Sensoren und Konnektivität für Drohnen

Traditionell wurden Drohnen in militärischen und wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise zum Erreichen entfernter Gebiete, zur Überwachung, zur Wetterbeobachtung und zum Liefern von Waren unter schwierigen Bedingungen. Nachdem es inzwischen kostengünstige, kompakte und wenig Strom verbrauchende Embedded-Technologien gibt, werden Drohnen zunehmend auch in Consumer-Anwendungen verwendet. Sie dienen mittlerweile etwa als Spielzeug, oder als Hilfsmittel bei der Fotografie. Entscheidend für das seit einiger Zeit zu beobachtende exponentielle Wachstum auf diesem Gebiet sind die Fortschritte bei der Sensorik und den stromsparenden Konnektivitäts-Technologien für Drohnen.

Von Drohnen wird erwartet, dass sie sich sehr präzise bewegen, stabil in der Luft liegen, die vorgegebene Höhe erreichen und effektiv kommunizieren können. Da Drohnen immer leichter werden sollen, muss unbedingt gewährleistet sein, dass sie extrem wenig Strom verbrauchen und deshalb mit einer möglichst kleinen Batterie auskommen.

Darüber hinaus ist die Umgebungserfassung ein entscheidender Wachstumsbereich bei den Drohnen. Inzwischen sind Drohnen mit mehreren Sensoren bestückt, die das Umfeld überwachen. Die dabei erfassten Daten werden für unterschiedliche Anwendungen genutzt, wie etwa zur Wetterüberwachung oder für landwirtschaftliche Zwecke.

Der wichtigste Faktor für das wachsende Aufkommen und die Akzeptanz der Drohnen ist die Konnektivität. Drohnen lassen sich einfach per Smartphone, über eine Fernbedienung oder direkt aus der Cloud steuern. Die Konnektivitäts-Lösung sollte dabei auf den Anwendungsfall abgestimmt werden. Gelegentlich nutzen Drohnen mehrere Konnektivitäts-Lösungen für unterschiedliche Anwendungsfälle.

Sensoren für die Navigation

Sensoren bilden den zentralen Teil einer Drohne und sind zur Sicherstellung der richtigen Funktion und Navigation zuständig. Für Letzteres sind insbesondere der Beschleunigungssensor, der Drehratengeber (Gyroskop), der Magnetkompass sowie der barometrische Drucksensor zuständig.

Der Beschleunigungssensor erfasst die Beschleunigung der Drohne in X-, Y- und Z-Richtung und bestimmt zusätzlich den Neigungswinkel im stationären Zustand. Befindet sich eine Drohne stationär in horizontaler Position, wird für die X- und Y-Achse eine Beschleunigung von 0 g gemeldet, für die Z-Achse dagegen 1 g, denn 1 g ist die Erdbeschleunigung, die auf sämtliche Objekte auf der Erde wirkt. Wird die Drohne um 90° um die X-Achse gedreht, ergeben die X- und die Z-Achse Werte von 0 g, während die Y-Achse 1 g ergibt. Während der Neigephase liefern alle drei Achsen Werte, die zwischen 0 und 1 g liegen. Diese Werte lassen sich mit trigonometrischen Funktionen verarbeiten, um den Neigungswinkel der Drohne zu ermitteln.

Mit Beschleunigungssensoren bestimmt man auch die lineare Beschleunigung in horizontaler und vertikaler Richtung. Mit diesen Daten lassen sich die Geschwindigkeit, die Richtung und sogar die Höhenänderungsrate der Drohne berechnen. Auch zur Bestimmung der Vibrationen einer Drohne wird der Beschleunigungssensor genutzt.

Der auch als Gyroskopsensor bezeichnete Drehratengeber erfasst die Winkelgeschwindigkeit um drei Achsen. Er kann somit die Winkeländerungsrate um die Längsachse (Rollen), die Hochachse (Gieren) und die Querachse (Stampfen) ermitteln. Änderungen der Winkelinformationen werden genutzt, um die Drohne zu stabilisieren und vom Taumeln abzuhalten. Hierzu werden die Daten aus dem Gyroskopsensor nach entsprechender Aufbereitung den Motortreibern zugeführt, die die Drehzahl der Motoren dynamisch anpassen, um die Drohne in einer stabilen Fluglage zu halten. Mit dem Drehratengeber wird auch sichergestellt, dass sich die Drohne exakt um den per Fernbedienung vorgegebenen Winkel dreht.

