El producto y las necesidades del mercado
El desafío tecnológico del proyecto EXO Data es desarrollar una solución flexible para controlar de forma remota y en tiempo real las aeronaves de ala fija Exodronics mediante la red de telecomunicaciones 3G-4G LTE (lista para ser adaptada a 5G). La innovación proporcionará un alto rango de control más allá de la línea de visión del piloto (BVLOS), de acuerdo con su autonomía de vuelo superior a las que ofrece actualmente el mercado, permitiendo la integración de tecnologías de visión artificial, big data, deep learning, adaptadas al nuevo paradigma de flota autónoma de drones.
Objetivos
El requisito inicial y principal era el rango ilimitado de comunicación entre el dron y el segmento terrestre, teniendo en cuenta la telemetría y el video en vivo. Este requisito implica sobrepasar las comunicaciones de enlace de radio locales entre la estación de control terrestre (GCS) y el controlador de vuelo del dron (FC). El objetivo se centra en el uso de la red 4G, que permite vincular el dron con el GCS y con cualquier dispositivo conectado a internet en cualquier lugar (portátil GCS, servidor de datos EXO, ordenador de la sede del operador, dispositivo móvil del usuario final …).
Fig. 1. Ejemplo de esquema lógico de EXO data. Descripción de enlaces. R: FPV, telemetría y video HD (opcional). B: FPV (opcional), telemetría y video HD. C: video HD procesado por CV, información de telemetría y almacenamiento de base de datos. D: Solicitudes de telemetría y FPV (opcional).
Arquitectura de hardware y sistema
El hardware y la arquitectura del sistema se han desarrollado en colaboración con UAVMatrix [https://uavmatrix.com/] y NEXIONA [https://nexiona.com/]. Dentro del dron suele haber un conjunto de sensores de navegación (GNSS, IMU, barómetro, brújula, tubo pitot,…) que alimentan al controlador de vuelo (FC) [http://www.proficnc.com/], y un módulo de telemetría con una antena para enlazar por radio el FC con la estación de control de suelo (GCS). En EXO Data necesitamos una microcomputadora adicional (por ejemplo, Raspberry Pi [https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-zero-w/]), un módem (por ejemplo, memoria USB) y una tarjeta SIM para conectar el dron a internet. Vale la pena señalar que el hardware adicional se alimenta y regula con un circuito de alimentación independiente de la batería del dron y el módulo de alimentación, para evitar el suministro a través del FC y mantener las funciones independientes.
Las cámaras de video deben ser compatibles con los puertos del microordenador. En el caso de Raspberry Pi, usamos un video ZeroCam para vista en primera persona (FPV), y para las cámaras de video de observación de la Tierra hacia abajo usamos una cámara PiCam o una cámara tipo GoPro (con un convertidor HDMI -CSI) conectada a la entrada de video Raspberry. Puerto.
Fig 2: Diagrama de bloques lógico de elementos y conexiones del dron. Descripción de enlaces. E: video FPV (ancho de banda medio). F: video HD hacia abajo (ancho de banda alto). G: Control de telemetría (ancho de banda bajo). H / I: datos de telemetría (ancho de banda bajo). J: Comandos de control (ancho de banda bajo). K: Enlace de prueba / configuración bidireccional local. L: Enlace de prueba / configuración bidireccional local + video FPV (ancho de banda medio) + video HD hacia abajo (ancho de banda alto) + datos de telemetría (ancho de banda bajo)
La arquitectura del sistema se basa en una red privada virtual (VPN) compuesta por tres direcciones IP principales: 1 / La ubicación del dron a bordo. 2 / La ubicación piloto de GCS. 3 / La ubicación del servidor de EXO Data. Cada uno de estos tres puntos finales VPN tiene acceso a Internet y están vinculados de forma segura entre ellos, con un identificador fijo interno.
Fig. 3. Virtual Private Network (VPN) esquema de arquitectura.
Se instala un software en una microcomputadora a bordo, que obtiene la telemetría del controlador de vuelo (FC), el video de una cámara y es accesible a los puntos finales de VPN para su visualización, como una interfaz web. Además, puede transmitir datos de video y telemetría a los puntos finales de VPN y reproducir los datos localmente en el punto final. La microcomputadora actúa como un centro entre los datos de entrada del dron que se enviarán (FC y cámaras) y como un puente entre el dron y la VPN (por ejemplo, ZeroTier [https://www.zerotier.com/]).
En cuanto al Real Time Streaming Protocol (RTSP), utilizamos el protocolo TCP / IP para transmitir de forma segura la telemetría sin perder paquetes de datos, mientras que utilizamos el protocolo UDP para transmitir el video y asegurar una baja latencia combinada. La codificación y el empaquetado de los datos de telemetría se realizan siguiendo el protocolo MAVlink, que se puede decodificar y trazar en un software de GCS muy utilizado (por ejemplo, Mission Planner [https://ardupilot.org/planner/). La codificación y el empaquetado de video se realizan con compresión H264 (relación 1: 125), lo que representa una calidad de video de 1280×720 píxeles, 720p y 30 fps, que se puede decodificar y reconstruir en software de video ampliamente utilizado (por ejemplo, VLC, Gstreamer).
Fig. 4. Caso práctico: configuración del hardware y esquema de conexión.
¿Hay cobertura 4G cuando vuela el dron?
La principal preocupación es la viabilidad de las telecomunicaciones de la red 4G, especialmente los cortes de enlace debido a la pérdida de cobertura. En colaboración con EACOM [https://www.eacomsa.com/], realizamos experimentos teóricos y prácticos para demostrarlo.
Las antenas típicas desplegadas para la red 4G tienen patrones de radiación verticales con anchos de haz de alrededor de 10 °. Las antenas están sujetas a inclinaciones mecánicas y eléctricas (inclinación) para que se enfoquen en el área de cobertura y eviten sobrepasar las estaciones vecinas.
