無人アビオニクスシステム用センサ

この記事では、圧力から、振動および位置センシングに至るまでの、無人航空機（UAV）用センサシステム開発の課題について考察します。 航空機環境は、センサノードアーキテクチャから、電力および重量管理に至るまでのさまざまな課題を示します。

多くの種類のシステムの監視を強化するために、新世代の無人航空機（UAV）が開発されています。 オーストラリアでの山火事の追跡から、米国での交通監視に至るまで、これらのUAVは、さまざまな方法で最新のセンサ技術を最大限に活用しています。 たとえば、赤外線カメラは行方不明者を夜に追跡できる一方で、レーザー分光は大気汚染の監視に使用されます。

空中センサを有することで、あちこち移動するための柔軟性の増大や、応答時間の高速化により得られるデータの質を大幅に向上することができます。 これは、遠隔操縦航空機から自律システムへの移行と相まっています。この自律システムは、加速度計および磁気センサをGPSシステムと組み合わせる慣性航法センサを必要とします。 このすべてにおいて、電力および重量が厳しく制約されている空中アプリケーションでセンサシステムの統合に焦点を当てることが必要です。

センサアーキテクチャを変更すると、制御センサを完全に取り除くこともでき、UAVのサイズを大幅に低減できます。 これにより、新しいクラスの超小型UAVが作成されました。

その一方で、研究者は、センサシステムの開発およびテストを行うために、ハンドヘルドUAVを使用しています。 交通渋滞、安全性、および環境影響の調査のために、米国のウェストバージニア大学（WVU）でPhastball-0が開発されました。 この手投げ式UAVは、96インチの翼幅、および7ポンドのリモートセンシングペイロードを含む21ポンドの離陸重量を備えています。 この航空機は、9チャンネルR/C無線システムで遠隔操縦され、ブラシレス電気ダクテッドファンのペアで給電されます。 電気推進システムの使用により、飛行動作が簡素化され、オンボードセンサの振動が低減されます。

リモートセンシングペイロードシステムには、高解像度デジタルスチルカメラ、GPSレシーバ、低コストの慣性航法システム（INS）、400ヤードの下向きのレーザー距離計、フライトデータレコーダ、ビデオカメラおよびワイヤレスビデオ伝送システムが含まれます。

ドイツのフランクフルトにあるゲーテ大学の研究者は、モロッコでの土壌侵食を監視するために、衛星写真間のデータギャップを埋めるUAVを使用しています。 ドイツのMAVinciによって開発された固定翼のSirius I UAVは、Panasonicのデジタルシステムカメラを装備しており、非常に高い解像度の場所特有のデータと、より低い解像度の概観の両方を提供するために、異なる大きさおよび飛行高さで異なる調査場所で調査が行われています。 画像処理は、GPAデータと相まって、非常に高い解像度を備えた数値地形モデル（DTM）および画像モザイクの作成を実現し、これにより2Dおよび3Dで侵食が定量化されます。 それはまた、周辺地域の分析や景観発達を促進します。

ビジネスケースには、外部状況を監視するUAVがある一方で、航空機自体はまた、監視される必要があります。 航空機が正しくかつ安全に動作していることを確保するために、内部センサがUAVシステム開発の極めて重要な部分であり、ここで、歪みゲージなどのセンサは、機体の状態を監視し、機内での問題を回避するために使用することができます。 これらは、ADCデータコンバータに接続され、それからSPIインターフェースを介してマイクロコントローラにリンクされる必要があります。 次に、このデータは後の分析のために保存され、航空機内で分析されるか、またはUAV性能の監視のためにグランドに送り返すことができます。

人間の入力がないため、UAVについてのデータ収集および処理能力は極めて重要であり、重量およびサイズの制約により、これは設計者にとって主要な課題となります。

センサおよびワイヤレスセンサネットワーク用に利用可能な電力はまた、厳しく制約されています。 オーストラリアにあるクイーンズランド工科大学で開発された2.5メートルのGreen Falconは、28個の単結晶太陽電池によって給電されます。 これらは、山火事の進行を追跡するために、オンボードカメラおよびセンサ用に0.5Wを生成します。