STMicroelectronics bietet etwa eine Trägheitsmesseinheit (Inertial Measurement Unit – IMU) des Typs LSM6DSM an. Es handelt sich dabei um eine Kombination aus Beschleunigungssensor und Drehratengeber, die darüber hinaus zwei unabhängige Gyroskop-Ausgänge besitzt. Davon kann einer für die Flugsteuerung benutzt werden, während sich der andere zur Bildstabilisierung (OIS/EIS) einer an Bord befindlichen Kamera nutzen lässt.

Ein Magnetkompass wiederum ermöglicht der Drohne das Erkennen von Richtungen. Er gibt die Stärke des auf den Baustein wirkenden Magnetfelds in X-, Y- und Z-Richtung an. Diese Daten werden anschließend von einem Mikrocontroller mithilfe eines bestimmten Algorithmus so verarbeitet, dass der Steuerkurs der Drohne bezogen auf den magnetischen Nordpol ausgegeben wird. Hiermit lassen sich dann geografische Richtungen ermitteln. Um präzise Richtungsangaben zu erhalten, sollten die Magnetfelddaten mit dem vom Beschleunigungssensor ausgegebenen Neigungswinkel kombiniert werden – beide Informationen gemeinsam werden daraufhin zur präzisen Richtungsberechnung herangezogen.

Ein Magnetkompass ist sehr empfindlich gegen Hart- und Weicheisen und seinen Lagewinkel. Unter Harteisen versteht man harte, permanent ferromagnetische Materialien in der Nähe des Sensors, die einen dauerhaften Versatz der Kompassablesung bewirken. Weicheisen ist schwach ferromagnetisches Material (zum Beispiel Leiterbahnen), das eine variable Verschiebung der Kompassablesung zur Folge hat. Für den Magnetfeldsensor wird deshalb ein Kalibrieralgorithmus zum Ausfiltern dieser Anomalien benötigt. Wichtig ist, dass dieser Algorithmus die Kalibrierung schnell und mit minimalem Aufwand für den Anwender vornimmt.

Abgesehen von der Richtungserkennung kann ein Magnetfeldsensor auch zum Detektieren von Magneten und ferromagnetischen Werkstoffen in der Umgebung verwendet werden (zum Beispiel von Strommasten und -leitungen, Fahrzeugen oder anderen Drohnen), um auf diese Weise Kollisionen zu vermeiden.

Das Funktionsprinzip eines Barometers besteht darin, den atmosphärischen Druck in eine Höhenangabe umzuwandeln. Die Barometerdaten helfen der Drohne beim Navigieren und beim Erreichen der gewünschten Höhe. Eine sehr gute Abschätzung der Steig- und Sinkrate ist sehr wichtig für die Flugsteuerung einer Drohne. Für diese Höhenabschätzung hat STMicroelectronics den Drucksensor LPS22HD mit einer Datenrate von 200 Hz vorgestellt.

Drohnen werden extremen Bedingungen in Bezug auf Vibrationen, Störbeeinflussungen und Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Ein Sensor für den Einsatz in Drohnen sollte eine hohe Stoßfestigkeit aufweisen, gegen Störbeeinflussungen geschützt und so schnell sein, dass er alle Vibrationen erfassen kann. Seine Leistungsfähigkeit sollte sich bei wechselnden Umgebungseinflüssen (beispielsweise Temperatur oder Feuchte) nicht ändern, und schließlich sollte er extrem wenig Strom verbrauchen, um die Batterielebensdauer zu verlängern.

Algorithmen und applikationsspezifische Sensoren

Softwarebibliotheken spielen eine wichtige Rolle bei der Umwandlung der von den Sensoren gelieferten Rohdaten in aussagefähige Informationen. Die Algorithmen erweitern den Nutzen eines Sensors über die in seinem Datenblatt angegebenen Eigenschaften hinaus und führen außerdem Daten verschiedener Sensoren zusammen, um kontextsensitive Resultate zu erhalten.

Alle drei Bewegungssensoren – Beschleunigungssensor, Drehratengeber und Magnetkompass – haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Als Einschränkungen sind ungenügende Kalibrierung, Drift über Zeit oder Temperatur sowie Rauschen zu nennen. Beim Magnetfeldsensor und dem Beschleunigungssensor kommt es zu Verzerrungen, und der Drehratengeber besitzt eine prinzipbedingte Drift. Eine Sensorfusions-Bibliothek wird genutzt, um die Sensoren gegeneinander zu kalibrieren und dadurch zu erreichen, dass in allen Szenarien exakte Ergebnisse entstehen. Dabei werden neben kalibrierten Sensor-Ausgangssignalen auch Winkel- und Steuerkurs-Informationen und Quaternionwinkel ausgegeben.

