Design of an ultrasonic-based relative position measuring system

As part of a new project, named STUFF (System Technology for UAV Formation Flight) promoted by the Department of Aerospace Science and Technology of Politecnico di Milano, the following research, investigates and proposes a design, for a device aimed to measure distances, between two UAVs. With the final purpose of becoming a flight formation instrument, intended for small and light UAVs, ultrasound technology emerged, among others, to be a valuable solution. The system consists in a transmitter and a receiver module to be mounted on the leader and wingman aircraft. In order to retrieve a measure, the Time Of Flight (TOF) is computed comparing the signal with a synchronous GPS message event. A 40 kHz square wave, digitally generated, gets amplified by two 555 timers in push-pull configuration and radiated through a 16 mm ultrasonic transducer. The technique used to detect the signal on the receiver module, is based on an analog Tone Decoder which analyzes a normalized input and enables its output when frequency and amplitude fall in a preset range. The execution of numerous tests has been necessary not only to tune and calibrate the system, but also to provide data for the formulation of a model for TOF estimation, that ended up to be a comparison between the reference time and the end of the transmitted 40 kHz pulse sequence. A Noise Suppression System (NSS), a Forced Frequency Switch-Up (FFSU) and other strategies have been implemented in order to increase accuracy and availability. The experimental system, at the end of this stage of development, confers good accuracy and ranging, still abiding to the requirements for compact size, light weight and low power equipment. However, future developments are still needed to increase coverage as well as to provide 3D positioning and attitude determination. Moreover, thoughts should be made regarding a conversion to a Digital Signal Processing (DSP) system for a possible boost in acquisition performance.

Il seguente documento, si occupa di illustrare la progettazione e la sperimentazione di un sistema, con lo scopo di misurare la distanza tra due Unmanned Aerial Vehicle (UAV), per mezzo di tecnologia a ultrasuoni, finalizzato a diventare uno strumento per il volo in formazione. Il sistema consiste in un modulo trasmittente e uno ricevente montati rispettivamente sul velivolo “leader” e “wingman”. Per ottenere una misura, il tempo di volo (time of flight TOF) viene calcolato confrontando il tempo di invio e ricezione del segnale con quello di un messaggio GPS sincronizzato. Si è scelto di affidare il lavoro di acquisizione del segnale ai componenti analogici, consentendo in tal modo di equipaggiare i velivoli con microcontrollori leggeri e a basso consumo. Un’onda quadra a 40 kHz, generata digitalmente, viene amplificata da due “555 timer” in modalità “push-pull” e irradiata per mezzo di un piccolo trasduttore a ultrasuoni. La tecnica usata per acquisire il segnale sul modulo ricevente si basa sull’analisi di un segnale, preamplificato e normalizzato, per mezzo di un Tone Decoder (TD) il quale da’ un impulso in uscita quando la frequenza e l’ampiezza cadono all’interno di intervalli preimpostati. La strategia sperimentale ha in primo luogo l’obiettivo di impostare e calibrare il dispositivo, per ottenere la migliore combinazione tra prestazioni e rumore. Secondariamente, i dati ottenuti dagli esperimenti vengono utilizzati per formulare un modello per la stima del TOF, che consisterà nel comparare il tempo di riferimento (GPS) con la fine della sequenza a 40 kHz. Un codice per ridurre l’interferenza dovuta al rumore (Noise Suppression System NSS), un sistema per bloccare l’inerzia meccanica del trasduttore (Forced Frequency Switch-Up FSSU) e ulteriori strategie sono state implementate per aumentare la precisione e la disponibilità del sistema. Il progetto sperimentale, all’attuale stato, conferisce buona accuratezza e portata, pur soddisfacendo i requisiti di leggerezza, piccole dimensioni, e basso consumo. Tuttavia, risultano necessari sviluppi futuri per migliorare copertura e ottenere un posizionamento 3D. Inoltre, è raccomandabile entrare nell’ottica di spostarsi su un sistema di acquisizione digitale del segnale, per aumentare ulteriormente le prestazioni.