図1：オーストラリアのGreen Falcon UAVは、センサに給電するために、太陽電池から0.5Wを生成します。

より大きなUAVは、太陽電池からより多くの電力を生成するために、増大した表面積を使用するため、より多くのセンサシステムを使用することができます。 たとえば、Solara 50は、15.5メートル（54フィート）長で、32kg（70ポンド）のペイロードを運ぶことができます。 この航空機は、最大7kWを提供するために、上部の翼、昇降舵、および水平尾翼にわたって3000個の太陽電池によって給電され、これにより、翼にあるリチウムイオン電池に過剰なエネルギーが蓄積されます。 これは、空中モニタリングステーションとして、65mphおよび20km（65,000フィート）の巡航高度で最大5年間空中でUAVを維持するのに十分な電力を提供します。 より大きなバージョンのSolara 60は、60メートル（197フィート）長で、最大100kg（250ポンド）を運ぶことができます。


図2：Solara 50で生成された7kWの電力により、最大5年間センサに給電することが可能です。

航空機の位置および方向の監視にジャイロスコープおよび加速度計が使用される中で、使用されるいくつかのセンサは、UAVの動作に不可欠です。 Solara 50はまた、グランドステーションにテレメトリデータを送り返す高速無線リンクを備えた、ペイロードでのさまざまなオンボードセンサを備えています。

同様に、ミネソタ大学のUAV研究グループは、低コストでオープンソースの小さなUAV飛行研究施設を開発するために、Ultra Stick 120などの、ホビイストによる遠隔制御航空機を使用しています。 目標は、制御、ナビゲーションおよびガイダンスアルゴリズム、組み込みフォールト検出方法、およびシステム識別ツールを含む、学部内での研究活動を支援することです。

このグループは、120、25e、およびMiniの3つのサイズのUltra Stick航空機ファミリを使用しており、さまざまなセンササブシステムを取り付けました。 慣性計測ユニット（IMU）は、Analog Devicesの iSensor^® ADIS16405を使用する一方で、GPSシステムはSirf IIIチップセットを使用します。


図3：UAV慣性計測システムとして使用される、Analog DevicesのADIS16405。

このチームは、SemtechのSX8724C ZoomingADCを使用しました。このADCは、Honeywellの圧力センサとインターフェースする主なADCとして、最大16ビットの分解能をもたらします。 このデータ収集システムは、Semtechの低電力ZoomingADC技術をベースとしており、ほとんどのタイプのミニチュアセンサを、汎用マイクロコントローラと直接接続します。

3個の差動入力で、それは複数のセンサシステムに適応できます。 そのデジタル出力は、センシング素子のバイアスまたはリセットに使用されます。 収集チェーンは、入力マルチプレクサ、3個のプログラム可能ゲインアンプ、そしてオーバーサンプリングA/Dコンバータです。 基準電圧は、2個の異なるチャンネルで選択可能で、2個のオフセット補償アンプにより、広いオフセット補償範囲が実現します。 プログラム可能ゲインおよびオフセットにより、アプリケーションは、基準電圧に定義された入力範囲のほんの一部にズームインすることができます。

8入力マルチプレクサは、アナログ入力の選択に使用される一方で、リファレンス入力は、2個の差動チャンネル間で選択されます。 しかし、マルチプレクサを通して正と負の両方の入力が選択される中で、入力アンプが常に差動モードで動作しているため、（VREFを含む）わずか7個の収集チャンネルがシングルエンド構成で利用できます。

ズーミング部分のコアは、3個の差動プログラム可能アンプ（PGA）です。 入力とリファレンス信号VINおよびVREFの組み合わせを選択した後に、ステージ1～3で入力電圧が変調され、増幅されます。 最大1000V/Vの微細ゲインプログラミングにより、分解能がセンサに適合します。 最後の2つのステージは、プログラム可能オフセットを提供し、必要な場合に、各アンプをバイパスすることができます。 次に、PGAのカスケード出力は、A/Dコンバータ（ADC）に直接供給され、このA/Dコンバータは、マイクロコントローラ用のデジタルストリームに信号を変換します。 それから、このデータは保存またはパケット化され、グランドに無線で送信されます。

Analog DevicesのADIS16405 iSensorは完全な慣性システムで、3軸のジャイロスコープ、加速度センサ、および磁気センサを内蔵しています。 このシステムは、iMEMS微細加工技術と、ダイナミック性能を最適化する信号処理技術を組み合わせています。 CMOS技術は、センサのサイズとコストの両方を削減し、消費電力を低減するために採用されます。 各センサは、感度、バイアス、位置合わせ、および（ジャイロスコープのバイアスに対処するための）加速度の直線化のために工場で特性化されています。 結果として、それぞれは、それ自身のダイナミック補償形態を持つため、−40°C～+85°Cの高精度な計測を提供します。 磁気センサは、温度にわたって正確なバイアス性能を提供するために、自己補正機能を備えています。 UAVで使用されるセンサで発生する温度変動に対処することは、受信されたデータが正確で使用できることを確保する上で主要な要素です。


