Diseño de un sistema monopulso 2D basado en antenas de onda de fugas para asistencia en aterrizaje autónomo de drones

Abstract

Los sistemas de posicionamiento global basados en constelaciones de satélites (GNSS), como el GPS, presentan una precisión habitual de unos pocos metros, lo cual es suficiente en multitud de aplicaciones y ha permitido su desarrollo comercial. Sin embargo, presentan limitaciones en entornos donde no alcanza la señal de los satélites y en aplicaciones que se requiere mayor precisión. En el caso de aterrizaje autónomo de drones donde la plataforma tiene unas dimensiones limitadas, un error de precisión supone la pérdida del dispositivo por lo que es necesario obtener una precisión mayor de la que ofrece un GPS convencional. Si bien los dispositivos GPS comerciales disponibles para drones anuncian precisiones de hasta 0,5 metros, en la realidad raramentesepuedeobteneresaprecisión.Parasolventaresteproblemaexistenalgunasalternativas, como los sistemas RTK (Real Time Kinematic), que también se basan en la señal emitida por la constelación de los satélites. Este tipo de sistemas presentan dos inconvenientes, por un lado son bastante caros, y por otro lado, para que funcionen requieren unas condiciones de visibilidad de los satélites que no siempre se pueden conseguir. Para abordar este problema, el presente trabajo fin de grado pretende desarrollar un sistema de localización y aterrizaje autónomo de drones diseñando una antena Leaky-wave [1] basado en la función monopulso [2][7] . Las "Leaky-wave antennas" (LWA) o antenas de onda de fuga generan diagramas de radiación muy directivos con una configuración simple. Además tienen una característica inherente que nos proporciona un escaneo en frecuencia al variar esta, lo que permite emplearlas en aplicaciones de radar. En este proyecto se ha diseñado una antena formada por un array de 4 Half-width LWA uniformes e iguales, que formarán parte del sistema monopulso. El sistema estimará la localización del objetivo a partir de la recepción del nivel de señal (RSSI) usando un algoritmo de posicionamiento basado en la dirección de llegada (Direction of Arrival, DoA) también denominado ángulo de llegada (AoA) Para obtener un buen sistema de localización, las antenas estarán orientadas hacia arriba siendo estas la plataforma de aterrizaje, y dadas sus características inherentes dispondremos de un mismo diagrama de radiación en cada antena, con un escaneo para distintas direcciones de apuntamiento según la frecuencia de trabajo. Para ello se propone operar en la banda Bluetooth Low Energy (BLE) de 2.4GHz para configurar un sistema monopulso. El sistema estimará la localización del dron cuando se encuentre próximo a la plataforma de aterrizaje a partir de la recepción del nivel de señal RSSI y utilizando un algoritmo de posicionamiento basado en la dirección de llegada DoA [10] [11]. La lectura de la RSSI se llevará a cabo mediante receptores conectados a los puertos de las antenas monopulso, cuyo diseño y configuración es el primer objetivo del proyecto. Cada una estimará la Dirección de Llegada (DoA) del dispositivo en direcciones perpendiculares (para cada eje), mientras que el valor de un sonar incorporado en el dron nos indicará la coordenada en altura, consiguiendo junto con el uso de unas sencillas operaciones aritméticas de procesado digital monopulso, permitirían la obtencióndeunafuncióndeerrordelocalización,apartirdelacualseestimaráladireccióndel terminal móvil a localizar y de ese modo establecer la ubicación exacta del dron. Este trabajo parte de la técnica propuesta en este artículo [17], donde pasamos de hacer el estudio en 1D a 2D, aumentamos el FoV total de 40o a 90o obteniendo mayor resolución, además se usan 3 frecuencias BLE en antenas LWA. Y sigue la línea futura propuesta en este Trabajo Final de Máster [6], donde se proponía ampliar el FoV, usando antenas que escaneen en frecuencia con un protocolo BLE para conseguir dicho propósito, y por tanto aumentar el áreacubiertamientrasseasistealdron,sintenerquecomprometerlaresoluciónangularusando antenas con haces muy anchos. En este proyecto se conseguirán mejorar estas características. Por último, cabe mencionar que el resultado de este proyecto comoTrabajoFindeGrado es el segundo que se realiza después del TFM mencionado, con el objetivo de entender como usar sistemas digitales para obtener funciones monopulso en 2D para la aplicación de asistencia en el aterrizaje de un dron.