드론 편대용 센서 기반 충돌 방지 솔루션

공식적으로 '무인 항공 시스템'으로 알려져 있는 드론은 개인이나 기업이 비교적 자유롭게 구입하고 작동할 수 있는 기술로 빠르게 자리 잡고 있습니다(용도나 위치에 관계없이 비행할 수 있다는 의미는 아님). 최신 시스템의 경우 교환 가능한 페이로드 작동을 가능하게 하는 POD 마운트를 갖추고 있으며, 다양한 센서, 조명 장치, 비디오 링크를 사용할 수 있습니다.

개별적으로 조정되는 드론은 공중에서 충돌할 경우가 거의 없지만 동기화되지 않은 임의의 편대 기동이 증가하면 충돌 가능성도 높아집니다. 그러나 우수한 프로그래밍 및 제어 체계 사용을 통해 여러 장치를 연동하여 페이로드를 이동시키거나 난연제를 투하하고, 구조 활동을 지원하거나 감시를 수행할 수 있습니다. 이런 경우, 정밀한 원격 제어 및 로컬 자율 충돌 방지 기술을 모두 사용해야 합니다.

이 기사에서는 드론에 근접한 외부 물체의 국지적 감지를 위한 솔루션에 대해 살펴봅니다. 이러한 센서 시스템은 로컬 프로세서 내에 안전한 충돌 방지 보호 계층을 내장할 수 있으므로 본선 통신이 중단될 경우 드론이 자율 모드로 전환될 수 있습니다. 여기에 언급된 모든 부품, 규격서, 개발 시스템은 DigiKey 웹 사이트에서 확인할 수 있습니다.

근접 기술

중앙 허브와의 통신 또는 인접 드론 간의 통신 없이 드론에 근접한 다른 드론이나 물체를 감지하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 기술이 있습니다. 광학 감지는 이러한 기술 중 하나입니다.

IR 광학 방출기는 광학 검출기(광 다이오드 및 광 트랜지스터 기반)가 신호를 추출하는 데 사용할 수 있는 고유한 주파수, 듀티 사이클, 패턴을 방출합니다. 이러한 신호는 반사 신호(자체 주파수) 또는 기타 주파수 신호를 찾을 수 있는 내장형 컨트롤러에 공급됩니다. 또한 주파수 처프 패턴이 ID 번호를 인코딩하므로 드론이 인접한 다른 드론을 인지할 수 있습니다.

방출기와 감지기는 드론 둘레에 장착하더라도 무리가 없을 정도로 작고 가볍습니다. 이는 흔히 엘리베이터에서 문을 닫지 않아야 할 상황을 감지하는 광 커튼에 사용되는 방식과 유사합니다. 그러나 광 커튼은 2차원 평면에 대한 진입을 감지하며, 여기에서는 3차원 정보가 필요합니다. 무언가가 근접해 있다는 것을 아는 것만으로는 부족합니다. 떨어져 있는 거리도 알아야 합니다.

이 센서 기술은 비용과 전력이 낮고(전력이 상대적으로 낮음, 방출기는 전류를 어느 정도 소모할 수 있음) 크기도 작지만 드론 자체의 반사도에 의존합니다. 평범한 검은색의 스텔시 설계인 경우 이 기술은 충분한 효과를 발휘하지 못할 수 있습니다. 이런 경우 드론의 둘레에 일정한 간격으로 반사체를 배치할 수 있습니다. 또한 상단과 하단에 다른 패턴의 반사체가 필요할 수 있습니다.

특히 기밀성이 요구되는 군사 분야에 사용될 경우, 이 기술의 또 다른 문제는 방출기가 안티드론 무기에 대한 위치 추적기(호밍 비컨) 역할을 할 수 있다는 점입니다. 이로 인해 적이 드론을 공격할 수 있는 저가의 자체 유도 발사체를 만들 수 있습니다. 또한 반사체로 인해 전방을 향하는 방출기가 대상물에 명확히 정의된 반사 패널을 그릴 수 있습니다.

