Drones controlados por SBC para Inspeção Aérea

Introdução

A tecnologia de computadores de placa única (SBC) desempenha um papel vital na alimentação de drones de inspeção usados para levantamentos aéreos. Esses sistemas aéreos não tripulados (UAS) revolucionaram a coleta de dados para topografia terrestre ao utilizar sensores de detecção e medição de luz (LiDAR) e que capturam imagens de alta resolução. O tempo de processamento e a largura de banda são reduzidos significativamente, pois o SBC a bordo processa eficientemente os pontos de dados coletados e elimina a necessidade de transmiti-los para uma estação terrestre. Os drones podem rapidamente coletar conjuntos densos de dados usando sensores fotogramétricos e LiDAR. Essa coleta de dados aprimorada aumenta a produtividade ao fornecer dados precisos sem a necessidade de visitas de retorno aos locais, economizando custos. Controladores de voo baseados em SBC facilitam a integração perfeita de entradas de controle remoto, transmissão de dados de telemetria e registro de dados. Esses controladores avançados suportam recursos como geofencing para definir áreas restritas para operações de drones, a fim de melhorar as medidas de segurança. Eles também permitem funções de retorno para casa em caso de perda de conexão ou baixos níveis de bateria, enquanto incorporam mecanismos que evitam obstáculos para garantir voos seguros.

Drones e seus diferentes tipos

Os drones vêm em vários tipos, cada um utilizando diferentes controladores de voo. Os Computadores de Placa Única (SBCs) desempenham um papel fundamental em cálculos complexos e são componentes cruciais em drones complexos. Conforme mostrado na Figura 1, existem três tipos de drones.

1. Drones de asa fixa: Semelhantes a aviões, esses drones têm asas fixas e são eficientes para cobrir grandes distâncias devido ao seu design aerodinâmico. Eles são comumente usados para levantamento, mapeamento e fins agrícolas. O Raspberry Pi 4 pode ser utilizado como CPU para este tipo de drone, gerenciando tarefas como registro de dados, navegação e algoritmos de controle. Ele administra dados de GPS, lida com navegação por pontos de passagem e auxilia nas funções de piloto automático.
2. Drones de rotor: Incluem quadricópteros, hexacópteros e octocópteros. Eles usam vários rotores para obter sustentação e manobrabilidade. Drones de rotor são altamente manobráveis e capazes de pairar, sendo adequados para fotografia, videografia e várias aplicações comerciais. Para esses tipos, um SBC avançado como o Jetson TX2 é necessário, realizando cálculos complexos para processamento de imagem, detecção de objetos e mapeamento e localização simultâneos (SLAM). Ele gerencia dados em tempo real de vários sensores e câmeras para permitir voo autônomo e aplicações avançadas, como navegação baseada em IA.
3. Drone híbrido (capazes de decolagem e pouso vertical – VTOL): Esses drones combinam características de drones de asa fixa e de rotor, proporcionando versatilidade tanto em decolagens e pousos verticais (VTOL) quanto em voos de longa duração. O Odroid XU4 é o mais adequado para esse tipo de drone. O SBC gerencia operações do drone híbrido, incorporando funcionalidades tanto de asa fixa quanto de rotor. Ele é responsável por algoritmos avançados de controle de voo, processamento em tempo real de dados dos sensores e gerenciamento de carga útil.

O papel dos SBCs em cálculos complexos para drones

1. Algoritmos de navegação e controle: Os SBCs lidam com algoritmos complexos para controle de voo, integrando dados de sensores como GPS, acelerômetros e giroscópios. Esses cálculos determinam trajetórias de voo, mantêm a estabilidade e gerenciam ajustes em tempo real durante o voo.
2. Processamento de dados: Os SBCs processam grandes quantidades de dados coletados por sensores e câmeras a bordo. Isso inclui reconhecimento de imagens, mapeamento de terreno e detecção de objetos usando algoritmos executados no SBC.
3. Gestão de comunicação: Os SBCs gerenciam a comunicação entre o drone e as estações de controle em terra. Eles lidam com a transmissão de dados, recepção de comandos e transmissão de vídeo ao vivo, garantindo uma interação contínua e confiável.
4. Integração e gerenciamento de carga útil: Os SBCs facilitam a integração de hardware adicional ou cargas úteis especializadas. Eles controlam e coordenam esses componentes adicionais, permitindo que os drones realizem diversas tarefas além do voo básico.
5. Eficiência e otimização: Os SBCs são otimizados em tamanho, peso e eficiência energética. Eles são projetados para lidar com cálculos sofisticados enquanto consomem energia mínima, crucial para operações de drones onde as restrições de recursos são significativas.

