Solutions anti-collision basées sur capteurs pour flottes de drones

Les drones ou « systèmes d'aéronefs sans pilote » sont des outils technologiques de plus en plus répandus, que les particuliers ou les entreprises peuvent acheter et utiliser assez librement (mais cela ne signifie pas qu'il est possible de les faire voler n'importe où ou pour n'importe quel usage). Les systèmes plus modernes sont équipés d'une nacelle permettant d'effectuer des opérations de charges utiles interchangeables, et ils acceptent une grande variété de capteurs, de projecteurs et de liaisons vidéo.

Les collisions en vol sont rares pour les drones pilotés individuellement. Mais à mesure que les opérations aléatoires et non synchronisées de la flotte augmentent, les risques augmentent. Toutefois, grâce à l'utilisation de schémas de programmation et de commande intelligents, plusieurs drones peuvent travailler ensemble pour déplacer des charges utiles, larguer un agent ignifugeant, aider aux opérations de sauvetage ou faire de la surveillance. Dans ces cas-là, il est important de mettre en place des technologies anti-collision autonomes locales et une commande à distance précise.

Cet article étudie les solutions pour la détection localisée de corps étrangers à proximité des drones. Ces systèmes de capteurs peuvent intégrer une couche sécurisée de protection anti-collision embarquée dans le processeur local, ce qui permet au drone de passer en mode autonome en cas de problème de communication. Tous les composants, fiches techniques et systèmes de développement mentionnés ici sont disponibles sur le site Web de DigiKey.

Technologies de proximité

Plusieurs techniques sans aucune communication avec le concentrateur central ou avec les drones adjacents peuvent être utilisées pour détecter d'autres drones ou objets à proximité des drones. La détection optique est l'une de ces techniques.

Les émetteurs optiques infrarouges peuvent émettre des impulsions ayant une fréquence, un rapport cyclique et une forme uniques que les détecteurs optiques (basés sur des photodiodes et des phototransistors) peuvent utiliser pour extraire des signaux. Ces signaux sont envoyés vers un contrôleur embarqué pouvant rechercher un signal réfléchi (sa propre fréquence) ou d'autres signaux de fréquence. La forme de la compression d'impulsions de la fréquence peut même coder un numéro d'identification permettant aux drones d'identifier leurs voisins.

Comme les émetteurs et les détecteurs sont petits et légers, il est tout à fait possible de les utiliser pour délimiter le périmètre d'un drone. Cette approche est similaire aux rideaux de lumière utilisés dans la plupart des ascenseurs pour empêcher la porte de se refermer. Cependant, les rideaux de lumière détectent les intrusions dans un plan bidimensionnel alors qu'un drone a besoin d'informations tridimensionnelles. Savoir qu'un objet est proche ne suffit pas. Il faut également savoir à quelle distance il se trouve.

Même si elle est économique, compacte et consomme peu (consommation relativement basse mais les émetteurs peuvent consommer un peu d'énergie), cette technique de capteur dépend de la réflectivité des drones eux-mêmes. Si les drones sont en noir mat et furtifs, cette technique peut s'avérer inefficace. Des réflecteurs peuvent être placés autour du périmètre à intervalles réguliers. Il est également important de signaler que des réflecteurs de forme différente peuvent être nécessaires au-dessus et en dessous.

Cette technique pose un autre problème, en particulier si le drone doit être utilisé en tant que drone militaire espion : les émetteurs peuvent se transformer en radiophares pour les armes antidrones. Cela peut alors permettre aux ennemis de créer des projectiles autonomes et peu coûteux pour se débarrasser des drones. Les réflecteurs permettent également aux émetteurs prospectifs de désigner une cible ayant une forme de réflexion bien définie.

Néanmoins, pour la plupart des applications civiles, de bonnes solutions de réflecteurs optiques, comme le SI1102-A-GMR économique et compact de Silicon Labs, fonctionnent assez bien. Dans ce cas, l'émetteur et le récepteur optiques combinés, non métalliques à montage en surface (Figure 1) peuvent détecter des signaux réfléchis à 50 cm de distance, mais consomment 400 mA entre 2,2 V et 5,25 V. Vous pouvez utiliser la carte d'évaluation SI1102EK de la société pour tester cette solution et d'autres solutions de la gamme QuickSense de Silicon Labs. Un module de formation est également disponible sur le site Web de DigiKey.

Figure 1 : Les émetteurs et les récepteurs optiques compacts à montage en surface s'intègrent parfaitement aux boîtiers monolithiques qui fournissent des solutions de détection de proximité.

Sons

Les techniques sonores, notamment ultrasoniques, peuvent servir à mesurer la proximité et la distance, et de nombreux transducteurs ultrasoniques sont déjà disponibles à cet effet. La sélection et le réglage des fréquences de fonctionnement peuvent réduire les interférences de chaque unité adjacente grâce à une filtration élaborée. Comme avec les techniques optiques, si une modulation de largeur d'impulsion ou une plage de fréquences agiles suffisante est disponible, les identifiants peuvent être codés dans la forme de compression d'impulsions.

Des solutions existent sous la forme de transducteurs discrets, comme le MA40S4R de Murata, ou sous la forme d'unités de mesure de distance intégrées, comme le SCN-1530SC de Honeywell. Les signaux soniques se dispersent plus rapidement à mesure que la distance augmente. Cette technique est donc beaucoup plus localisée et peut être plus difficile à détecter à plus grandes distances (par exemple, pour les applications militaires visant à protéger les drones contre les attaques autonomes). Les bruits de fond, particulièrement fréquents sur un champ de bataille, peuvent interférer avec la capacité d'un micro intégré à extraire des signaux fiables en continu. De même, le bruit du moteur (acoustique ou électrique) peut affecter la capacité d'un processeur à extraire un signal fiable en continu.

