במהלך העשור האחרון, כלי תעופה ומערכות לא מאויישות (UAV ו- UAS) הנקראים גם רחפנים – הפכו פופולריים מאד וצברו עניין משמעותי בשווקי המסחר, הצרכנות והממשלה. מה שהיה בעיקר בשימוש צבאי הפך ל 400 חברות בכל העולם המפתחות טכנולוגיית רחפנים ומאפשרות דוגמאות שימוש עבור העידן החדש של רחפנים מסחריים. הרעיון שבחפץ מעופף המבצע משימות ומטלות הכרחיות לעסקים ללא התערבות רבה מצד גורם אנושי, מביא לשינוי עצום בתחום האוטומציה החכמה והפרודוקטיביות. למרבה הצער, רגולציות במנהל התעופה הפדראלי בארה”ב (ה FAA) ובסוכנויות אחרות, למרות הכוונות הטובות, מגבילות את השימוש ההמוני ברחפנים אלה. בנוסף, התחרות הצומחת מובילה להתמסחרות (קומודיטיזציה) לפני שהשוק מספיק להתייצב. מאמר זה דן בדרך בה חידושים בתחומי ה RF (תדר רדיו) וגלי מיקרו יכולים לספק הצדקה טכנית להקלה במגבלות הרגולציה ולעזור ליצרניות רחפנים לייחד את פתרונותיהם ולהצליח בשוק המסחרי.
הקונספט מאחורי הרחפן אינו חדש והתקיים בצורות שונות עוד מהתקופה בה כלי תעופה מאויישים הפכו נפוצים. למרבה הצער, המגבלות של תורת החומרים, ההנעה, מקורות כח וסוללות, חיישנים, וטכנולוגיות תוכנה – הגבילו את השימוש ברחפנים לתעשייות ושימושים ספציפיים בלבד. רק גופים צבאיים גדולים מסוגלים להצדיק את העלות הכרוכה בפיתוח ושימוש ברחפנים למשימות מודיעין ומעקב בסביבות המסוכנות עבור בני אדם. אפילו היום, רבים מאיתנו מייחסים רחפנים למשימות צבאיות הנראות לרוב בחדשות.
לחליפין, רחפנים פשוטים בעלות נמוכה צוברים פופולריות בקרב חובבים נלהבים למטרות הנאה. למרות שרחפנים עוד לא זוכים לשימוש נרחב בתחום המסחרי, הדבר משתנה ככל שהתעשייה משפרת טכנולוגיות רכיבים ותוכנות חישוב. עם התקדמות הרובוטים התעשייתיים, נהיגה אוטונומית, טכנולוגיות הנעה חדשות ומערכות חסכוניות באנרגיה, המעבר לרחפנים הוא חלק טבעי מהאבולוציה. אובייקט מרחף בלתי מאוייש אותו ניתן לתכנת לביצוע משימות המסוכנות מדי או מבזבזות זמן יקר מדי עבור בני אדם הוא קפיצה טכנולוגית אדירה לכוון עולם אוטומטי ופרודוקטיבי יותר.
הזדמנות מאתגרת
שוק הרחפנים צפוי לצמוח לכ 21 מליאדר דולר עד 2022. כיום, כ 82 אחוזים מהשוק מרוכזים ביישומים צבאיים. רחפנים מסחריים צפויים להוות כ 2.5 מליארד דולר בהכנסות עד 2021, המייצגים 19 אחוזים בקצב צמיחה של שנה אחר שנה. הדוגמאות לשימושים במסחר ותעשייה מגוונים מאד. רחפנים זוכים לבדיקות עבור יישומים כגון חקלאות מדוייקת (למשל בריסוס גידולים), ניטור סביבתי וקרקעות, ניטור תשתיות (למשל גשרים וסכרים), מעקבים ציבוריים בטיחותיים, הובלה מסחרית, מעקב גבולות מדיניים וניטור קוי נפט וגז. בכל חודש, עזרות חברות חדשות מכניסות מוצרים ושירותים העושים שימוש בטכנולוגיית רחפנים לפתרון בעיות עסקיות. האפשרויות לשימושים מסחריים ברחפנים הן בלתי מוגבלות.
למרבה הצער, למרות ששוק הרחפנים הופך פופולרי יותר ויותר, עם כמה וכמה חברות החוקרות שימושים רבים (למשל אמאזון וגוגל אלפאבת), התעשייה עומדת בפני אתגרים המגבילים את צמיחתה.