Escolhendo SBC para drone de vigilância aérea

A escolha de um SBC como controlador de voo para drones de vigilância aérea exige a consideração de várias características e tecnologias para garantir que ele atenda aos requisitos técnicos de tais aplicações. Considerado um dos SBCs mais poderosos, o NVIDIA Jetson AGX Xavier é adequado para esse objetivo devido às suas funcionalidades avançadas e hardware de alto desempenho voltado para tarefas focadas em IA, incluindo a vigilância aérea. As seguintes características e tecnologias do NVIDIA Jetson AGX Xavier o tornam o mais adequado:

1. Vigilância em Tempo Real com IA: O desempenho excepcional da IA (32 TOPS) permite que drones processem dados em tempo real. Essa capacidade é crucial para a análise imediata de imagens aéreas, facilitando tomadas de decisão rápidas em cenários de vigilância, como identificação de ameaças, rastreamento de objetos ou análise de situações em mudança.
2. Processamento Avançado de Visão: A arquitetura da GPU com 512 núcleos CUDA permite que drones realizem processamento paralelo de alta velocidade, possibilitando cálculos complexos baseados em visão. Essa capacidade auxilia em tarefas como detecção de objetos, classificação e compreensão do ambiente, melhorando a capacidade do drone de interpretar e responder ao ambiente de maneira eficaz.
3. Algoritmos Avançados de Aprendizado Profundo: Suportando frameworks como TensorFlow, PyTorch e CUDA, permite que desenvolvedores implementem algoritmos sofisticados de IA na plataforma Xavier. Isso facilita a criação de modelos avançados para detecção de objetos, reconhecimento e análise preditiva, aprimorando a capacidade do drone de entender e reagir a diversos cenários.
4. Imagens de Alta Qualidade: As múltiplas entradas de câmera de alta resolução permitem que drones capturem dados visuais detalhados e diversos de vários ângulos. Esse recurso é fundamental no reconhecimento aéreo, proporcionando imagens claras e abrangentes para fins de vigilância, auxiliando na identificação e rastreamento de objetos ou outros itens de interesse.
5. Manuseio Eficiente de Dados e Conectividade: O poder de processamento do SBC e as opções de conectividade (PCIe, USB, Ethernet Gigabit) facilitam a transferência eficiente de dados e integração com outros componentes de hardware no drone. Isso garante comunicação eficiente entre sensores, câmeras e sistemas de controle, permitindo um sistema de vigilância coordenado e responsivo.
6. Integração Compacta: Apesar do desempenho poderoso, o formato compacto do AGX Xavier permite uma integração sem problemas nos sistemas de drone. Essa integração não compromete o poder de processamento, permitindo que os drones mantenham agilidade e manobrabilidade enquanto realizam tarefas de vigilância de forma eficaz.

Construção de um Drone Baseado em SBC

Os drones são compostos por vários componentes, cada um desempenhando uma função específica. Aqui estão as principais partes de um drone juntamente com suas funções técnicas e especificações comumente seguidas:

1. Controladores de motores: O circuito controlador de motores do drone é projetado para gerenciar eficientemente o sistema de propulsão, focando no controle de velocidade. Considere o projeto de controlador de motor fornecido pela Avnet. Este projeto concentra-se no controle de velocidade para um drone. A fonte de alimentação é uma bateria de íons de lítio 14S, com um driver de meia ponte para implementação buck síncrona. Um MCU usado no projeto abaixo executa um algoritmo de FOC e modula PWM para acionar MOSFETs para controle de velocidade. Os microcontroladores NXP MK20DX128VFM5 e S9S12XS256J0VAL executam algoritmos de controle e interconectam-se com sensores para navegação e estabilização. Os MOSFETs STP24N60DM2, STF25N60M2-EP e FDBL0150N80, juntamente com o driver de porta PM8834 da STMicroelectronics, controlam correntes de alta demanda e regulam a velocidade e direção do motor. O amplificador TSV631AILT da STMicroelectronics provavelmente é usado para condicionamento ou amplificação de sinal. Esses componentes trabalham juntos usando sinais PWM para modular a potência do motor, garantindo controle preciso e estabilidade na dinâmica de voo do drone.