El siguiente gráfico hace una estimación de la distancia máxima y mínima considerando una altura de vuelo de 60 metros y 120 metros y entrando a la estación con un ángulo de 20 ° y otro de 5 ° sobre la horizontal:
Fig. 5. Patrón de distribución de lóbulos del haz de la antena 4G: rango de conectividad teórico de las antenas 4G. (Fuente: modificado de Kathrein).
La pérdida de espacio libre (UIT-R p.525.2) es:
Lbf = 32,4 + 20 log f + 20 log d
f = frecuencia en MHz; d = distancia en Km
Tomaremos para el cálculo el más restrictivo que es el 2600 MHz y el de mayor distancia (1376 m):
Lbf = 32,4 + 68,3 + 2,27 = 102,97 dB
Nivel de señal en la antena del dron = 43 dBm + 18,5 – 102,97 – 18 = -59,79 dBm
Si las frecuencias mostradas fueran más bajas, el nivel de la señal mejoraría. Un buen nivel de señal en 4G se considera por encima de -75 dBm.
Por tanto, se espera que el dron pueda recibir una señal 4G de buena calidad a distancias superiores a 2 km de la estación o incluso mayores. Sin embargo, el movimiento del dron hará que en algún momento entre una radiación cero desde la estación (ver diagrama de radiación). Esto forzará el inicio de un protocolo de transferencia para transferir la comunicación a otro nodo en la red.
En la práctica, encontramos que a alturas de vuelo inferiores a 120 m la cobertura era mejor que a nivel del suelo. La topografía y los elementos de la superficie (vegetación, edificios) no están ensombreciendo la señal cuando el dron está en el aire, mientras estaba comprometido antes de despegar. Además, si la antena de la red 4G que cubre el área de vuelo está ubicada en una colina sobre la altitud máxima del dron (como es habitual), el lóbulo de la antena principal cubre el receptor 4G del dron y la señal es excelente. Sin embargo, si la antena de la red 4G está ubicada en una posición de cuenca (no es común), o el dron si vuela a altitudes superiores a 120 m sobre el nivel del suelo (comúnmente no permitido), la calidad de la cobertura disminuye.
¿Es suficiente el ancho de banda?
Con respecto al rendimiento de la red, la red 4G no es simétrica y tiene menos rendimiento en el canal ascendente que en el canal descendente. En el caso de la transmisión de video en tiempo real, el factor limitante es el rendimiento en el canal ascendente, desde el dron hasta los puntos terrestres. El estándar especifica un máximo de 100 Mbps en el canal descendente y 50 Mbps en el canal ascendente. Sin embargo, al ser sistemas de transmisión que comparten el medio con varios usuarios, el throughput real que vamos a obtener dependerá de factores como la carga de la red en ese momento. En teoría, se espera un rendimiento de flujo ascendente de alrededor de 9 Mbps, que puede ser suficiente para FPV. En la práctica, encontramos un rango desde tasas muy bajas hasta picos de 15 Mbps.
¿Es tan alto el consumo de datos?
Tomando como ejemplo un video de 720p a 30 fps, el cálculo de las necesidades de almacenamiento en MB para un minuto de video se puede realizar de la siguiente manera:
C = (1280x720x30 x (número de colores / píxel) x (número de bits / color) x 60 segundos x tasa de compresión del códec) / (8 bits / byte)
Suponiendo 3 colores por píxel y 8 bits por color:
C = 5GB x tasa de compresión de códec
Un minuto de video requerirá aproximadamente 40 MB de memoria. Consideramos que será necesario un ancho de banda de al menos 5Mbps para transmitir este video en streaming con la calidad adecuada.
Tomando como ejemplo un video en calidad 4K y 60 fps, un minuto de video requerirá aproximadamente 400 MB de memoria. Consideramos que será necesario un ancho de banda de al menos 25 Mbps para transmitir este video en streaming. Este es un consumo de datos realmente alto, lo que lo hace no asequible para los usuarios comunes, pero con la próxima tecnología 5G este escenario puede cambiar.
¿Es la latencia lo suficientemente baja?
La latencia puede ser el punto más crítico, especialmente en el video de vista en primera persona (FPV), que debe alcanzar los 250 ms. Dependiendo de la posición de los servidores raíz de VPN, la latencia puede alcanzar los 100 ms solo debido a la arquitectura del sistema. Este valor agregado a la latencia de la electrónica (entre 30 ms y 50 ms) y al introducido por la red 4G, puede en algunos casos causar problemas para el video en tiempo real (protocolo UDP). En la práctica, parece que aunque hay pequeños microcortes, la calidad del FPV es buena a una resolución de 720p y 30 fps y la latencia está por debajo del requisito de 250 ms. Sin embargo, este valor es muy volátil y depende de la calidad de la señal.
¿Tarjeta SIM multioperador?
Hay algunas empresas de telecomunicaciones que tienen acuerdos con los principales operadores de telecomunicaciones y proporcionan tarjetas SIM “multioperador” (por ejemplo, Wirelesslogic [https://www.wirelesslogic.com/]). Si hay una tarjeta SIM multioperador en el módem a bordo del dron, tiene la ventaja de conectar la red del operador con mejor señal. En la mayoría de los países desarrollados, hay tres o más administradores de redes físicas (por ejemplo, Vodafone, Orange, Telefónica… ) y comparten la infraestructura, pero en todas partes hay mejor señal de un operador. La SIM multioperador analiza la cobertura cuando se inicializa y obtiene al operador con la mejor señal para realizar este único vuelo.
Autores: Robert Guirado, Joan-Cristian Padró, Albert Zoroa (extra: EACOM)
