El producte i les necessitats de mercat
El desafiament tecnològic de el projecte EXO Data és desenvolupar una solució flexible per controlar de forma remota i en temps real les aeronaus d’ala fixa Exodronics mitjançant la xarxa de telecomunicacions 3G-4G LTE (a punt per ser adaptada a 5G). La innovació proporcionarà un alt rang de control més enllà de la línia de visió de l’pilot (BVLOS), d’acord amb la seva autonomia de vol superior a les que ofereix actualment el mercat, permetent la integració de tecnologies de visió artificial, big data, deep learning, adaptades a la nou paradigma de flota autònoma de drones.
Objectius
El requisit inicial i principal era el rang il·limitat de comunicació entre el dron i el segment terrestre, tenint en compte la telemetria i el vídeo en viu. Aquest requisit implica sobrepassar les comunicacions d’enllaç de ràdio locals entre l’estació de control terrestre (GCS) i el controlador de vol de l’dron (FC). L’objectiu es centra en l’ús de la xarxa 4G, que permet vincular el dron amb el GCS i amb qualsevol dispositiu connectat a Internet en qualsevol lloc (portàtil GCS, servidor de dades EXO, ordinador de la seu de l’operador, dispositiu mòbil de l’usuari final …).
Fig. 1. Exemple d’esquema lògic de EXO data. Descripció d’enllaços. R: FPV, telemetria i vídeo HD (opcional). B: FPV (opcional), telemetria i vídeo HD. C: vídeo HD processat per CV, informació de telemetria i emmagatzematge de base de dades. D: Sol·licituds de telemetria i FPV (opcional).
Arquitectura de maquinari i sistema
El maquinari i l’arquitectura de sistema s’han desenvolupat en col·laboració amb UAVMatrix [https://uavmatrix.com/] i NEXIONA [https://nexiona.com/]. Dins el dron sol haver un conjunt de sensors de navegació (GNSS, IMU, baròmetre, brúixola, tub pitot, …) que alimenten el controlador de vol (FC) [http://www.proficnc.com/], i un mòdul de telemetria amb una antena per enllaçar per ràdio el FC amb l’estació de control de sòl (GCS). En EXO Data necessitem una microcomputadora addicional (per exemple, Raspberry Pi [https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-zero-w/]), un mòdem (per exemple, memòria USB) i una targeta SIM per connectar el dron a internet. Val la pena assenyalar que el maquinari addicional s’alimenta i regula amb un circuit d’alimentació independent de la bateria del dron i el mòdul d’alimentació, per evitar el subministrament a través de l’FC i mantenir les funcions independents.
Les càmeres de vídeo han de ser compatibles amb els ports de l’microordinador. En el cas de Raspberry Pi, fem servir un vídeo ZeroCam per a vista en primera persona (FPV), i per a les càmeres de vídeo d’observació de la Terra a baix fem servir una càmera PiCam o una càmera tipus GoPro (amb un convertidor HDMI -CSI) connectada a l’entrada de vídeo Raspberry. Port.
Fig 2: Diagrama de blocs lògic d’elements i connexions de l’dron. Descripció d’enllaços. E: vídeo FPV (ample de banda mig). F: vídeo HD a baix (ample de banda alt). G: Control de telemetria (ample de banda baix). H / I: dades de telemetria (ample de banda baix). J: Ordres de control (ample de banda baix). K: Enllaç de prova / configuració bidireccional local. L: Enllaç de prova / configuració bidireccional local + vídeo FPV (ample de banda mig) + vídeo HD a baix (ample de banda alt) + dades de telemetria (ample de banda baix).
L’arquitectura de sistema es basa en una xarxa privada virtual (VPN) composta per tres adreces IP principals: 1 / La ubicació de l’dron a bord. 2 / La ubicació pilot de GCS. 3 / La ubicació de servidor de dades EXO. Cada un d’aquests tres punts finals VPN té accés a Internet i estan vinculats de forma segura entre ells, amb un identificador fix intern.
