무인 항공 전자 기기용 센서 시스템

이 기사는 압력부터 진동 및 위치 감지까지 무인 항공기(UAV)용 센서 시스템 개발의 과제를 살펴봅니다. 항공기 환경에는 센서 노드 아키텍처에서 전력 및 무게 측정까지 다양한 과제가 있습니다.

차세대 무인 항공기(UAV)는 여러 종류의 시스템 모니터링을 향상시키도록 개발되었습니다. 호주의 산불 추적부터 미국의 트래픽 모니터링까지 이 UAV는 최신 센서 기술을 다양한 방법으로 최대한 활용합니다. 예를 들어, 적외선 카메라는 야간에 실종자를 추적할 수 있으며 레이저 분광을 사용하여 공기 오염을 모니터링할 수 있습니다.

공중 센서를 사용하면 이동에 향상된 유연성을 제공하고 빠른 응답 시간을 제공하여 획득되는 데이터의 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이는 원격으로 유인되는 항공기에서 관성 네비게이션 센서가 필요한 자동 시스템으로의 전환과 결합되어 가속도계 및 자력계와 GPS 시스템을 통합합니다. 이 모두 전력 및 무게 제약이 엄격한 항공 응용 제품에 센서 시스템을 통합하는 데 더욱 중점을 두어야 합니다.

센서 아키텍처를 변경하면 심지어 제어 센서를 전체적으로 제거하여 UAV의 크기를 크게 줄일 수 있습니다. 이를 통해 새로운 부류의 초소형 UAV가 탄생되었습니다.

그 동안, 연구자들은 핸드헬드 UAV를 사용하여 해당 센서 시스템을 개발하고 테스트하고 있습니다. Phastball-0은 교통 혼잡, 안전 및 환경 효과 연구를 위해 미국의 웨스트 버지니아 대학교(WVU)에서 개발되었습니다. 수동 장착 UAV는 7lb의 원격 감지 페이로드를 비롯하여 21lb의 이륙 무게와 96" 날개 폭을 제공합니다. 이 항공기는 9채널 R/C 무선 통신 시스템을 사용하여 원격으로 유인되며 한 쌍의 브러시리스 전기 덕트 팬으로 전력이 구동됩니다. 전기 추진 시스템을 사용하면 비행 작동이 간소화되고 기판 위 센서에서 진동이 감소됩니다.

원격 감지 페이로드 시스템은 고해상도 디지털 스틸 카메라, GPS 수신기, 저가형 관성 네비게이션 시스템(INS), 400yd 하향 전파 전송 레이저 거리 측정기, 비행 기록 장치, 비디오 카메라, 무선 비디오 전송 시스템을 포함합니다.

독일 프랑크프르트 괴테 대학교의 연구원들은 UAV를 사용하여 위성 사진 사이의 데이터 갭을 브리징하여 모로코의 토양 침식을 모니터링하고 있습니다. 독일의 MAVinci에서 개발된 고정익 Sirius I UAV는 Panasonic 디지털 시스템 카메라가 장착되어 있으며 초고해상도 사이트 특정 데이터 및 저해상도 개관을 모두 제공하기 위해 여러 연구 사이트에 걸쳐 다양한 규모 및 비행 고도로 조사가 수행되었습니다. GPA 데이터와 결합된 영상 처리는 고해상도의 디지털 지형 모델(DTM) 및 이미지 모자이크 생성을 가능하게 하여 2D 및 3D에서의 침식을 수량화합니다. 또한 주변 영역 및 지형 개발 분석을 용이하게 합니다.

비즈니스의 경우 UAV로 외부 상황을 모니터링하지만 항공기는 자체도 모니터링해야 합니다. 내부 센서는 항공기가 올바르고 안전하게 작동하도록 UAV 시스템을 개발하는 데 필수적인 부분이며 여기서 스트레인 게이지 같은 센서를 사용하여 에어 프레임의 조건을 모니터링하고 비행 중 문제를 회피할 수 있습니다. 센서는 ADC 데이터 컨버터에 연결한 다음 SPI 인터페이스를 통해 마이크로 컨트롤러에 링크해야 합니다. 이 데이터는 이후 분석을 위해 저장하거나, 항공기 내에서 분석하거나 또는 UAV 성능을 모니터링하기 위해 지상으로 다시 전송할 수 있습니다.