図4：Analog Devicesが提供するADIS16405 iSensorのブロック図。

ディスクリート設計と比較して、ADIS16400は、高精度な多軸の慣性センシングを統合するためのシンプルでコスト効率の良い方法を提供します。 テストと較正は、工場での製造工程に組み込まれているため、システム統合の時間が最小化されます。そして、直交性の厳密な位置調整が施されているため、ナビゲーションシステムでの慣性フレーム調整が簡素化されます。 向上したシリアルペリフェラルインターフェース（SPI）およびレジスタ構造は、より高速なデータ収集および構成制御を提供します。そして、ADIS1635xおよびADIS1636xファミリと互換のピン配列、およびそれらのファミリと同じパッケージを使用することで、ADIS16400へのアップグレードに必要な操作は、付加的なセンサおよびレジスタマップのアップデートに適合するためのファームウェア変更のみとなります。

ADIS16400はデータを独立して生成しますが、システム（マスター）プロセッサと通信するSPIスレーブとして動作することもできます。 SPIは全二重モードで動作します。これは、マスタープロセッサが、DINで次のターゲットアドレスを送信するために同じSCLKパルスを使用しながら、DOUTからの出力データを読み取れることを意味します。

スペースの制約を最小限に抑えるために、このモジュールは、柔軟なコネクタインターフェースを備え、23mm × 23mm × 23mmの寸法で、さまざまなマウンティング方向のオプションを容易にします。

無人航空機は、有人航空機には危険すぎる可能性がある地域への侵入に特に有用です。 これには、より広範なセンサが必要です。 米国海洋大気庁（NOAA）は、風速を測定し、絶対圧力センサを使用して圧力降下を測定するAerosonde UAVをハリケーンハンターとして使用しています。 オーストラリアのAAIによって構築されたこのUAVは、リアルタイムに近いデータを、フロリダ州の国立ハリケーンセンターに直接提供します。 それは、標準の大気圧および温度の読み取り値に加えて、より前のシステムよりもずっと近い水面での計測値を提供します。 英国のUAVメーカーであるUAVSIはまた、南極などの厳しい気候での科学調査向けに特に設計された、Vigilant 20kgシステムのバージョンを有しています。

センサがUAV上にあるか、またはグランド上にあるかどうかで設計に大きな違いが生まれるため、センサアーキテクチャは、ますます重要になってきています。 これは奇妙に聞こえるかもしれませんが、その一方で、米国のDARPA研究機関は、ADAPT適応可能センサシステムに関して、経験豊富な携帯アプリの開発者と連携しています。 これは、さまざまな設定で使用できる柔軟なセンサフレームワークですが、Androidオペレーティングシステムのカスタマイズされたビルドを使用した情報・監視・偵察（ISR）設計に重点を置きます。

DARPAのテストで、シンプルなクワッドローターは、グランドからの距離を自動的に追跡するためにADAPTセンサを使用します。 ADAPTコアに基づいて構築されている無人地上センサ（UGS）は、UAVに飛行指示を送り、これにより、クワッドローターの大幅な小型化が可能になります。 DARPAは、ADAPTが、軍における技術配備の高速化および効率化につながるとともに、こうしたセンサが、BitcrazeのCrazyflieなどのように、ある時点で民生用電子機器に使用できる可能性があると信じています。 9cm x 9cmの寸法を備えたこのクワッドローターは、わずか19グラムの重量で、オンボードセンサによって区別される2つのバージョンで提供されます。 このクワッドローターは、最大7分間飛行することができ、標準のUSBドックを通じてリチウムポリマー電池が充電するのに約20分かかります。


図5：開発中のCrazyflie小型クワッドローターUAV。

結論

内部と外部の両方の使用向けに、あらゆる種類のセンサがUAVに統合されていますが、電源および重量の制約が依然として、こうしたシステムに追加できるものを制限しています。 各種の計測を提供するために、赤外線および従来のデジタルスチルおよびビデオカメラや、レーザー分光システムもUAVで使用されています。 しかし、こうしたセンサ自体はまた、UAVの制御に必要です。 使用されるより高度な慣性計測およびGPS追跡システムは、電力および重量を低減するために、最新のシリコン技術を活用しています。 微細加工センサは、消費電力およびサイズをさらに低減するために、高度に統合されたデータ処理を備えたUAVシステムで効果的に使用できる堅牢な加速度計を提供します。

センサアーキテクチャについてさまざまな方法で考えることで、UAVは、大幅な小型化を実現し、新しい異なる方法で使用されることができます。