatura y presión barométrica estándar. El fabricante de UK UAV, UAVSI, también tiene una versión de su Sistema vigilante de 20 kg diseñado especialmente para investigación científica en varios climas como la Antártida.

La arquitectura de sensores es cada vez más importante porque el hecho de que los sensores estén en el UAV o en la tierra marcan una gran diferencia en el diseño. Si bien esto puede sonar extraño, la agencia de investigación estadounidense DARPA ha trabajado con desarrolladores de aplicaciones móviles con experiencia en el Sistema de sensores adaptables ADAPT. Esto es un marco de sensor flexible que se puede utilizar en varias situaciones, pero se centrará en los diseños de inteligencia, vigilancia y reconocimiento (ISR) utilizando una construcción personalizada del sistema operativo Android.

En la prueba de DARPA, un cuadricóptero simple utiliza el sensor ADAPT para realizar un seguimiento de manera automática de la distancia al suelo. El sensor de tierra sin atención (UGS), que se integra a un núcleo ADAPT, confía las instrucciones de vuelo al UAV y, por lo tanto, permite que el cóptero sea más pequeño. DARPA confía que el ADAPT puede implementar la tecnología en el área militar de manera más eficiente y rápida, pero los sensores pueden encontrar su camino en la electrónica de consumo en algún punto también, tal como el Crazyflie de Bitcraze. Este es un cuadricóptero de 9 cm x 9 cm que pesa solo 19 gramos y se ofrece en dos versiones diferenciadas por los sensores integrados. Este dispositivo puede volar un máximo de siete minutos y la batería de polímero de litio demora alrededor de 20 minutos para cargarse a través de una base USB estándar.


Figura 5: El pequeño cuadricóptero UAV Crazyflie en desarrollo.

Conclusión

Todos los tipos de sensores se están integrando en los UAV para el uso interno como externo, pero la fuente de alimentación y las limitaciones de peso aún limitan lo que se puede agregar a un sistema. Las cámaras de video y fotográficas digitales tradicionales e infrarrojas e incluso los sistemas espectroscópicos láser se utilizan en UAV para ofrecer un amplio rango de mediciones. No obstante, los sensores también se necesitan para controlar el UAV. Los sistemas sofisticados de seguimiento GPS y de medición inercial utilizados usan la última tecnología de silicio para reducir el consumo de energía y el peso. Los sensores micromaquinados ofrecen acelerómetros resistentes que se pueden utilizar efectivamente en sistemas UAV con un procesamiento de datos altamente integrados para reducir más el consumo de energía y el tamaño.

Al pensar en la arquitectura de sensores de diferentes maneras, los UAV pueden reducirse significativamente y usarse de maneras nuevas y diferentes.