A drónok teljesítményének gyors javítása és repülési idejük meghosszabbítása SiP drónvezérlő használatával

Ahogy egyre több akkumulátorral működő drón emelkedik az égbe, a versenyhelyzet állandóan arra ösztönzi a dróngyártókat, hogy gyártmányaik funkcionalitását bővítsék, teljesítményüket növeljék, és energiafogyasztásukat a minimumra csökkentsék a repülési idő meghosszabbítása érdekében. A piac igényeinek kielégítéséhez a tervezők precízebb és pontosabb gyorsulásmérőket, illetve giroszkópokat alkalmaznak, és frissítik a hozzájuk tartozó firmware-eket, hogy kihasználják a továbbfejlesztett érzékelők előnyeit. A drónok fizikai képességei is bővülnek, mert csomagok és felszerelések szállítására is igény van, ez pedig jobb stabilitási és levegőbeli fékezési algoritmusokat igényel a megnövekedett súly kezeléséhez.

A tervezők problémája az, hogy a drón megnövelt súlya a pluszban elvégzendő számításokkal együtt növeli az energiafogyasztást, ami viszont csökkenti az adott akkumulátormérettel elérhető repülési időt. A további funkciók, képességek és a hozzájuk kapcsolódó elektronika viszont növeli a fejlesztési időt és a tesztköltségeket.

A megoldást a magasabb fokú integráció jelenti. Ez a cikk az Octavo Systems rendszercsomagját (SiP) mutatja be, amely alapjában véve egy apró drónszámítógép. A cikk leírja, hogyan használhatók jelentős helymegtakarításra és súlycsökkentésre ennek az önálló megoldásnak a funkciói a repülési idő meghosszabbítása érdekében, kisebb anyagigény (BOM), raktárkészlet, fejlesztési idő és tesztköltségek mellett.

Dróntechnológia

A drónok alkalmazási területe folyamatosan bővül, a kis fogyasztóknak szánt, családi fényképek vagy baráti versenyek rögzítésére szolgáló, kamerákkal ellátott drónoktól kezdve egészen a nagyobb kihívást jelentő feladatokig, mint például csomagok kézbesítése a futárszolgálatok számára, állatok nyomon követése az állattenyésztésben, növények figyelemmel kísérése a növénytermesztésben, a partvonalak változásának figyelemmel kísérése a környezetvédők számára, valamint kutatási és mentési műveletek az elsősegélynyújtás területén. Az akkumulátor élettartama – mivel az szorosan kapcsolódik a repülési időhöz – alkalmazástól függetlenül a drón kiválasztásának egyik legkritikusabb tényezője.

Az akkumulátor élettartama nyilvánvalóan összefügg a drón tömegével, ezért a drónok vázszerkezete olyan a lehető legkönnyebb anyagokból készül, amelyek elviselik a motoros repülés jelentette terhelést és igénybevételt. Ez a könnyű súlyra való összpontosítás a szerkezeti integritástól a drón elektronikus vezérléséig mindenre kiterjed.

A megfelelő repülési dinamika érdekében a drónnak megfelelően kiegyensúlyozottnak kell lennie, a váz és a fedélzeti elektronikus komponensek súlyának egyenletes elosztásával. Minél kisebb az elektronika, annál könnyebb a drón súlyának kiegyensúlyozása. Ideális esetben a súlypont a repülőgép fizikai középpontjában található. Bármilyen súlykiegyenlítetlenséget, legyen az bármilyen kicsi is, a rotorfordulatszámok változtatásával kell ellensúlyozni, ez pedig további energiát emészt fel és értékes repülési időt rabol el a felhasználótól.

A kisfogyasztói drónok a legtöbb kereskedelmi drónhoz hasonlóan Wi-Fi technológiát használnak az irányításhoz és az adatátvitelhez. Minél messzebb tud repülni egy drón, annál nagyobb teljesítménnyel kell működnie a Wi-Fi rádiónak ahhoz, hogy kapcsolatban maradjon a vezérlőjével, ami további energiát von el az akkumulátorból.

A drónok érzékelői és adatfeldolgozása

A dróngyártók igyekeznek csökkenteni rendszereik súlyát és költségeit, ugyanakkor a felhasználók bővebb funkcionalitásra és nagyobb teljesítményre vágynak, ami összetettebbé teszi a drónt és annak firmware-jét. Ez megnöveli a fedélzeti elektronika mennyiségét és súlyát, egyúttal befolyásolja a drón egyensúlyát is.