2. Controlador de voo: O BeagleBone Blue é um componente crucial para o controle autônomo de voo de quadricópteros em drones de vigilância aérea. Ele possui um processador ARM Cortex-A8 de 1GHz, IMU integrado, barômetro e circuitos de controle de motor. O processador ARM alimenta o processamento de dados em tempo real e algoritmos de controle, enquanto os sensores integrados, como a IMU e o barômetro, determinam com precisão a orientação, altitude e posição do drone. O circuito de controle do motor permite a manipulação precisa dos motores do quadricóptero, garantindo uma operação suave e autônoma para drones de vigilância aérea.

3. Computadores de placa única como CPU: O Gateworks Ventana GW5530 SBC se destaca em tarefas computacionais críticas e essenciais para aplicações de vigilância aérea. Considere o projeto abaixo: seu processador NXP i.MX6 Quad-Core ARM Cortex-A9 permite recursos robustos para processamento de imagens em tempo real, facilitando a análise imediata das figuras capturadas. O SBC gerencia análises de dados complexas, aproveitando até 4GB de RAM DDR3 e opções de armazenamento versáteis para armazenar imagens de alta resolução, vídeos e dados de sensores vitais para missões de vigilância. Sua abrangente suíte de conectividade, que inclui Ethernet Gigabit, portas USB, soquetes Mini-PCIe e módulos sem fio opcionais (Wi-Fi, Bluetooth), garante transferência eficiente de dados, comunicação contínua e funções de controle remoto. Além disso, a GPU Vivante GC2000 integrada acelera tarefas gráficas, aprimorando o processamento de imagens e aumentando a eficiência da análise de vídeo, auxiliando especificamente na detecção de objetos em cenários de vigilância aérea. Com interfaces I/O cruciais como GPIO, portas seriais, SPI e I2C, o SBC se integra perfeitamente a vários sensores, câmeras, módulos GPS e periféricos essenciais para a operação de drones e coleta abrangente de dados em diversas aplicações, como monitoramento ambiental, segurança e agricultura.

4. Baterias: As baterias LiPo são amplamente utilizadas em drones de vigilância aérea devido à sua alta densidade de energia, construção leve e alta capacidade de descarga de corrente. Essas baterias, compostas por várias células conectadas em série, fornecem tensões de 7,4V a 22,2V ou mais, com capacidades variando de algumas centenas a vários milhares de mAh. Quanto maior a classificação C, maior a capacidade de saída de energia. A bateria YOBLP4549652P3M – 2P-454965 – 3,7V/3000mAh, por exemplo, tem uma capacidade de 3000mAh e é adequada para drones de pequeno a médio porte. No entanto, o carregamento, armazenamento e manuseio adequados são cruciais para a longevidade e segurança dos drones. Verificações regulares para desgaste, danos ou degradação são recomendadas.

5. Sistemas de visão: Câmeras em drones de vigilância aérea desempenham várias funções, como captura de imagens, vigilância e monitoramento, análise e mapeamento, segurança e aplicação da lei, operações de busca e resgate e monitoramento ambiental. Considere o módulo de câmera abaixo: o Kit de Câmera Pmod TDNext 1.26Mpixel, um módulo popular de vigilância aérea, utiliza o sensor CMOS MT9M114 da ON Semiconductor com uma matriz de pixels ativos de 1,26 megapixels.

A câmera oferece recursos avançados como controle automático de exposição, balanço de branco automático, controle do nível de preto, redução de cintilação e correção de defeitos para qualidade de imagem ideal sob condições de iluminação variáveis. Projetado para desempenho em baixa luminosidade, facilita tarefas como monitoramento detalhado, análise, mapeamento, segurança e operações de busca e resgate, tornando-se uma ferramenta essencial para vigilância baseada em drones nos kits de desenvolvimento Xilinx habilitados para Pmod da Avnet.

6. Sensores e sistemas de navegação: Auxiliam na navegação, controle de altitude e desvio de obstáculos, com GPS para rastreamento preciso de localização, sensores de altitude medindo barômetros ou ultrassônicos, e desvio de obstáculos usando sensores infravermelhos ou ultrassônicos. Um módulo GPS comumente usado em drones é o GP-01-Kit, que é uma placa de desenvolvimento System on Chip (SOC) com um receptor GNSS, especificamente o chip de posicionamento por satélite AT6558R. Ele suporta múltiplos sistemas de navegação por satélite, melhorando a precisão e a confiabilidade do posicionamento. O receptor GNSS permite que o drone determine sua posição com precisão, garantindo um voo estável. Ele segue o protocolo NMEA para troca de dados GPS/GNSS, facilitando a integração no sistema do drone.