수동 입력이 없기 때문에 UAV에 대한 데이터를 수집하고 처리하는 능력이 필수적이며 무게 및 크기 제한으로 인해 이는 설계자에게 핵심 과제입니다.

센서에 제공되는 전력과 무선 센서 네트워크 또한 엄격하게 제한됩니다. 호주의 퀸즐랜드 공과대학에서 개발된 2.5m Green Falcon은 28개 모노크리스털라인 태양광 전지로 전력이 구동됩니다. 이는 기판 위 카메라 및 센서에서 산불의 진행을 추적하도록 하기 위해 0.5W를 생성합니다.


그림 1: 호주의 Green Falcon UAV는 센서에 전력을 구동하기 위해 해당 태양광 전지에서 단 0.5W를 생성합니다.

더 큰 UAV는 증가된 표면적을 사용하여 태양광 전지에서 추가 전력을 생성하므로 추가 센서 시스템 사용을 허용합니다. 예를 들어, Solara 50은 15.5m(54ft) 길이이며 32kg(70lb)의 페이로드를 전달할 수 있습니다. 항공기는 상부 날개, 엘리베이터 및 수평 안전판에 걸쳐 3000개의 태양광 전지로 전력이 구동되어 최대 7kW를 제공할 수 있으며 날개의 리튬 이온 배터리에 초과분을 저장합니다. 이는 공중 모니터링 스테이션으로서 65mph 및 20km (65,000ft)의 순항 고도에서 최대 5년 동안 UAV를 공중에 유지하는 데 충분한 전력을 제공합니다. 더 큰 버전인 Solara 60은 전체 60m(197ft)이며 최대 100kg(250lb)을 전달할 수 있습니다.


그림 2: Solara 50에 대해 생성된 7kW의 전력으로 최대 5년 동안 해당 센서에 전력을 공급할 수 있습니다.

항공기의 위치와 방향을 모니터링하는 데 사용된 자이로스코프와 가속도계와 함께, 사용된 일부 센서는 UAV 작동에 필수입니다. Solara 50은 또한 지상국에 원격 측정 데이터를 다시 전송하는 고속 무선 링크와 함께 페이로드에 다양한 기판 위 센서를 포함합니다.

마찬가지로, 미네소타 대학의 UAV 연구 그룹은 Ultra Stick 120 같은 애호가 원격 제어 항공기를 사용하여 저가형 오픈 소스 소형 UAV 비행기 연구 설비를 개발하고 있습니다. 이들의 목표는 제어, 네비게이션 및 유도 알고리즘, 내장된 고장 감지 방법 및 시스템 인식 도구를 비롯하여 부서 내 연구 활동을 지원하는 것입니다.

이 그룹은 Ultra Stick 항공기 제품군의 세 가지 크기(120, 25e, Mini)를 사용하며 다양한 센서 하위 시스템을 설치했습니다. 관성 측정 장치(IMU)는 Analog Devices iSensor^® ADIS16405를 사용하고 GPS 시스템은 Sirf III 칩셋을 사용합니다.


그림 3: 관성 측정 시스템으로 사용된 Analog Devices ADIS16445

이 팀은 최대 16비트 분해능을 제공하는 Semtech SX8724C Zooming ADC를 주 ADC로 사용하여 Honeywell 압력 센서에 인터페이싱했습니다. 이 데이터 취득 시스템은 Semtech의 저전력 Zooming ADC 기술을 기반으로 하며 범용 마이크로 컨트롤러로 대부분의 미니어처 센서 유형을 직접 연결합니다.