Például a drónok általában különféle mikro-elektromechanikus rendszereket (MEMS) és más érzékelőket használnak a repülési stabilitás fenntartása érdekében, miközben figyelik az útvonalat és a sebességet (1. ábra). Globális helymeghatározó (GPS) rendszermodult használnak a repülőgép helyének és irányának meghatározására, giroszkópokat a rotorszög és a szélszög mérésére, gyorsulásmérők mérik a drón gyorsulását és a lökőerőket. A levegő nyomását légnyomásmérők figyelik, így segítenek meghatározni a légcsavarok optimális fordulatszámát az aktuális légköri viszonyok között – az alacsonyabb légnyomáshoz nagyobb rotorfordulatszám, míg a magasabb légnyomáshoz kisebb rotorfordulatszám szükséges. A kamera és a közelségérzékelők pedig lehetővé teszik az akadályok felismerését és elkerülését. Biztonsági okokból több redundáns érzékelő is használható.

1. ábra: Egy korszerű négyrotoros drón sokféle MEMS érzékelőt tartalmaz, legalább egy kamerát, egy külső memóriakártyát a mikrovezérlő firmware-e vagy fényképek tárolásához, valamint motormeghajtókat a rotorokhoz. (Kép: Octavo Systems)

Minden érzékelő kimenete a drónt működtető mikrovezérlők bemeneteire csatlakozik. A mikrovezérlőknek fel kell dolgozniuk az összes érzékelő bemenetet és ennek alapján kell meghatározniuk a rotorokat hajtó, nagy teljesítményű, kefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorok táplálásának leghatékonyabb módját. Viszont mivel az érzékelők technológiája évről évre javul, a dróngyártók a legújabb, legpontosabb és legprecízebb érzékelőket helyezik el a legújabb drónjaikon. Ez összetettebb firmware-t igényel az érzékelők fejlettebb képességeinek kihasználásához. Ezen túlmenően a repülésirányító firmware is mindig javul, különösen az autonóm drónok esetében. Mindezek a fejlesztések nem csak növelik a firmware méretét, hanem nagyobb feldolgozási teljesítményt és jelentősen több memóriát is igényelnek az adatok pontos feldolgozásához.

A bővülő elektronika és funkcionalitás kihívást jelent a mérnökök számára, hogy olyan alacsonyabb teljesítményigényű, kis méretű megoldással álljanak elő, amely képes kielégíteni a megnövekedett igényeket, miközben a fejlesztési és tesztelési költségeket a lehető legkisebbre csökkenti.

SiP dróneszközök

A megnövekedett funkcionalitásra a megoldás az elektronika magasabb fokú integrációja. Ennek érdekében fejlesztette ki az Octavo Systems az OSD32MP15x jelű drónorientált, egyetlen önálló tokban elhelyezett számítógéprendszerét. Az OSD32MP157C-512M-BAA például egy nagy teljesítményű eszköz, amely több mint 100 diszkrét alkatrész és különálló lapka kombinációját tartalmazza egyetlen 18 mm x 18 mm méretű ball grid array (BGA) tokban (2. ábra).

2. ábra: Az Octavo Systems OSD32MP157C-512M-BAA egy komplett drónrendszer, amely egyetlen 18 mm x 18 mm méretű tokban tartalmazza több mint 100 diszkrét alkatrész és különálló lapka kombinációját. (Kép: Octavo Systems)

Az OSD32MP157C-512M-BAA két Arm® Cortex®-A7 magot tartalmaz, amelyek 800 MHz-en működnek (3. ábra). Ez elegendő feldolgozási teljesítmény a nagyon nagy teljesítményű drónok számára, és lehetővé teszi az érzékelő adatok zökkenőmentes feldolgozását, miközben egyidejűleg pontos és folyamatosan változó impulzusszélesség-modulációs (PWM) jeleket küld a rotorok BLDC motorjait működtető négy meghajtó áramkörnek. Mindegyik Cortex-A7 mag 33 kB L1 utasítás-gyorsítótárral és 32 kB L2 adatgyorsítótárral rendelkezik. A magok 256 kB L2 gyorsítótáron osztoznak. A repülésvezérlő firmware rekurzív lehet és ez a gyorsítótárméret jelentősen felgyorsítja a navigációt, illetve az érzékelők jeleinek együttes feldolgozását.