רגולציה כבדה והגבלות – ה FAA מכתיב חוקים נוקשים המגבילים את השימוש ברחפנים במרחב האוירי הציבורי. חוק משנת 2015 קובע כי רחפן השוקל פחות מ 55 פאונד יוכל לפעול רק בשעות היום ובטווח הראייה של המפעיל. רחפנים אלה נמצאים תחת איסור להפעלה אוטונומית, בעקבות דגשים ב FAA על בטיחות וביטחון. מעמדת הממשלה, הסיכון הכרוך ברוב הרחפנים אשר אינם מצויידים בחיישנים אמינים ומדוייקים הוא גבוה מדי מכדי להרשות את הפעלתם במרחב הציבורי הפתוח. בעוד המקרים יוצאי הדופן הם ברורים (למשל במרחבים פתוחים באיזורים חקלאיים), ברוב המקרים, כתוצאה מטכנולוגיית חיישנים מוגבלת ואמינות חיישנים בלתי מוכחת, ה FAA נקט בעמדה שמרנית יותר כדי להבטיח את הביטחון והבטיחות.
איום תחרותי והתמסחרות – בנוסף על משוכות הרגולציה, תחרותיות שוק הרחפנים הולכת וגוברת, מצב היוצר לחצים בתמחור. יותר מ 400 חברות ברחבי העולם כבר נמשכו לפוטנציאל הצמיחה וגורם ה-“cool” ומעורבות בפיתוחים בתחום הרחפנים. ההתמקדות עבור רוב החברות הללו הוא בידול בחומרה על פני דגש על שירותים מוספים אשר הרחפנים שלהם עשויים לאפשר.
מומחיות מוגבלת ב RF ומיקרו גלים – על מנת להגיע לשימוש נרחב, על רחפנים מסחריים להיות מצויידים בחיישני ניווט המבטיחים הפעלה אוטונומית אמינה ובטוחה. כמו בשווקי רכב וציוד תעשייתי, רבים מהחיישנים האלחוטיים משתמשים בטכנולוגיות RF ומיקרו גלים. אך רוב החברות המסחריות המפתחות רחפנים הן חברות הזנק (סטארט-אפ) בעלות מומחיות מועטה בתכנון RF ומיקרו גלים. אפילו יצרניות מבוססות של ציוד תעשייתי עם ניסיון כלשהו ב RF נמצאות תחת לחץ להזדרז בהערכה, תכנון וייצור פתרונות חיישני רדאר עבור שוק הרחפנים המשתנה במהירות.
החוסר במומחיות ב RF ופתרונות הרדאר הזמינים יוצרים מעגל אתגרים בתעשייה: חוסר היכולת של שוק הרחפנים להציע חיישנים אמינים על מנת לעזור ולהבטיח הפעלה אוטונומית בטיחותית ואמינה מונע מסוכנויות ממשלתיות מלהרפות את הרגולציות המגבילות את הפעלתם של רחפנים אוטונומיים.
רדאר להצלה
ב- Analog Devices, אנו מאמינים כי ליצרניות רחפנים ניתנה הזדמנות להשפיע על מדיניות הרגולציה השולטת בהפעלת הרחפנים בכך שיאמצו טכנולוגיות ה RF, המיקרו גלים וה mmWave בעזרתן יתאפשר לחיישנים להוכיח את הבטיחות והאמינות של ניווט הרחפנים. רדאר 24 GHz הפועל בתדר המוכר בכל העולם בתעשייה, במדע וברפואה (ISM), הוא דוגמה אחת לחיישן בסיסי בעל שימושים רבים. רדאר בתדר ISM 24 GHz ניתן לשימוש ללא רגולציה בכל מקום בעולם למטרות כגון מניעת התנגשות אוטומטית ומדידת גובה ברדיו. בנוסף למדידת גובה תעופת הרחפן, אותו רדאר מסוגל לזהות ולעקוב אחר מספר עצמים – שתי דרישות בסיסיות להפעלת רחפנים בטוחה.