Applikationsspezifische Sensoren haben keinen Einfluss auf die zentralen Funktionen der Drohne, kommen hier aber dennoch zunehmend zum Einsatz – zum Beispiel für die Wetterbeobachtung, die Landwirtschaft und weitere Anwendungen.

Feuchtesensoren eignen sich für Wetterstationen, zur Bestimmung der Kondensation, zur Überwachung der Luftdichte und zur Korrektur der Messwerte von Gassensoren. Der von STMicroelectronics vorgestellte Feuchtesensor HTS221 enthält neben dem Sensorelement auch ein Analog-Front-End, um den Messwert über ein digitales serielles Interface ausgeben zu können. Das Sensorelement besteht aus einer planaren Kondensatorstruktur mit Polymer-Dielektrikum, die Änderungen der relativen Luftfeuchte detektieren kann.

Ein MEMS-Mikrofon ist ein Schallsensor, der Schall in elektrische Signale verwandelt. MEMS-Mikrofone werden gegenüber konventionellen Mikrofonen zunehmend bevorzugt, da sie einen größeren Signal-Rauschabstand, kleine Abmessungen, eine digitale Schnittstelle, eine höhere HF-Immunität und eine große Vibrationsbeständigkeit bieten. Diese Sensoren werden in Drohnen für Zwecke wie die Videografie, Überwachung oder Spionage verwendet.

Konnektivität für Drohnen

Für Drohnen kommen mehrere Konnektivitäts-Optionen in Frage. Für die Verbindung mit Smartphones werden Bluetooth Low Energy (BLE) und WLAN genutzt, für den Dialog mit der Fernbedienung und größere Übertragungsstrecken dagegen die Sub-Gigahertz-Technik. Mobilfunk- und Langstrecken-Übertragungstechniken wie LoRa und Sigfox dienen zur Weiterleitung von Informationen aus Drohnen direkt an Telekommunikations-Infrastrukturen.

Bild 1: Übersicht über aktuelle Verbindungstechniken. STMicroelectronics

Über die verschiedenen Technologien mit ihrer Übertragungsdistanz und ihrem Stromverbrauch gibt Bild 1 Auskunft. Bluetooth Smart oder Bluetooth Low Energy (BLE) ermöglicht die stromsparende Konnektivität mit Drohnen. Diese Technik bietet sich für Drohnen mit geringerem Aktionsradius an (zum Beispiel Spielzeuge). Sie ermöglicht die bidirektionale Kommunikation zwischen Drohne und Fernbedienung (Smartphone, Tablet, Laptop oder spezielle Controller). BLE sorgt für eine eindrucksvolle Batterielebensdauer, die mit traditionellen Funktechniken wie WLAN oder dem konventionellen Bluetooth nicht möglich wäre.

Bluetooth Low Energy arbeitet im lizenzfreien 2,4-GHz-ISM-Band. Der Standard steht unter der Regie der Bluetooth Special Interest Group (SIG) und wird von allen wichtigen Smartphone-Marken unterstützt. BLE-Geräte gliedern sich in zwei Haupt-Funktionsbereiche: Netzwerkprozessor und System-on-Chip. Ein Netzwerkprozessor ist ein BLE-Baustein, der das BLE-Protokoll verarbeitet (mit Controller, Host und Stack). Er benötigt jedoch einen separaten Mikrocontroller, der ergänzend zum Haupt-Mikrocontroller die BLE-Profile und die Applikation verarbeitet. Die Lösung ist außerdem plattformunabhängig und bietet dem Anwender deshalb maximale Flexibilität, den besten Mikrocontroller oder das bestgeeignete Betriebssystem auszuwählen.

BlueNRG-MS ist ein Netzwerkprozessor von ST mit Kompatibilität zu BLE 4.1. Dieses IC kann gleichzeitig als Master und als Slave operieren. Eine Fernbedienung kann deshalb für das Smartphone als Slave, für die Drohne dagegen als Master fungieren.