A csomag ugyancsak tartalmaz egy további harmadik, egy lebegőpontos egységgel (FPU) ellátott 209 MHz-es Arm Cortex-M4 processzort, amely kiegészítő feldolgozásra használható, például a kamera kezelésére, az akkumulátor felügyeletére és a Wi-Fi kommunikáció vezérlésére. Három eMMC/SD kártyainterfész áll rendelkezésre külső flash kártyák, például microSD memória csatlakoztatására. Ez a firmware-nek a SiP-be való betöltésekor, kameraképek és videók tárolásakor, repülési adatok rögzítésekor, eseménynaplók és MEMS érzékelők naplóinak tárolásakor hasznos.

A processzormagok továbbá a 256 kB rendszermemóriát és a 384 kB mikrovezérlői RAM-ot is használhatják. Az eszközök testreszabásához, például a drón sorozatszámának tárolásához vagy opcionális funkciókhoz 4 kB méretű, akkumulátorral biztosított RAM és 3 kB egyszer programozható (OTP) memória is rendelkezésre áll.

3. ábra: Az Octavo Systems OSD32MP157C-512M gyártmánya egy nagyfokú integrált számítógép egyetlen eszközben, amely nagy teljesítményű drónrendszerekhez használható. (Kép: Octavo Systems)

A külső flash programmemória interfészek két QSPI interfészt és egy, a 8 bites hibajavító kódot (ECC) támogató 16 bites külső NAND flash interfészt tartalmaznak. Ez lehetővé teszi a külső flash memória könnyű elérését, ugyanakkor véd a memória sérülése vagy a manipuláció ellen.

Két nagy sebességű USB 2.0 interfész használható az eszköz konfigurálására és hibakeresésre, valamint külső USB flash memóriához is, ha további adattárolásra van szükség.

A modulon levő Cortex magok 512 MB nagy sebességű DDR3L DRAM programmemóriát használnak. A DRAM rendszerindításkor bármely külső flash memória interfészről betölthető, így elegendő memória áll rendelkezésre a nagy teljesítményű repülésiadat-firmware számára. A programmemória bármely külső memória interfészben lehet, de a firmware mindig lényegesen gyorsabban működik a DRAM-ból.

4 kB EEPROM használható az érzékelők kalibrációs adatainak, a repülésvezérlés állandóinak és a repülési napló adatainak tárolására. A védett EEPROM-ba való szándékolatlan írást memóriavédelem akadályozza meg.

A rendszer biztonságát több biztonsági funkció szavatolja. Egy, az AES-256 és SHA-256 titkosítást támogató Arm TrustZone modul használható a firmware integritásának biztosítására a frissítések során, valamint az adatok titkosítására a külső flash kártyán. Az OSD32MP157C-512M támogatja a biztonságos rendszerindítást a firmware biztonságának érdekében, illetve egy biztonságos valós idejű órát (RTC) a drón időalapja manipulálásának megakadályozására.

A soros portok széles választéka hat SPI, hat I²C, négy UART és négy USART interfészt jelent, amelyek MEMS érzékelőkhöz és GPS modulokhoz csatlakozhatnak. Két független 22 csatornás, 16 bites analóg-digitális átalakító (ADC) teszi lehetővé az analóg érzékelőkhöz, például termisztorokhoz és szélsebesség-érzékelőkhöz való kapcsolódást, de áramérzékelésre és zárt hurkú motorvezérlésre is képesek. A három I²S interfészhez audio eszközök, például hangszórók vagy zümmögők csatlakoztathatók. A kamerainterfész a legtöbb RGB kamera egyszerű bekötését lehetővé teszi.

Az OSD32MP157C-512M integrálja a rendszerhez szükséges összes különálló komponenst, beleértve az ellenállásokat, kondenzátorokat, induktivitásokat és ferritgyöngyöket is. Ennek köszönhetően a drónrendszer felépítéséhez csupán minimális számú különálló külső alkatrészre van szükség.

A PWM motorvezérlés céljára az OSD32MP157C-512M két 16 bites korszerű motorvezérlő időzítőt, tizenöt 16 bites időzítőt és két 32 bites időzítőt tartalmaz. Ez elegendő PWM jelet biztosít a rotorok BLDC motorjai, illetve az összes működtető elem, például a kamera pozicionáló motorjai vagy a robotkarok nagy pontosságú vezérléséhez.