על ידי ההוכחה כי פתרונותיהם מסוגלים טכנית לפעול באופן אוטונטמי, יצרניות רחפנים תהיינה מסוגלות להשפיע על הרגולציות הקיימות במקום להמתין לרגולטורים עד שאלו יגדירו דרך בה על התעשייה לפעול. כדי להגיע לנקודה זו, על יצרניות רחפנים לנקוט בצעדים הבאים:
- פיתוח הבנה בסיסית של רדאר על צורותיו השונות
- הבנת רכיבי שרשרת אות ה RF הדרושים עבור פתרון רדאר מלא
- אימוץ פתרונות רדאר המספקים מערך חומה מלא עם תוכנות אלגוריתמים המאפשרים הגעה מהירה יותר לשוק.
הדיון הבא מביא סקירה של צעדים אלה ופתרון פוטנציאלי לתמיכה ביצרניות רחפנים באימוץ טכנולוגיות רדאר 24 GHz עבור מניעת התנגשות ומד גובה רדיו.
עקרונות רדאר בסיסיים
חיישני רדאר נמצאים לרוב בשימוש בשווקי הרכב והתעשייה על מנת לזהות, למדוד, ולעקוב אחר עצמים. למשל, מערכות זיהוי נקודות עיוורון וסיוע בנהיגה ברכב (ADAS). בהשוואה לחיישנים אופטיים או אולטראסוניים, הרדאר מסוגל לזהות ולמדוד עצמים במדוייק ממרחק גדול יותר ובשדה ראייה רחב יותר בסביבות קשות במיוחד, כולל אבק, עשן, שלג, ערפל, ותאורה מועטה. לרדאר טיפוסי כמה מצבים, כאשר כל אחד מהם מצטיין בהתאם לצרכי הזיהוי והמעקב.
FMCW – בפעילות במצב גל מתמשך בתדר המאופנן (FMCW), הרדאר מודד את המרחק למטרות נייחות. על ידי אפנון התדר, פעולה הנקראת גם FMCW ramp או FMCW chirp, הרדאר מודד את התגובה של הגל החוזר על מנת לחשב את המרחק, המהירות, והזוית של המטרה. תרשים 1 מראה כיצד המרחק, המהירות והזוית של המטרה מחושבים במצב FMCW.
תרשים 1 פעולת FMCW ברדאר.
רזולוציית המרחק תלויה ברוחב פס סריקת נושא המשדר; ככל שרוחב הפס גדול יותר, כך תגדל הרזולוציה של חיישן הרדאר. רזולוצית המהירות תלויה בזמן השהות ותדר הנושא; ככל שהתדר הנושא או זמן השהות גבוה יותר, כך תגדל הרזולוציה. רזולוציה זויתית תלויה בתדר הנושא; ככל שתדר הנושא גבוה יותר, תהיה טוב יותר הרזולוציה.
בהשוואה לזיהוי לייזר, המודד נקודה יחידה, או זיהוי במצלמה, התופסת אך ורק תמונות דו מימדיות בשדה הראיה של המצלמה, רדאר FMCW מספק ממוצע מתמשך ואינהרנטי של המידע מהשתקפות המטרה. פעולה זו מספקת שדה ראייה תלת מימדי רחב על ידי מדידת המרחק, המהירות, והזוית, ממרחקים של סנטימטרים ספורים עד לכמה מאות מטרים בין החיישן למטרה.
מצב דופלר-מרחק – במצב דופלר-מרחק, המרחק והמהירות של המטרה מנותחים. דופלר-מרחק הוא אחד המצבים החזקים יותר מאחר והוא מעבד מספר “ראמפים” או “צ’ירפים” משודרים בו זמנים בשימוש בטרנספורמצית פורייה ב 2D. הנתונים המעובדים מוצגים במפת 2D המאפשרת להבדיל בין מטרות בעלות מהירויות שונות, גם אם הן באותו מרחק מהחיישן. פעולה זו חשובה בזמן הבדלה בין מספר מטרות הנעות במהירויות גבוהות בכוונים שונים, למשל, ניתוח מצבים מורכבים בתעבורה אוירית בהם מטרות נוסעות בכוונים מנוגדים או בזמן תמרונים.
DBF – בעזרת עיצוב אלומה דיגיטלי (DBF), מוצגים המרחק והזוית של המטרה. בעזרת אותות הנקלטים בארבעה ערוצי קלט מתבצעת הערכה של זוית המטרה, והמידע מכיל את הפיזור המרחבי של המטרות על מישור xy. במצב DBF, המערכת מוגדרת באותו אופן כב FMCW; אך עם זאת, אותות ה IF המומרים מעובדים באופן שונה. לאחר חישוב המרחק, נתוני זוית המטרה מחושבים על ידי הערכת הבדלי הפאזה בין ארבעת ערוצי הקלט. מצב ה DBF דורש כיול של ה front-end ברדאר על מנת לסלק שונויות פאזה דטרמיניסטיות בין ערוצי הקלט.