세 가지 차동 입력을 통해 이는 여러 센서 시스템에 적응할 수 있습니다. 해당 디지털 출력은 감지 소자를 바이어싱하거나 리셋하는 데 사용됩니다. 취득 체인은 입력 멀티플렉서, 3개의 프로그래밍 가능 이득 증폭기 및 오버샘플링 A/D 컨버터입니다. 2개의 서로 다른 채널에서 레퍼런스 전압을 선택할 수 있으며 2개의 오프셋 보정 증폭기는 넓은 오프셋 보정 범위를 허용합니다. 프로그래밍 가능 이득 및 오프셋은 응용 제품에서 레퍼런스 전압 정의 입력 범위의 일부를 확대할 수 있도록 합니다.

8입력 멀티플렉서를 사용하여 아날로그 입력을 선택할 수 있으며 레퍼런스 입력은 2개의 차동 채널 중에서 선택됩니다. 그러나, 입력 증폭기는 멀티플렉서를 통해 선택된 포지티브 및 네거티브 입력으로 차동 모드에서 항상 작동하기 때문에 7개 취득 채널(VREF 포함)을 단일 엔드 구성에서 사용할 수 있습니다.

확대/축소 섹션의 핵심은 3개 차동 프로그래밍 가능 증폭기(PGA)입니다. 입력/레퍼런스 신호 VIN 및 VREF 조합 선택 후, 1단계 ~ 3단계를 통해 입력 전압이 변조 및 증폭됩니다. 최대 1000V/V의 미세 이득 프로그래밍은 분해능을 센서에 일치시킵니다. 마지막 2단계는 프로그래밍 가능 오프셋을 제공하며 필요한 경우 각 증폭기를 바이패스할 수 있습니다. 이제 PGA의 캐스케이드 출력이 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에 직접 공급되며, 이 컨버터는 마이크로 컨트롤러를 위해 신호를 디지털 스트림으로 변환합니다. 이 데이터는 지상에 무선으로 저장되거나 패킷화 및 전송됩니다.

Analog Devices의 ADIS16405 iSensor는 3축 자이로스코프, 가속도계 및 자력계를 포함하는 완벽한 관성 시스템입니다. 이 시스템은 동적 성능을 최적화하는 신호 조정과 iMEMS 미세 가공 기술을 통합합니다. CMOS 기술이 채택되어 센서 및 전력 소비의 크기와 비용이 모두 감소합니다. 각 센서는 공장에서 감도, 바이어스, 정렬 및 선형 가속(자이로스코프 바이어스 해결)에 대해 특성이 정의됩니다. 결과적으로, 각 센서에서 -40°C ~ +85°C까지 정확한 측정을 제공하는 교정 공식에 대해 고유한 동적 보정을 제공합니다. 이 측정은 자가 교정 기능을 사용하여 온도에 걸쳐 정확한 바이어스 성능을 제공합니다. UAV에 사용되는 센서에서 발생하는 온도 변동을 다루는 것은 수신된 데이터가 정확하고 사용 가능함을 보장하는 데 핵심 요소입니다.


그림 4: Analog Devices ADIS16405 iSensor의 제품 구성도

이산 설계와 비교하여 ADIS16400은 정확한 다중 축 관성 감지를 통합할 수 있는 단순하고 비용 효율적인 방법을 제공합니다. 테스트 및 보정은 공장 생산 공정의 일부이기 때문에 시스템 통합 시간이 최소화됩니다. 네비게이션 시스템에서 엄격한 직각 정렬은 관성 프레임 정렬을 간소화합니다. 향상된 직렬 주변 인터페이스(SPI) 및 레지스터 구조는 보다 빠른 데이터 수집 및 구성 제어를 제공하고 ADIS1635x 및 ADIS1636x 제품군과 호환 가능한 핀아웃 및 동일한 패키지를 사용하므로 ADIS16400으로 업그레이드하려면 추가 센서 및 레지스터 맵 업데이트를 수용하도록 펌웨어만 변경하면 됩니다.

ADIS16400은 독립적으로 데이터를 생성하지만 시스템(마스터) 프로세서와 통신하는 SPI 슬레이브 장치로 작동할 수도 있습니다. SPI는 전이중 모드에서 작동하며, 이는 마스터 프로세서가 동일한 SCLK 펄스를 사용하여 DIN에서 다음 대상 주소를 전송하면서 DOUT에서 출력 데이터를 읽을 수 있음을 의미합니다.