Fig. 3. Virtual Private Network (VPN) esquema d’arquitectura.
S’instal·la un programari en una microcomputadora a bord, que obté la telemetria de el controlador de vol (FC), el vídeo d’una càmera i accessible als punts finals de VPN per a la seva visualització, com una interfície web. A més, pot transmetre dades de vídeo i telemetria als punts finals de VPN i reproduir les dades localment en el punt final. La microordinador actua com un centre entre les dades d’entrada de l’dron que s’enviaran (FC i càmeres) i com un pont entre el dron i la VPN (per exemple, ZeroTier [https://www.zerotier.com/]).
Pel que fa a l’Real Time Streaming Protocol (RTSP), fem servir el protocol TCP / IP per transmetre de forma segura la telemetria sense perdre paquets de dades, mentre que utilitzem el protocol UDP per transmetre el vídeo i assegurar una baixa latència combinada. La codificació i l’empaquetat de les dades de telemetria es realitzen seguint el protocol MAVlink, que es pot descodificar i traçar en un programari de GCS molt utilitzat (per exemple, Mission Planner [https://ardupilot.org/planner/]). La codificació i l’empaquetat de vídeo es realitzen amb compressió H264 (relació 1: 125), el que representa una qualitat de vídeo de 1280×720 píxels, 720p i 30 fps, que es pot descodificar i reconstruir en programari de vídeo àmpliament utilitzat (per exemple , VLC, Gstreamer).
Fig. 4. Cas pràctic: configuració de l’hardware i esquema de connexió.
Hi ha cobertura 4G quan vola el dron?
La principal preocupació és la viabilitat de les telecomunicacions de la xarxa 4G, especialment els talls d’enllaç causa de la pèrdua de cobertura. En col·laboració amb EACOM [https://www.eacomsa.com/], vam realitzar experiments teòrics i pràctics per a demostrar-ho.
Les antenes típiques desplegades per la xarxa 4G tenen patrons de radiació verticals amb amples de feix de al voltant de 10 °. Les antenes estan subjectes a inclinacions mecàniques i elèctriques (inclinació) perquè s’enfoquin en l’àrea de cobertura i evitin sobrepassar les estacions veïnes.
El següent gràfic fa una estimació de la distància màxima i mínima considerant una alçada de vol de 60 metres i 120 metres i entrant a l’estació amb un angle de 20 ° i un altre de 5 ° sobre l’horitzontal:
Fig. 5. Patró de distribució de lòbuls de el feix de l’antena 4G: rang de connectivitat teòric de les antenes 4G. (Font: modificat de Kathrein).
La pèrdua d’espai lliure (UIT-R p.525.2) és:
Lbf = 32,4 + 20 log f + 20 log d
f = freqüència en MHz; d = distància en km
Prendrem per al càlcul el més restrictiu que és el 2600 MHz i el de més distància (1376 m):
Lbf = 32,4 + 68,3 + 2,27 = 102,97 dB
Nivell de senyal a l’antena de l’dron = 43 dBm + 18,5 – 102,97-18 = -59,79 dBm
Si les freqüències mostrades fossin més baixes, el nivell del senyal milloraria. Un bon nivell de senyal en 4G es considera per sobre de -75 dBm.
Per tant, s’espera que el dron pugui rebre un senyal 4G de bona qualitat a distàncies superiors a 2 km de l’estació o fins i tot majors. No obstant això, el moviment de l’dron farà que en algun moment entre una radiació zero des de l’estació (veure diagrama de radiació). Això forçarà l’inici d’un protocol de transferència per transferir la comunicació a un altre node a la xarxa.