תרשים 2 חיישן רדאר מרובה ערוצים פותח על ידי Analog Devices.
רדאר רב-ערוצי 24 GHz
רדאר 24 GHz נמצא בשימוש נרחב במסחר ובתעשיה, ומציע דיוק גבוה, צריכת אנרגיה נמוכה, וגדלים קטנים. תכונות אלה הופכות את הרדאר 24 GHz להתאמה טובה עבור יצרניות רחפנים מסחריים וצרכניים, בייחוד בהתחשב ברצון לחסוך בדרישות המקום וצריכת האנרגיה. מערכת אחת מסוג זה בפיתוח Analog Devices מוצגת בתרשים 2.
תפיסה מוטעית נפוצה היא שהרדאר מסוגל לפעול ב 77 GHz במקום 24 GHz. רגולציות נוכחיות מכתיבות כי הטווח של 77 GHz שמור לרכבים ממונעים ואינן מאשרות את השימוש בו עם רחפנים. בעוד ה 77 GHz מציע רוחב פס גבוה יותר לרזולוציה משופרת, הרגולציות של היום אוסרות את השימוש בו עבור רחפנים.
בזמן בניית חיישן רדאר, כל שיפור dB ברגישות המקלט מגדיל את טווח הזיהוי. רוב החיישנים הזמינים כיום מתמקדים בהפחתת עלות, במחיר של רעש פאזה ומספר ערוצים. מחר זה מוריד את יחס האות מול רעש (SNR), דבר המגביל את הזיהוי של מטרות קטנות יותר בנוכחות עצמים גדולים יותר. בשימושי העולם האמיתי ברדאר, מצבים בעלי צפיפות גדולה של עצמים מעלים במצטבר רעשי פאזה ומפחיתים את רגישות מקלט הרדאר. רעשי מערכת גבוהים ממסכים או מחביאים מטרות קטנות ומונעים זיהוי עצמים – למשל זיהוי ענפי עץ צרים הממוסכים על ידי חזית בניין – מה שעלול לסכן את בטיחות הרחפן. רוב החיישנים החד-ערוציים וחד-שבביים בעלויות הנמוכות אינם מספקים את הביצועים הנדרשים על מנת לבצע הבדלה זו.
בשימוש בפלטפורמה רב ערוצית ב 24 GHz בעלת ביצועים גבוהים, יצרניות רחפנים יכולות:
- להשתמש במצב רדאר FMCW כדי לזהות מרחק ומהירות עצמים עד 200 מ’ ברזולוציה של 60 ס”מ בקירוב; ניתן לשפר רזולוציה ל 15 ס”מ בשימוש באנטנה שפותחה למטרה זו.
- להשיג שדה ראייה של 120 מעלות בקירוב באזימוט ו15 מעלות בהרמה, בתלות בתכנון מערך האנטנה; בשימוש ב DBF, שדה הראיה ניתן להגדלה.
- להפחית צריכת אנרגיה תוך כדי שיפור רגישות 2x והגדלת טווח הזיהוי 5x בהשוואה לחיישן רדאר רגיל בעלות נמוכה.
סיכום
שוק הרחפנים צומח במהירות ומציע פוטנציאל עצום לשימושים מסחריים רבים. נוף טכנולוגיות החיישנים משתנה גם הוא במהירות, בעוד טכנולוגיות חיישנים חדשות כגון זיהוי ומדידת טווח באור (LiDAR), זמן טיסה (ToF) ו ultrasonic הנמצאים בפיתוח ובשימוש. על יצרניות רחפנים להיות מודעות לאפשרויות חדשות אלה ולשלב את הטכנולוגיות האחרונות בעוד הן מתגבשות.
עם זאת, הרדאר נשאר טכנולוגיית החיישנים הכדאית ביותר, היא מציעה ביצועים וורסטיליות. כל לתמוך בהטמעה מסחרית רחבת היקף של רחפנים, על יצרניות רחפנים להוביל את התעשייה על ידי אימוץ ה RF, המיקרו גלים, ורדאר ה mmWave, בהתחשב במה שמעבר לעלות החומרה, כדי להראות כי רחפנים יכולים לפעול אוטונומית בבטחה.
סימוכין