Ein System-on-Chip (SoC) ist ein Baustein, der aus Controller, Host, Stack-Profilen und der Applikation besteht. BlueNRG-1 von ST ist ein gemäß BLE 4.2 zertifiziertes SoC mit 15 GPIOs, I²C, SPI, UART, PWM, PDM und 160 KB RAM sowie den fortschrittlichen Security- und Datenschutz-Features von BLE 4.2.

Im Sub-Gigahertz-Bereich erfolgt die Signalübertragung – wie der Name schon sagt – mit Frequenzen unter 1 GHz. Verschiedene Staaten haben unterschiedliche Frequenzen festgelegt, die für industrielle und wissenschaftliche Zwecke frei genutzt werden können:

• Nordamerika: 315, 433 und 915 MHz
• Europa: 433 und 868 MHz
• Indien: 433 und 865-867 MHz

Der Vorteil der Sub-Gigahertz-Bänder ist, dass sie weniger Störungen aufweisen, eine größere Reichweite bieten und einen geringen Stromverbrauch ermöglichen. Nachteilig ist dagegen, dass sie keine direkte Smartphone-Anbindung bieten und nicht überall verfügbar sind.

Sigfox ist ein subskriptionsbasierter LPWAN-Dienst auf der Basis von Sub-Gigahertz-Frequenzen, der die direkte Anbindung an die Telekommunikations-Infrastruktur und die Cloud ermöglicht. Es sind Übertragungsdistanzen von mehreren Kilometern möglich. In Drohnen lässt sich Sigfox für das Tracking und die Datenübertragung an die Cloud nutzen. Als eine Technik zur Datenübermittlung direkt an die Telekommunikations-Infrastruktur wird von Sigfox nicht erwartet, die direkten Steuerverbindungs-Lösungen wie BLE und die direkte Peer-to-Peer-Verbindung mit Sub-Gigahertz zu ersetzen.

STMicroelectronics hat kürzlich den Sub-Gigahertz- und Sigfox-Transceiver S2-LP vorgestellt, der mit 430 – 470 MHz und 860 – 940 MHz kommunizieren kann. Er bietet eine Ausgangsleistung von bis zu +16 dBm und eine Empfindlichkeit bis -130 dBm. Das sehr stromsparende IC kann für die Peer-to-Peer-Verbindung zwischen Drohne und Fernbedienung genutzt werden. Als zertifiziertes Sigfox-Produkt lässt es sich ebenfalls dafür konfigurieren, eine Drohne direkt mit einem Sigfox-Netzwerk zu verbinden.

Entwicklungsplattform

Die regelrechte Welle neuer Anwendungen für Drohnen wird hauptsächlich von Start-up-Unternehmen und jungen Ingenieuren vorangetrieben. Der Markt entwickelt sich mit so hohem Tempo, dass die Erfolgschancen stark vom jeweils erforderlichen Zeit- und Kostenaufwand abhängen. Sehr wichtig ist deshalb die Verfügbarkeit einer Entwicklungsplattform, die quelloffen, bezahlbar, flexibel, produktionsbereit und skalierbar ist.

STMicroelectronics bietet eine offene STM32-Entwicklungsumgebung an, die Designern eine sehr flexible und erschwingliche Entwicklung von Produkten mit Mikrocontrollern und Sensoren sowie HF- und Analogprodukten von ST ermöglicht. Die Hardwareplattform wird ergänzt durch Treibersoftware, Middleware-Bibliotheken und Applikationen. Auch der entsprechende Android- und iOS-Code ist enthalten.

Dem Anwender stehen über ein einfaches, computerbasiertes Lizenzabkommen außerdem mehrere fortschrittliche Bibliotheken zur Verfügung. Ist die Plattform getestet, kann der Designer seine eigene Leiterplatte entwickeln und die auf der Plattform entwickelte Firmware laden. Anwender müssen die Produktionslizenz für Bibliotheken erst dann unterzeichnen, wenn sie diese auf ihren eigenen Boards testen wollen.

SensorTile (Bild 2) ist eine miniaturisierte Designplattform in Form einer Kachel und enthält alles, was zum Erfassen und Messen von Bewegungs-, Umgebungs- und Akustikparametern aus der Ferne benötigt wird. Ein Drohnenentwickler kann sich deshalb direkt auf die Aerodynamik, die Motorsteuerung und das mechanische Design der Drohne konzentrieren, ohne sich um Konnektivität und Sensorintegration kümmern zu müssen.

(ku)