Tout comme les technologies de proximité optique, la télémétrie sonique peut être testée à l'aide de systèmes de développement et de cartes d'évaluation. Par exemple, Analog Devices propose le kit de développement de capteur EVAL-CN0343-EB1Z spécialement conçu pour la mesure de distance sonique. Maxim propose également le kit d'évaluation de mesure de distance ultrasonique MAXQ7667EVKIT-1# basé sur ses processeurs embarqués (Figure 2).

Figure 2 : Les transducteurs ultrasoniques peuvent être grands, mais ils sont en général légers et servent à détecter en toute fiabilité la proximité et la distance. Grâce aux kits d'évaluation, vous pouvez, à moindre coût et sans prendre trop de risques, tester une technologie spécifique avant de l'utiliser.

Solutions GPS

Bien que l'utilisation de dispositifs magnétiques et à effet Hall soit possible pour les opérations rapprochées, elle n'est généralement pas envisageable pour la détection couvrant une distance plus grande. Le recours à des bobines de cuivre rend cette solution coûteuse et volumineuse. Les bobines peuvent également consommer beaucoup d'énergie pour envoyer des signaux sur de longues distances.

Alors que la vidéo peut être utilisée ici, le traitement requis pour analyser les contours et reconnaître les objets localisés en temps réel peut être un obstacle. De plus, même si les données d'amélioration des contours extraites peuvent donner un aperçu, elles sont plutôt inutiles lorsqu'il s'agit de mesurer la distance facilement et avec précision. La même image peut apparaître pour un petit objet proche ou un grand objet éloigné.

Une solution consiste à utiliser des récepteurs GPS sur chaque drone et à avoir un réseau maillé autogéré pour permettre à chaque drone de garder une distance contrôlable par rapport aux autres drones. Disponibles sous forme de puces ou de modules, les unités GPS peuvent être correctement déterminées, et plusieurs solutions compatibles à l'échelle internationale prennent en charge les normes GPS, GLONASS et GNSS. De plus, de nombreux fabricants d'antennes GPS haut de gamme permettent d'optimiser le positionnement des antennes sur le drone et autour de celui-ci pour bénéficier d'une acquisition fiable des signaux. Comme les systèmes GPS fonctionnent uniquement en tant que récepteurs, ils ne transmettent aucune information qui pourrait guider les missiles et les chasseurs de drones.

Grâce au contrôle série IIC, SPI ou UART et à l'accès aux données, la solution GPS constitue un choix idéal pour une intégration transparente avec un microcontrôleur embarqué. Prenons l'exemple du module SL869GNS115T001 polyvalent de Telit Wireless Solutions pour les normes GPS, GLONASS et GNSS (Figure 3). En tant que composant conditionné LLC à montage en surface, 24 broches et 1,8 g, l'unité de 3 V à 3,6 V peut consommer jusqu'à 67 mA lors de l'acquisition, mais seulement 73 μA en veille.

Figure 3 : L'implémentation GPS à l'aide d'un protocole série sur un module GPS dédié offre une solution compacte et économique, conçue en peu de temps. Il suffit d'indiquer à un drone où se rendre, et il ira de manière autonome.

Radar

L'utilisation d'un radar ultracompact et simplifié constitue une autre solution tout à fait envisageable. Les techniques RF peuvent être parfaitement adaptées à cette application, en particulier à de très hautes fréquences, lorsque les antennes et les composants sont miniaturisés.

Rappelons également que l'industrie automobile a en grande partie fait évoluer cette technologie grâce à des fonctionnalités comme le radar anti-collision et la détection de proximité du hayon. Les voitures ayant plusieurs côtés, des circuits d'entrée et des solutions de radars à plusieurs canaux intégrés sont disponibles.

Par exemple, l'AFE5401TRGCTQ1 de Texas Instruments est un circuit d'entrée radar analogique à quatre canaux monolithique, avec un amplificateur à faible bruit, un égaliseur, un amplificateur à gain programmable, un dispositif antirepliement et des convertisseurs analogique/numérique avec une résolution de 12 bits (Figure 4). Grâce à ce composant de 1,8 V, vous pouvez effectuer un échantillonnage simultané sur tous les canaux, tandis que son taux de 25 Méch/s avec un bus parallèle compatible CMOS 12 bits permet de transférer rapidement les données d'acquisition à un contrôleur hôte.

Figure 4 : Les dispositifs radar monolithiques à plusieurs canaux comme ce récepteur à quatre canaux ont été développés pour l'industrie automobile, mais ils conviennent parfaitement pour le test et le développement de systèmes de détection de proximité et anti-collision pour les drones.

En raison de la popularité croissante des radars compacts pour éviter les collisions et pour d'autres applications, il existe déjà quelques kits de développement de radars (comme le système AD8285CP-EBZ d'Analog Devices) pour tester et évaluer cette technologie.

La technologie radar est à surveiller, car elle est en cours de miniaturisation pour être utilisée en tant que dispositif d'interface de reconnaissance de mouvements. Le partenariat entre Google et Infineon, appelé Projet Soli, développe ce nouveau capteur d'interaction en utilisant la technologie radar. En détectant la position et le mouvement de vos doigts dans l'espace, comme l'effet Doppler pour détecter la vitesse, la technologie promet une interaction riche avec l'appareil. Le capteur Soli peut suivre le mouvement submillimétrique des doigts humains avec une grande rapidité et une grande précision. Il s'intègre sur une puce, peut être produit à grande échelle et peut être utilisé dans de petits dispositifs corporels. L'équipe du Projet Soli prévoit de lancer un kit de développement qui permettra aux développeurs de créer de nouvelles interactions et applications.

Pour plus d'informations sur les composants abordés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages des produits sur le site Web de DigiKey.