하지만, 대부분의 민간 응용 제품에는 저가의 소형 Silicon Labs SI1102-A-GMR와 같은 우수한 광학 반사체 솔루션이 잘 작동합니다. 이 경우, 표면 실장 비금속 결합식 광학 송신기와 수신기(그림 1)가 20" 거리의 반사 신호를 감지할 수 있지만 2.2V ~ 5.25V에서 400mA를 소비합니다. 이 회사의 SI1102EK 평가 기판을 사용하여 이 제품과 다른 Silicon Labs QuickSense 제품군의 제품을 테스트할 수 있으며, DigiKey 웹 사이트에서 제품 교육 모듈이 제공됩니다.

그림 1: 근접 감지 솔루션을 제공하는 모놀리식 패키지에 긴밀하게 통합된 소형 표면 실장 광학 송신기 및 수신기.

사운드 오프

사운드 기반 기술, 특히 초음파 기술을 사용하여 접근도 및 거리를 측정할 수 있으며 이러한 용도를 위한 초음파 트랜스듀서가 많이 출시되어 있습니다. 작동 주파수를 선택하고 조정하여 여러 인접 장치를 각각 작동할 수 있으며 엄격한 필터 사용을 통해 간섭을 줄일 수 있습니다. 광학 기술과 마찬가지로 펄스 폭 변조 또는 충분한 가변 주파수 범위를 사용할 수 있으면 첩 패턴에 ID를 인코딩할 수 있습니다.

솔루션은 Murata MA40S4R와 같은 개별 트랜스듀서 형태 또는 Honeywell SCN-1530SC와 같은 통합형 거리 측정 장치의 형태로 제공됩니다. 음파 신호는 거리가 늘어날수록 더 빠르게 분산되므로 이 기술은 더욱 국소적이며, 장거리에서의 감지(예: 자체 유도 공격으로부터 드론을 보호하는 군사 용도)가 어려울 수 있습니다. 특히 전투 상황에서 흔히 있을 수 있는 배경 잡음으로 인해 내장된 마이크로가 안정적인 신호를 연속적으로 추출하기 어려울 수 있습니다. 또한 모터 잡음(가청 또는 전기적 잡음)도 프로세서가 안정적인 신호를 연속적으로 추출하는 데 영향을 미칠 수 있습니다.

광학 근접 기술과 마찬가지로 음파 범위 탐지에서도, 이 기술을 빠르게 테스트할 수 있도록 개발 시스템 및 평가 기판이 제공됩니다. 예를 들어, Analog Devices는 특히 음파 거리 측정을 위한 EVAL-CN0343-EB1Z 센서 개발 키트를 제공합니다.Maxim도 내장형 프로세서를 기반으로 하는 MAXQ7667EVKIT-1# 초음파 거리 측정 평가 키트를 제공합니다(그림 2).

그림 2: 초음파 트랜스듀서는 크기가 클 수 있지만 일반적으로 무게가 가벼우며 접근도 및 거리를 측정하는 데 안정적으로 사용되어 왔습니다. 평가 키트를 사용하면 특정 기술을 채택하기 전에 비용과 위험을 최소화하면서 테스트하고 학습해 볼 수 있습니다.

GPS 솔루션

매우 가까운 거리라면 자기 및 홀 효과 장치의 사용이 가능하지만 일반적으로 장거리 감지에는 적합하지 않습니다. 이 솔루션은 구리 코일이 필요하므로 크기가 크고 가격이 높습니다. 또한 코일로 장거리에 신호를 전송하기 위해 많은 전력을 소비할 수 있습니다.

비디오를 활용할 수도 있지만 가장자리를 추출하고 국지적 물체를 실시간으로 파악하는 데 필요한 처리 과정이 방해가 될 수 있습니다. 또한 추출된 가장자리 향상 정보는 윤곽 파악에 도움이 될 수 있지만 거리를 쉽고 정확하게 포착하려고 할 때는 적합하지 않을 수 있습니다. 같은 이미지라도 작은 물체는 가깝게 또는 큰 물체는 멀리 보일 수 있습니다.