7. Transmissor de rádio: Um transmissor de rádio para drones é um dispositivo que conecta o piloto ao drone, transmitindo comandos através de frequências específicas para um receptor de rádio. Esses comandos traduzem as entradas do piloto em movimentos precisos para o multirotor. As frequências comuns incluem 27MHz, 72MHz, 433MHz, 900MHz, 1.3GHz e 2.4GHz. O OpenTX, um firmware de código aberto, é compatível com vários modelos de rádio e oferece opções de personalização. A integração da tecnologia Wi-Fi e Bluetooth permitiu que os fabricantes de drones desenvolvessem sistemas de controle avançados compatíveis com smartphones ou tablets, melhorando a experiência do usuário e a acessibilidade para drones de vigilância aérea. Essa tecnologia tornou os drones mais acessíveis e confiáveis, tornando-os uma ferramenta valiosa para os pilotos.

8. Receptor de rádio: O receptor de rádio em um drone aéreo atua como intermediário entre os comandos do piloto transmitidos pelo transmissor de rádio e o controlador de voo do drone. Sua função principal é capturar e interpretar esses comandos, que são então traduzidos pelo controlador de voo em ações específicas para controlar os movimentos da aeronave. As especificações técnicas do receptor incluem requisitos de compatibilidade com o transmissor de rádio; geralmente, receptores e transmissores da mesma marca precisam ser adquiridos para estabelecer a comunicação. Além disso, tanto o receptor quanto o transmissor devem operar na mesma frequência, garantindo compatibilidade — por exemplo, um transmissor de 2.4GHz necessita de um receptor de rádio de 2.4GHz — para permitir uma comunicação eficaz e sem falhas entre o piloto e o drone.

9. Controlador eletrônico de velocidade (ESC): O controlador eletrônico de velocidade é um componente crucial no controle de drones, gerenciando a velocidade, direção de voo e convertendo a energia da bateria DC em AC para operação dos motores. O processador i.MXRT1052 da NXP Semiconductors, que aciona quatro motores sem escova usando um algoritmo de controle orientado a campo não indutivo, reduz custos de fabricação e tamanho do sistema, oferecendo potencial para avanços em drones. Ele pode acomodar interfaces periféricas como LCD, câmera, USB, UART, CAN, Ethernet e PWM, facilitando o processamento contínuo de sinais de sensores como dados de vídeo, acelerômetro, giroscópio, bússola magnética e feedback de sensor barométrico. O processador também integra um conversor DC-DC embarcado e interface UART para controle preciso sobre posição, velocidade e corrente de armadura de motores AC. A solução de drone STM32G4 da STMicroelectronics inclui três aceleradores de hardware: o acelerador em tempo real adaptativo (ART), CCM-SRAM e aceleradores matemáticos para funções trigonométricas e filtros digitais, garantindo rápida recuperação de dados de sensores.

10. Placa de distribuição de energia (PDB): A placa de distribuição de energia (PDB) em drones é um componente importante que distribui energia elétrica da bateria para diversos sistemas a bordo. O MOSFET OptiMOS™ TolX da Infineon é um tipo específico de MOSFET usado em placas de distribuição de energia ou circuitos de controle de motores. Os MOSFETs são conhecidos por sua eficiência, baixa resistência e alta velocidade de comutação, tornando-os adequados para aplicações de eletrônica de potência. Eles são frequentemente utilizados em PDBs para gerenciar o fluxo de corrente, controlar o fornecimento de energia para diferentes componentes e proteger eletrônicos sensíveis contra picos de tensão ou sobrecargas. O MOSFET OptiMOS™ TolX possui características como baixa resistência on-state, alta capacidade de condução de corrente, suporte para alta frequência de comutação e carga low gate, que são essenciais para aplicações de drones onde peso, consumo de energia e responsividade são fatores críticos. Os MOSFETs desempenham um papel significativo no desempenho geral e na confiabilidade do sistema elétrico de um drone, garantindo distribuição de energia ótima e confiável para diversos componentes.
11. Estrutura: A estrutura de um drone aéreo é o seu esqueleto, feito de materiais leves como fibra de carbono, alumínio ou compósitos. Varia em tamanho e design, indo desde drones pequenos estilo quadricópteros (250mm a 500mm diagonalmente) até drones maiores de asa fixa (1 a 3 metros ou mais). Essas estruturas acomodam diversos recursos de carga útil, incluindo câmeras, sensores, baterias e módulos de comunicação.

