Szybka poprawa parametrów działania dronów i wydłużenie czasu lotu przy użyciu kontrolera drona SiP

Na niebie pojawia się coraz więcej dronów zasilanych z baterii, co wiąże się z coraz większą presją konkurencyjną wśród producentów pod względem funkcji i parametrów konstrukcyjnych dronów, przy równoczesnej minimalizacji zużycia energii w celu wydłużenia czasu lotu. Aby zaspokoić potrzeby rynku, projektanci stosują coraz bardziej precyzyjne i dokładne przyspieszeniomierze oraz żyroskopy, a także aktualizują odpowiednie oprogramowanie układowe, aby wykorzystać zalety udoskonalonych czujników. Fizyczne możliwości dronów są coraz większe - mogą one przenosić paczki i urządzenia, dlatego wymagają większej stabilności oraz procedur hamowania w powietrzu uwzględniających zwiększoną wagę.

Problem, w obliczu którego stoją projektanci polega na tym, że dodatkowa waga oraz wyższe zapotrzebowanie na moc obliczeniową zwiększają zużycie energii, które z kolei skraca możliwy czas lotu przy danej wielkości baterii. Dodatkowe funkcje, możliwości i związane z nimi układy elektroniczne wydłużają ponadto czas prac rozwojowych i zwiększają koszty prób.

Rozwiązanie leży w wyższej integracji. Artykuł wprowadza rozwiązania SiP (system-in-package) firmy Octavo Systems, będące zasadniczo miniaturowymi komputerami dronów. W artykule przedstawiono sposoby, w jakie można wykorzystać rozwiązania autonomiczne, aby uzyskać znaczne oszczędności miejsca i ograniczyć wagę w celu wydłużenia czasu lotu, skrócenia wykazu materiałów (BOM), zmniejszenia zapasów, skrócenia czasu prac rozwojowych oraz obniżenia kosztów prób.

Technologia dronów

Zastosowania dronów są coraz szersze - od niewielkich dronów konsumenckich z kamerami, służących do fotografowania życia rodzinnego i amatorskiego współzawodnictwa, aż do bardziej wymagających zadań, takich jak dostarczanie paczek kurierskich, śledzenie trzody na pastwiskach, monitorowanie plonów rolniczych, monitorowanie zmieniających się linii brzegowych, czy operacje poszukiwawczo-ratownicze. Bez względu na zastosowanie, jednym z najważniejszych kryteriów doboru drona jest czas pracy baterii, ponieważ określa on czas lotu.

Czas pracy baterii jest w oczywisty sposób związany z wagą drona, dlatego w konstrukcji stosowane są najlżejsze możliwe materiały, które pozwalają zbudować ramę statku powietrznego wytrzymującą naprężenia i odkształcenia w czasie lotu. Koncentracja na niskiej wadze dotyczy wszystkich elementów - od konstrukcji, aż do elektroniki sterującej drona.

Aby uzyskać prawidłową dynamikę lotu, dron musi być odpowiednio wyważony poprzez odpowiedni rozkład wagi ramy oraz pokładowych komponentów elektronicznych. Im mniejsza elektronika, tym łatwiej jest wyważyć drona. W idealnym przypadku środek ciężkości pokrywa się z fizycznym środkiem statku powietrznego. Nawet najmniejsze niewyważenie musi zostać skompensowane przez regulację prędkości odpowiednich wirników. Regulacje te powodują z czasem zużywanie dodatkowej energii skracają cenny czas lotu.

Do sterowania oraz transmisji danych drony konsumenckie i większość komercyjnych wykorzystują technologię Wi-Fi. Im dalej może latać dron, tym większa musi być moc wyjściowa radia Wi-Fi, aby zapewnić łączność z kontrolerem, co również zużywa energię z baterii.

Czujniki i przetwarzanie danych w dronach

Producenci dronów dążą do redukcji wagi i kosztów wytwarzanych systemów, jednak użytkownicy oczekują dodatkowych funkcji i wyższych parametrów, co zwiększa złożoność dronów oraz ich oprogramowania układowego. Zwiększa to wielkość i wagę elektroniki pokładowej, co wpływa również na wyważenie drona.

Drony zwykle wykorzystują różnorodne układy mikroelektromechaniczne (MEMS) i inne czujniki do zapewnienia stabilności lotu oraz monitorowania kursu i prędkości (ilustracja 1). Moduł globalnego systemu pozycjonowania (GPS) pozwala określić lokalizację i kierunek statku powietrznego. Żyroskopy pozwalają określić kąt obrotu wokół osi poziomej poprzecznej i osi pionowej. Przyspieszeniomierze mierzą przyspieszenie drona oraz siły wstrząsów. Barometry mierzą ciśnienie powietrza w celu określenia optymalnej prędkości obrotowej wirników dla aktualnych warunków atmosferycznych - niższe ciśnienie powietrza wymaga wyższej prędkości wirników, a wysokie ciśnienie powietrza wymaga mniejszej prędkości. Kamera i czujniki zbliżeniowe pozwalają na wykrywanie i unikanie przeszkód. Względy bezpieczeństwa mogą dyktować stosowanie wielu czujników redundantnych.