Az OSD32MP15x tápellátása

Az OSD32MP157C-512M mindössze egyetlen 2,8 és 5,5 V közötti tápegységet igényel, ezért megfelelő a szokásos 3,7 V-os lítium-ion akkumulátorokhoz. Az összes különálló belső alkatrész számára egy belső energiagazdálkodási chip biztosítja a szükséges feszültséget. Ha mindkét Cortex-A7 mag és a Cortex-M4 mag is maximális órajellel jár és minden periféria működik, akkor az OSD32MP157C-512M áramfelvétele maximum 2 A. A nagyfokú integráció és a sok működési változat miatt egy tipikus áramfelvétel előre nem becsülhető meg, így a fejlesztő feladata egy-egy adott alkalmazás fogyasztásának meghatározása.

Az OSD32MP157C-512M áramfelvétele alacsonyabb, mint az azonos funkciókat egy panelre szerelt diszkrét alkatrészekkel megvalósító elrendezésé. Ez nagyrészt annak köszönhető, hogy a rendszercsomag (SiP) elemei külön tokozott komponensek helyett egymáshoz közel, egyetlen lapkán helyezkednek el, ami drámai módon csökkenti a szivárgási áramot és a nyák lemezen lévő nyomvonalak ellenállása miatti veszteséget is.

Az OSD32MP15x család elektrosztatikus kisülési (ESD) besorolása ±1000 V emberi test modell (HBM) és ±500 V feltöltött eszköz modell (CDM) esetében. Az eszköz ezért rendkívül gondos kezelést igényel. Erősen ajánlott, hogy az ujjak soha ne érjenek hozzá a ball grid array (BGA) érintkezőihez és az eszközt csak annak peremeinél fogják meg, és akkor is kizárólag szükség esetén. Az SiP eszközök OSD32MP15x családja nedvességre is érzékeny. A drón elektronikájának fizikai elszigetelése javasolt, ami általában jó ötlet a drónok elektronikájával kapcsolatban, mivel nagy páratartalommal, vízgőzzel, felhőkkel vagy esővel érintkezhetnek.

Nagyobb teljesítményű drónokhoz az Octavo Systems az OSD3358-1G-ISM SiP eszközt ajánlja. Ez hasonló funkciókat kínál, mint az OSD32MP157, de egy erősebb kettős, 1 GHz-es Cortex-A8 processzort tartalmaz, gigabájtos DRAM-mal, 21 mm x 21 mm-es BGA tokban. A két Cortex-A8 mag nagy teljesítménye miatt nem tartalmazza a kiegészítő Cortex-M4 processzort.

Octavo SiP fejlesztés

Programfejlesztés céljára az Octavo az OSD32MP1-BRK rugalmas prototípus-készítő platformkártyát biztosítja (4. ábra). A kártya egy OSD32MP157C-512M SiP eszközt tartalmaz, továbbá bővítő csatlakozókat 106 digitális I/O, illetve külső perifériás jelek számára.

4. ábra: Az Octavo OSD32MP1-BRK egy rugalmas prototípus-készítő platform az SiP dróneszközök OSD32MP15x családjához. Rendelkezik egy kártyahellyel microSD kártya számára és egy micro USB porttal fejlesztéshez és hibakereséshez. (Kép: Octavo Systems)

Egy microSD kártyahely lehetővé teszi külső flash programmemória tartalmának betöltését az OSD32MP517-512M DRAM-jába. A fejlesztésre és a firmware hibakeresésére szolgáló micro USB port biztosítja a kártya tápellátását is. A rendszerbetöltési üzemmód (boot mode) kapcsolói határozzák meg, hogy az eszköz microSD kártyáról vagy a bővítő csatlakozókon rendelkezésre álló valamelyik külső memóriainterfészről induljon.

Összegzés

Ahogy a dróngyártók tovább javítják rendszereik képességeit, a fejlesztőknek egyre nagyobb kihívást jelent ezen újabb funkciók működésének biztosítása úgy, hogy közben minimalizálják az energiafogyasztást és a költségeket a legjobb végfelhasználói élmény biztosítása érdekében.

Mint látható, az egyetlen eszközre épülő nagy teljesítményű SiP drón számítógépek nagyon magas szintű integrációt biztosítanak. Ez leegyszerűsíti a tervezési folyamatot, miközben könnyebbé és kiegyensúlyozhatóbbá teszi a drónt, ezáltal lecsökkenti az áramfelvételt és meghosszabbítja a repülési időt, ami a végfelhasználók számára nagyra értékelt követelmény.