Làm thế nào LTE và 5G đang cung cấp năng lượng cho thế hệ máy bay không người lái tiếp theo

BẰNG Máy bay không người lái Phát triển từ máy ảnh bay cơ bản sang các nền tảng thu thập dữ liệu tự trị, nhu cầu nhanh chóng của chúng
Giao tiếp đáng tin cậy và tầm xa là quan trọng hơn bao giờ hết. Các hệ thống tần số vô tuyến truyền thống (RF) và Wi-Fi Giới hạn các khả năng của máy bay không người lái, đặc biệt là các hoạt động ngoài tầm nhìn trực quan (BVLOS) và truyền dữ liệu thời gian thực. Đó là nơi mà các công nghệ di động LTE (4G) và 5G xuất hiện trong việc cung cấp kết nối tầm xa, băng thông cao và độ trễ thấp bằng cách sử dụng cơ sở hạ tầng mạng di động hiện có. Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ khám phá cách LTE và 5G trong máy bay không người lái được tích hợp vào các UAV hiện đại (xe máy không người lái), những lợi ích mà họ cung cấp, những thách thức liên quan và làm thế nào cả các kỹ sư và người có sở thích có thể bắt đầu với máy bay không người lái kết nối di động.

Tại sao LTE và 5G là người thay đổi trò chơi để giao tiếp bằng máy bay không người lái?

Hạn chế của các hệ thống RF và Wi-Fi truyền thống.

• Phạm vi ngắn (500m - 2km).
• Chỉ có tầm nhìn.
• Sự can thiệp cao trong các ban nhạc ISM đông đúc.
• Băng thông hạn chế và độ trễ cao.
• Những hạn chế này hạn chế các ứng dụng như truyền phát video 4K thời gian thực, kiểm tra tự trị, phân phối đường dài và phối hợp Swarm.

LTE/5G cung cấp những lợi thế chính sau:

Cách LTE/5G hoạt động bên trong máy bay không người lái: Tổng quan về phần cứng và phần mềm

Các thành phần phần cứng cho tích hợp máy bay không người lái 4G/5G

Để kích hoạt giao tiếp LTE hoặc 5G trong máy bay không người lái, bạn sẽ cần:

• Mô -đun tế bào 4G/5G: Ví dụ: Quectel EC25 (LTE EC25 (LTE EC25 (LTE), Qualcomm Snapdragon X55 (5G).
• Thẻ SIM hoặc ESIM: Với gói dữ liệu (tốt nhất là với IP tĩnh cho từ xa).
• Ăng-ten tăng cao: Để tiếp nhận tốt hơn, đặc biệt là trong môi trường di động.
• Tích hợp bộ điều khiển chuyến bay: Thông qua USB, UART hoặc Ethernet.
• Quản lý pin: Modem có thể thu hút sức mạnh đáng kể trong quá trình truyền.
• Mẹo cho những người có sở thích: Bắt đầu với mô-đun 4G LTE như SIM7600G-H trên Raspberry PI hoặc Jetson Nano để tạo nguyên mẫu cho một hệ thống máy bay không người lái di động.

Phần mềm ngăn xếp cho máy bay không người lái kết nối di động.

• Hệ điều hành: Các hệ thống dựa trên Linux như Ardupilot hoặc PX4.
• Kết nối: Giao diện PPP, QMI hoặc MBIM để hiển thị dữ liệu di động.
• Giao thức: Mavlink trên TCP/UDP cho từ xa; RTSP/RTMP/WEBRTC cho video.
• Bảo vệ : Đường hầm VPN, TLS/SSL cho mã hóa lệnh và kiểm soát (C2).
• Tích hợp đám mây: API MQTT/HTTP tùy chọn cho bảng điều khiển từ xa.

Các trường hợp sử dụng phổ biến cho máy bay không người lái LTE/5G

Nhiệm vụ của BVLOS

Cellular cho phép máy bay không người lái bay xa người vận hành, hoàn hảo cho:

• Kiểm tra đường ống hoặc đường ống.
• Ánh xạ tầm xa.
• Phản ứng khẩn cấp ở khu vực nông thôn.

Truyền phát video thời gian thực

Với 5g Đường lên, máy bay không người lái có thể truyền phát video 4K/8K trực tiếp đến các trung tâm đám mây hoặc điều khiển. Lý tưởng cho:

• Tin tức và truyền thông phát sóng.
• An ninh và tuần tra biên giới.
• Giám sát giao thông.