Ilustracja 1: nowoczesny dron czterowirnikowy posiada różnorodne czujniki MEMS, co najmniej jedną kamerę, zewnętrzną kartę pamięci na oprogramowanie układowe lub do przechowywania zdjęć, a także napędy silnikowe wirników. (Źródło ilustracji: Octavo Systems)

Sygnały wyjściowe poszczególnych czujników trafiają do mikrokontrolerów sterujących dronem. Mikrokontrolery przetwarzają wszystkie sygnały pochodzące z czujników, wykorzystując je do określenia najefektywniejszego sposobu zasiania zużywających dużo energii silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) napędzających wirniki. Technologie czujników rozwijają się jednak każdego roku, dlatego producenci dronów instalują najnowsze, najdokładniejsze i najprecyzyjniejsze czujniki w swoich nowych wyrobach. Wykorzystanie rozbudowanych możliwości tych czujników wymaga bardziej skomplikowanego oprogramowania układowego. Również oprogramowanie układowe sterujące lotem stale jest udoskonalane, zwłaszcza w dronach autonomicznych. Wszystkie te udoskonalenia nie tylko zwiększają obszerność oprogramowania układowego, ale również wymagają znacznie większych mocy obliczeniowych i znacznie więcej pamięci do dokładnego przetwarzania danych.

Rozwój elektroniki i funkcji wymagają od inżynierów rozwiązań niskiej mocy o niewielkich rozmiarach, które sprostają rosnącemu zapotrzebowaniu, przy zachowaniu minimalnych kosztów prac rozwojowych i prób.

Urządzenia SiP w dronach

Rozwiązaniem dla coraz szerszych funkcji jest wyższy poziom integracji elektroniki. W tym celu firma Octavo Systems opracowała grupę autonomicznych systemów komputerowych w pojedynczej obudowie OSD32MP15x przeznaczonych dla dronów. Na przykład system OSD32MP157C-512M-BAA jest urządzeniem zawierającym połączenie ponad 100 komponentów dyskretnych i utworzonych w strukturze, zamkniętym w obudowie z wyprowadzeniami sferycznymi w siatce rastrowej (BGA) o wymiarach18mm x 18mm (ilustracja 2).

Ilustracja 2: układ OSD32MP157C-512M-BAA firmy Octavo Systems jest kompletnym systemem drona zawierającym połączenie ponad 100 komponentów dyskretnych i utworzonych w strukturze, zamkniętym w obudowie o wymiarach18mm x 18mm. (Źródło ilustracji: Octavo Systems)

Układ OSD32MP157C-512M-BAA posiada dwa rdzenie Arm® Cortex®-A7 działające z prędkością 800MHz (ilustracja 3). Zapewnia to wystarczającą moc obliczeniową dla najbardziej zaawansowanych dronów i umożliwia płynne przetwarzanie danych z czujników przy jednoczesnym wysyłaniu precyzyjnych, stale zmieniających się sygnałów w technologii modulacji szerokości impulsu (PWM) do czterech sterowników zasilających bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) wirników. Każdy rdzeń Cortex-A7 posiada pamięć podręczną instrukcji L1 o pojemności 33kB oraz pamięć podręczną danych L2 o pojemności 32kB. Rdzenie współużytkują 256kB pamięci podręcznej L2. Oprogramowanie układowe sterowania lotem może być rekursywne, a taka wielkość pamięci podręcznej znacznie przyspiesza nawigację i przetwarzanie fuzyjne czujników.

W obudowie znajduje się również dodatkowy, trzeci procesor 209MHz Arm Cortex-M4 z jednostką zmiennoprzecinkową (FPU), który może być wykorzystywany do przetwarzania pomocniczego, na przykład do zarządzania kamerą, monitorowania baterii oraz sterowania komunikacją Wi-Fi. Dostępne są trzy interfejsy kart eMMC/SD do podłączania zewnętrznych kart pamięci typu Flash, na przykład microSD. Służą one do wczytywania oprogramowania układowego do układu SiP, a także przechowywania zdjęć i filmów z kamery, rejestrowania danych lotu, dzienników zdarzeń oraz dzienników czujników MEMS.

Dodatkowa pamięć dla rdzeni procesora obejmuje 256kB pamięci RAM systemu oraz 384kB pamięci RAM mikrokontrolera. Dostępna jest również pamięć 4kB RAM z podtrzymaniem bateryjnym oraz pamięć jednorazowo programowana (OTP) 3kB na niestandardowe ustawienia urządzenia, jak np. numer seryjny drona lub pakiety opcji.