하나의 가능한 솔루션은 각 드론에 GPS 수신기를 장착하고 자체 구성되는 메시 네트워크를 사용하여 각각의 인접 드론이 서로 적절한 거리를 유지하도록 하는 것입니다. 칩 또는 모듈 형태로 제공되는 GPS 장치는 이 문제를 효율적으로 해결할 수 있으며 여러 국제 호환 솔루션이 GPS, GLONASS, GNSS 표준을 지원합니다. 게다가, 많은 우수한 GPS 안테나 제조사가 안정적인 신호 획득을 위해 드론에 또는 드론 주변에 대한 최적의 배치를 지원합니다. 또한 GPS 시스템은 수신만 하기 때문에 미사일 및 드론 공격체를 유도할만한 송신기가 없습니다.

단순한 UART, SPI 또는 IIC 직렬 제어 및 데이터 액세스로 인해 내장형 마이크로컨트롤러와의 완벽한 통합에도 적합합니다. GPS, GLONASS, GNSS 표준을 위한 범용 Telit Wireless Solutions SL869GNS115T001 모듈을 예로 들 수 있습니다(그림 3). 24핀, 1.8g 표면 실장 LLC 패키지 부품인 이 3V ~ 3.6V 장치는 획득 동안 최대 67mA를 소비할 수 있지만 대기 중에는 73uA만 소비합니다.

그림 3: 전용 GPS 모듈에 대한 직렬 프로토콜을 사용하는 GPS의 구현은 설계 시간이 오래 걸리지 않는 소형 저가형 솔루션을 제공합니다. 드론에 목표를 지정하기만 하면 자율적으로 해당 위치로 이동할 수 있습니다.

레이더

축소된 초소형 레이더를 사용하는 방식은 실현 가능성이 매우 높은 솔루션일 수 있습니다. 특히 안테나와 부품을 매우 작은 크기로 축소할 수 있는 매우 높은 주파수에서 RF 기술은 이 응용 분야에 이상적일 수 있습니다.

다른 장점으로는 자동차 업계에서 충돌 회피 레이더와 리프트 게이트 근접도 감지와 같은 기능을 통해 이 기술을 크게 발전시켰으며, 차량은 두 면 이상이기 때문에 통합 다채널 레이더 솔루션과 프런트 엔드를 제공한다는 점입니다.

예를 들어, Texas Instruments AFE5401TRGCTQ1은 저잡음 증폭기, 이퀄라이저, 프로그래밍 가능 이득 증폭기, 안티 앨리어싱, 12비트 분해능의 A/D가 통합된 모노리식 4채널 아날로그 레이더 프런트 엔드입니다(그림 4). 이 1.8V 부품은 모든 채널에서 동시 샘플링을 지원하며 12비트 CMOS 호환 병렬 버스와 25Msample/sec의 속도를 통해 획득 데이터를 호스트 컨트롤러로 빠르게 전송할 수 있습니다.

그림 4: 이 4채널 수신기와 같은 다채널 모노로식 레이더 장치는 자동차 업계용으로 개발되었지만 드론의 근접 및 충돌 방지 시스템 개발 및 테스트에도 이상적입니다.

충돌 방지 및 기타 응용 분야를 위한 작고 콤팩트한 레이더에 대한 인기 상승으로 인해 몇 가지 뛰어난 레이더 개발 키트(예: Analog Devices AD8285CP-EBZ)를 사용하여 이 기술을 테스트하고 평가할 수 있습니다.

레이더는 동작 인식 인터페이스 장치용으로 소형화되고 있기 때문에 주목할만한 기술입니다. Google과 Infineon가 공동으로 제휴한 Project Soli는 레이더 기술을 이용하여 이 새로운 상호 작용 센서를 개발하고 있습니다. 이 기술은 공간에서 손가락의 위치와 움직임을 감지함으로써(도플러 효과를 사용하여 속도 감지) 여러 장치 상호 작용을 가능하게 합니다. Soli 센서는 1mm 이하의 손가락 움직임을 빠르고 정확하게 추적할 수 있습니다. 이 센서는 칩에 잘 맞고, 대량 생산이 가능하며, 소형 웨어러블 장치 내에도 사용할 수 있습니다. Project Soli 팀은 개발자가 새로운 상호 작용 및 응용 제품을 제작할 수 있도록 지원하는 개발 키트 출시를 계획 중에 있습니다.

이 기사에서 설명한 부품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지를 방문하세요.