Phối hợp Swarm

Các tính năng thiết bị từ thiết bị (D2D) 5G (D2D) có các bầy máy bay không người lái được đồng bộ hóa cho:

• Nông nghiệp phun thuốc
• Tìm kiếm và cứu hộ hợp tác
• Hình thành quân sự

Khả năng vận động không khí đô thị (UAM)

Máy bay không người lái tự trị và máy bay EVTOL dựa vào việc cắt mạng và điện toán cạnh thông qua 5G đến:

• Chia sẻ dữ liệu không phận trong thời gian thực
• Giao tiếp với UTM (Quản lý giao thông không người lái)
• Tránh va chạm trong bầu trời đông đúc

Bắt đầu: Xây dựng hoặc mua máy bay không người lái hỗ trợ 4G/5 G

Tùy chọn 1: DIY với phần cứng nguồn mở

• Bắt đầu với bộ điều khiển chuyến bay Pixhawk
• Sử dụng máy tính đồng hành (Jetson Nano, Raspberry Pi)
• Tích hợp modem quectel EC25 hoặc SIM7600 LTE
• Kết nối với qgroundControl hoặc mavproxy qua internet
• Bảo mật với Zerotier hoặc OpenVPN

Tùy chọn 2: Máy bay không người lái sẵn sàng để bay lte thương mại

Một số nhà sản xuất cung cấp UAV sẵn sàng LTE với bảng điều khiển dựa trên đám mây:

• DJI Matrice 300 RTK (Mô -đun LTE tùy chọn qua SDK)
• Parrot Anafi AI - Hỗ trợ 4G LTE bản địa
• Hệ thống lượng tử Trinity F90+ - LTE/BVLOS đã sẵn sàng

Những thách thức kỹ thuật và làm thế nào để vượt qua chúng?

Tín hiệu giảm ở độ cao cao hơn

Tháp di động được thiết kế để bao gồm người dùng cấp đất. Ở độ cao> 120m:

• Sức mạnh tín hiệu giảm.
• Tăng nhiễu.
• Nhiều tháp chồng lên nhau.

Giải pháp: Sử dụng ăng-ten định hướng, bản đồ bảo hiểm trước xác định hoặc bay ở độ cao với phạm vi bảo hiểm đã biết.

Khả năng vận động và bàn giao tháp

Máy bay không người lái chuyển động nhanh có thể gây nhầm lẫn cho các thuật toán bàn giao, gây ra:

• Mất dữ liệu
• Telemetry tăng đột biến
• Phát trực tuyến jitter

Giải pháp: Sử dụng các mạng 5G với hỗ trợ chuyển giao và di động nâng cao; Thực hiện các chiến lược đệm.

Tiêu thụ năng lượng

Các mô -đun tế bào có thể vẽ 1 trận2W trong quá trình truyền hoạt động.

Giải pháp: Các mô-đun chu kỳ năng lượng khi IDLE và sử dụng các bộ chuyển đổi DC-DC hiệu quả cao.

Kế hoạch dữ liệu và các hạn chế của nhà cung cấp

Nhiều SIM tiêu dùng chặn sử dụng trên không hoặc tốc độ tải lên CAP.

Giải pháp: Chọn gói dữ liệu IoT/M2M với hỗ trợ IP tĩnh và công suất đường lên cao. Một số nhà mạng cung cấp sim đặc trưng cho máy bay không người lái.

Quy định và tuân thủ

Cân nhắc FAA và EASA

• BVLOS trên tế bào đòi hỏi sự cho phép rõ ràng.
• ID từ xa: Phải được phát ngay cả với giao tiếp LTE/5G.
• Giới hạn độ cao: Hầu hết các vùng hạn chế UAV dưới 120m (~ 400 ft).

Chính sách mang tế bào

• Các khu vực không bay tại các sân bay hoặc sân vận động có thể bị kẹt hoặc các khối mạng.
• APN của nhà cung cấp có thể yêu cầu cấu hình cho chuyển tiếp IP và cổng cố định.

Những gì tiếp theo? Cải tiến 5G và chân trời 6G

5g cho máy bay không người lái: Cái gì sắp tới

• Giao tiếp độ trễ thấp cực kỳ đáng tin cậy (URLLC) để điều hướng tự trị
• Cắt mạng để kiểm soát và lưu lượng truy cập chuyên dụng
• Tính toán cạnh cho giảm tải AI trên tàu
• Hỗ trợ Sidelink cho liên lạc không người lái-to-Drone (D2D)

Nhìn về phía trước đến 6G và các mạng không phải là người ngoài hành tinh (NTN)

• Leo Vệ tinh 5G (ví dụ: StarLink) để kết nối máy bay không người lái toàn cầu
• Mạng lưới bản địa AI để tối ưu hóa việc xử lý và bảo hiểm
• Truyền thông THZ cho các liên kết trên không tốc độ cực cao (sau 2030)

Phần kết luận: LTE và 5G là xương sống của Máy bay không người lái thế hệ tiếp theo . Cho dù bạn là một kỹ sư xây dựng máy bay không người lái kiểm tra BVLOS hay một người có sở thích muốn truyền video HD đến YouTube từ các khả năng mở khóa của Sky, LTE và 5G Technologies mà RF và Wi-Fi chỉ đơn giản là có thể phù hợp. Bằng cách kiểm soát và giám sát thời gian, truy cập vào mạnh mẽ Nó và hệ thống điện toán cạnh. Khi các mạng được cải thiện và các cơ quan quản lý thích nghi, LTE và 5G sẽ là những người hỗ trợ các hệ thống trên không tự trị, thông minh và kết nối toàn cầu.