12. Hélices: O desempenho de drones de vigilância aérea depende das especificações técnicas das hélices, incluindo tamanho, eficiência de balanceamento e seleção de materiais. Os diâmetros maiores de hélices proporcionam estabilidade e sustentação, enquanto o passo afeta a propulsão e a velocidade. As hélices de três ou quatro lâminas reduzem o ruído para operações silenciosas. Materiais compostos como fibra de carbono ou plásticos reforçados aumentam a durabilidade e reduzem o peso, permitindo tempos de voo mais longos e maior cobertura terrestre. O balanceamento adequado e a direção de rotação são cruciais para voo estável e captura de imagens ou vídeos de alta qualidade.

Segmentos de Drones por Aplicação

As aplicações de drones podem ser classificadas em quatro grandes categorias: vigilância, mapeamento, inspeção e entrega.

1. Vigilância: Drones equipados com recursos avançados de análise, como detecção e rastreamento de alvos e indicador de alvos em movimento, fornecem visão aérea de alto desempenho, transmitindo vídeo em tempo real tanto de dia quanto à noite.
2. Mapeamento: A tecnologia dos drones com diferentes tipos de sensores pode fornecer informações de mapeamento precisas. Isso reduz significativamente os custos e as horas de trabalho de captura de dados. Os drones podem inspecionar áreas inacessíveis e entregar mapas aéreos de alta resolução que seriam impossíveis de produzir de maneira segura ou econômica.
3. Inspeção: Drones de inspeção permitem que os inspetores humanos coletem dados de inspeção rapidamente, eliminando etapas arriscadas e de trabalho intensivo.
4. Entrega: Serviços de entrega por drones podem distribuir medicamentos prescritos, pacotes, mantimentos, alimentos e outros suprimentos de saúde domiciliar.

Casos de uso em tempo real de drones de vigilância aérea

1. Drone MAUI63 – Drones com inteligência artificial para proteger os golfinhos de Māui e Hector da extinção

A MAUI63 utiliza drones equipados com inteligência artificial, câmeras de alta resolução, sensores avançados e sistemas de computação a bordo para proteger os golfinhos ameaçados Māui e Hector. Esses drones provavelmente possuem algoritmos de IA de ponta que permitem a análise de dados em tempo real para identificação de golfinhos, rastreamento de comportamento e detecção de ameaças. Câmeras de alta resolução e possivelmente sensores adicionais, como LiDAR ou imagem térmica, fornecem informações detalhadas sobre os habitats e comportamentos dos golfinhos. Esses drones possuem sistemas de computação a bordo com capacidades de processamento poderosas, permitindo análise imediata e tomada de decisão durante os voos de vigilância. Tal tecnologia auxilia os esforços de conservação ao detectar ameaças potenciais, ajudando no monitoramento de habitats e facilitando estratégias baseadas em dados, essenciais para proteger essas espécies de golfinhos ameaçadas.

2. Drones inteligentes para combater a pesca ilegal na África

A ATLAN Space desenvolveu uma tecnologia de drones que usa inteligência artificial para monitorar grandes áreas marinhas sem intervenção humana. Os drones são programados para distinguir entre diferentes contextos, como áreas marinhas protegidas, pontos críticos de pesca ilegal e condições meteorológicas. Se um barco de pesca for detectado, o drone analisará seu comportamento com base em sua localização, atividades e frota. A tecnologia aumenta o alcance operacional dos drones, permitindo que cubram 10.000 quilômetros quadrados sem intervenção humana. Os drones voam a mais de 300 metros, tornando-os inacessíveis por meios não militares. Se o drone tiver 95% de certeza de que o comportamento é ilegal, ele envia informações relevantes às autoridades locais, incluindo o horário, coordenadas GPS e localização, para que decidam sobre a ação a ser tomada. A novidade desta tecnologia consiste na sua capacidade de dispensar a intervenção humana em longas distâncias, permitindo que os drones cubram grandes áreas e tomem decisões autônomas.

Conclusão

O futuro dos drones de inspeção para levantamentos aéreos alimentados por SBCs parece promissor, com os avanços na tecnologia de SBCs levando a um aumento no poder de processamento, nos recursos de IA, na eficiência energética e na integração de sensores. Esses avanços podem abrir caminho para uma ampla gama de aplicações em inspeção de infraestrutura, monitoramento ambiental, agricultura de precisão, planejamento urbano, resposta a desastres, pesquisa científica e gestão de recursos. À medida que os SBCs continuam a evoluir, é provável que desempenhem um papel crucial na definição dos recursos e eficiência dos drones de inspeção para várias indústrias.

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* Texto originalmente publicado no link, adaptado pela Equipe Embarcados.