A la pràctica, trobem que a altures de vol inferiors a 120 m la cobertura era millor que a nivell de terra. La topografia i els elements de la superfície (vegetació, edificis) no estan enfosquint el senyal quan el dron està en l’aire, mentre estava compromès abans d’enlairar. A més, si l’antena de la xarxa 4G que cobreix l’àrea de vol està situada en un turó sobre l’altitud màxima de l’dron (com és habitual), el lòbul de l’antena principal cobreix el receptor 4G de l’dron i el senyal és excel·lent. No obstant això, si l’antena de la xarxa 4G està ubicada en una posició de conca (no és comú), o el dron si vola a altituds superiors a 120 m sobre el nivell de terra (comunament no permès), la qualitat de la cobertura disminueix.
És suficient l’ample de banda?
Pel que fa a el rendiment de la xarxa, la xarxa 4G no és simètrica i té menys rendiment al canal ascendent que al canal descendent. En el cas de la transmissió de vídeo en temps real, el factor limitant és el rendiment al canal ascendent, des del dron fins als punts terrestres. L’estàndard especifica un màxim de 100 Mbps al canal descendent i 50 Mbps al canal ascendent. No obstant això, a l’ésser sistemes de transmissió que comparteixen el medi amb diversos usuaris, el throughput real que obtindrem dependrà de factors com la càrrega de la xarxa en aquest moment. En teoria, s’espera un rendiment de flux ascendent de prop de 9 Mbps, que pot ser suficient per FPV. A la pràctica, trobem un rang des de taxes molt baixes fins pics de 15 Mbps.
És tan alt el consum de dades?
Prenent com a exemple un vídeo de 720p a 30 fps, el càlcul de les necessitats d’emmagatzematge en MB per a un minut de vídeo es pot realitzar de la següent manera:
C = (1280x720x30 x (nombre de colors / píxel) x (nombre de bits / color) x 60 segons x taxa de compressió de l’còdec) / (8 bits / byte)
Suposant 3 colors per píxel i 8 bits per color:
C = 5 GB x taxa de compressió de còdec
Un minut de vídeo requerirà aproximadament 40 MB de memòria. Considerem que serà necessari un ample de banda de al menys 5Mbps per transmetre aquest vídeo en streaming amb la qualitat adequada.
Prenent com a exemple un vídeo en qualitat 4K i 60 fps, un minut de vídeo requerirà aproximadament 400 MB de memòria. Considerem que serà necessari un ample de banda de al menys 25 Mbps per transmetre aquest vídeo en streaming. Aquest és un consum de dades realment alt, el que ho fa no assequible per als usuaris comuns, però amb la propera tecnologia 5G aquest escenari pot canviar.
És la latència prou baixa?
La latència pot ser el punt més crític, especialment en el vídeo de vista en primera persona (FPV), que ha d’assolir els 250 ms. Depenent de la posició dels servidors arrel de VPN, la latència pot arribar als 100 ms només a causa de l’arquitectura de sistema. Aquest valor afegit a la latència de l’electrònica (entre 30 ms i 50 ms) i a l’introduït per la xarxa 4G, pot en alguns casos causar problemes per al vídeo en temps real (protocol UDP). A la pràctica, sembla que encara hi ha petits microtalls, la qualitat de l’FPV és bona a una resolució de 720p i 30 fps i la latència està per sota de el requisit de 250 ms. No obstant això, aquest valor és molt volàtil i depèn de la qualitat del senyal.
¿Targeta SIM multioperador?
Hi ha algunes empreses de telecomunicacions que tenen acords amb els principals operadors de telecomunicacions i proporcionen targetes SIM “multioperador” (per exemple, Wirelesslogic [https://www.wirelesslogic.com/]). Si hi ha una targeta SIM multioperador al mòdem a bord de l’dron, té l’avantatge de connectar la xarxa de l’operador amb millor senyal. En la majoria dels països desenvolupats, hi ha tres o més administradors de xarxes físiques (per exemple, Vodafone, Orange, Telefónica …) i comparteixen la infraestructura, però a tot arreu hi ha millor senyal d’un operador. La SIM multioperador analitza la cobertura quan s’inicialitza i s’obté a l’operador amb la millor senyal per realitzar aquest únic vol.