공간 요구 사항을 최소한으로 유지하기 위해 이 모듈은 23mm × 23mm × 23mm 크기이며 다양한 실장 방향 옵션을 용이하게 하는 유연한 커넥터 인터페이스를 갖추고 있습니다.

무인 항공기는 유인 항공기의 경우 매우 위험할 수 있는 침투 영역에서 특히 유용합니다. 무인 항공기에는 다양한 센서가 필요합니다. 미국해양대기관리처(NOAA)는 Aerosonde UAV를 허리케인 관측기로 사용하여, 절대 압력 센서로 속도와 압력 강하를 측정합니다. 호주의 AAI에서 구축한 UAV는 미국 플로리다의 국립 허리케인 센터에 실시간에 가까운 데이터를 직접 제공합니다. 이 UAV는 표준 기압계 압력 및 온도 눈금 이외에도, 이전 시스템보다 수면에 훨씬 가까운 측정을 제공합니다. UK UAV 제조업체 UAVSI는 또한 남극 지역 같은 극심한 기후의 과학 연구를 위해 특별히 설계된 Vigilant 20kg 시스템 버전을 보유하고 있습니다.

이 센서 아키텍처는 중요성이 점차적으로 커지고 있으며 센서가 UAV 위에 위치하는지 또는 지상에 위치하는지에 따라 설계가 크게 달라집니다. 이상하게 들릴 수도 있지만, US DARPA 연구 기관은 ADAPT 적응 가능 센서 시스템에 대한 숙련된 모바일 앱 개발자들과 협력하고 있습니다. 다양한 설정으로 사용할 수 있는 이 유연한 센서 프레임워크는 맞춤형 Android 운영 체제 빌드를 사용하는 지능, 감시, 정찰(ISR) 설계에 중점을 둡니다

DARPA 테스트에서 단순 쿼드콥터는 ADAPT 센서를 사용하여 지상으로부터의 거리를 자동으로 추적합니다. ADAPT에 구축된 무인 지상 센서(UGS)는 UAV에 비행 지침을 전달하므로 '콥터' 크기를 매우 크게 줄일 수 있습니다. DARPA는 군사 응용 분야에 보다 빠르고 효율적인 기술 배포를 선도할 수 있다고 믿지만 이 센서는 Bitcraze의 Crazyflie 같이 어느 시점에서 소비자 가전에서도 활용할 수 있습니다, 이 제품은 9cm x 9cm 크기에 무게가 19g에 불과한 쿼드콥터로 기판 위 센서에 따라 2가지 버전으로 제공됩니다. 이 쿼드콥터는 최대 7분 동안 비행할 수 있으며 리튬 폴리머 배터리는 표준 USB 도크를 통해 충전하는 데 약 20분이 소요됩니다.


그림 5: 개발 중인 Crazyflie 소형 쿼드콥터 UAV.

결론

모든 종류의 센서가 내부용 및 외부용으로 UAV에 통합되고 있지만 전원 공급 장치와 무게 제약은 여전히 이러한 시스템에 추가 가능한 품목을 제한합니다. 다양한 측정을 제공하기 위해 적외선 및 기존 디지털 스틸 및 비디오 카메라와 심지어 레이저 분광 시스템이 UAV에서 사용됩니다. 그러나, 센서 자체도 UAV를 제어하는 데 필요합니다. 보다 정교한 관성 측정과 사용된 GPS 추적 시스템은 최신 실리콘 기술을 활용하여 전력과 무게를 줄입니다. 미세 가공 센서는 고집적 데이터 처리 기능으로 UAV 시스템에서 효과적으로 사용할 수 있는 견고한 가속도계를 제공하므로 전력 소비 및 크기를 더욱 줄일 수 있습니다.

센서 아키텍처에 대한 다양한 방법을 고안함으로써 UAV를 훨씬 작게 만들고 여러 새로운 방법으로 사용할 수 있습니다.