Ilustracja 3: układ OSD32MP157C-512M firmy Octavo Systems jest wysoce zintegrowanym komputerem jednoukładowym przeznaczonym do zaawansowanych dronów. (Źródło ilustracji: Octavo Systems)

Interfejsy zewnętrznych pamięci programów Flash obejmują dwa interfejsy QSPI oraz interfejs zewnętrznej 16-bitowej pamięci NAND Flash z obsługą 8-bitowego kodowania korekcyjnego (ECC). Pozwala to na łatwy dostęp do zewnętrznej pamięci Flash, zabezpieczając jednocześnie przed uszkodzeniem pamięci lub nieautoryzowaną ingerencją.

Dwa interfejsy USB 2.0 wysokiej prędkości można wykorzystać do debugowania i konfiguracji urządzenia, a także do podłączania dodatkowej pamięci USB Flash do przechowywania danych.

512MB szybkiej pamięci DDR3L DRAM służy jako pamięć programów dla pokładowych rdzeni Cortex. Pamięć DRAM może zostać wczytana podczas rozruchu z dowolnego interfejsu zewnętrznej pamięci Flash. Zapewnia ona wystarczająco dużo miejsca na potrzeby oprogramowania układowego i zaawansowanych danych lotu. Pamięć programów może działać na dowolnym z interfejsów pamięci zewnętrznej, jednakże oprogramowanie układowe zawsze będzie działać szybciej z pamięci DRAM.

4kB pamięci EEPROM możne być wykorzystane do przechowywania danych kalibracyjnych czujników, stałych sterowania lotem oraz danych dziennika lotu. Funkcja ochrony pamięci zapobiega przypadkowemu zapisowi do chronionej pamięci EEPROM.

Bezpieczeństwo systemu zapewnione jest z wykorzystaniem szeregu funkcji zabezpieczeń. Do zapewnienia integralności oprogramowania układowego podczas aktualizacji można wykorzystać moduł Arm TrustZone z obsługą szyfrowania AES-256 i SHA-256, a także szyfrowanie danych na zewnętrznej karcie Flash. Układ OSD32MP157C-512M wykorzystuje bezpieczne uruchamianie oraz bezpieczny zegar czasu rzeczywistego (RTC) w celu zabezpieczenia przed nieautoryzowaną ingerencją w podstawę czasu drona.

Dostępnych jest sześć portów szeregowego interfejsu SPI, sześć I²C, cztery interfejsy UART i cztery USART, które zapewniają łączność z czujnikami MEMS i modułami GPS. Dwa niezależne 22-kanałowe, 16-bitowe przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) zapewniają współpracę z czujnikami analogowymi, takimi jak termistory i czujniki prędkości wiatru, które mogą również mierzyć prąd i realizować sterowanie silnikami w pętli zamkniętej. Trzy interfejsy I²S pozwalają na współpracę z urządzeniami audio, takimi jak głośniki lub brzęczyki. Interfejs kamery pozwala na proste połączenie z większością modułów kamer RGB.

Układ OSD32MP157C-512M zawiera również wszystkie niezbędne komponenty dyskretne systemu, takie jak rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne oraz koralik ferrytowy. Dzięki temu przy budowie systemu drona wymagana jest minimalna liczba zewnętrznych komponentów dyskretnych.

Do sterowania PWM silnikami, układ OSD32MP157C-512M zawiera dwa zaawansowane 16-bitowe układy czasowe sterowania silnikami, piętnaście 16-bitowych układów czasowych i dwa 32-bitowe układy czasowe. Dostarcza to wystarczającej liczby sygnałów PWM do sterowania bezszczotkowymi silnikami prądu stałego (BLDC) wirników z wysoką precyzją, a także wszystkimi innymi aktuatorami, takimi jak silniki pozycjonowania kamery lub ramion robotycznych.

Zasilanie układu OSD32MP15x

Układ OSD32MP157C-512M wymaga tylko pojedynczego zasilania o napięciu od 2,8V do 5,5V, dzięki czemu może współpracować ze standardowymi bateriami litowo-jonowymi o napięciu 3,7V. Wewnętrzny mikroukład zarządzania energią dostarcza niezbędnych napięć dla wszystkich odrębnych komponentów wewnętrznych. Gdy obydwa rdzenie Cortex-A7 i Cortex-M4 działają z maksymalną prędkością zegara i gdy działają wszystkie urządzenia peryferyjne, układ OSD32MP157C-512M pobiera maksymalnie 2A prądu. Ze względu na wysoki poziom integracji i liczne opcje działania, nie da się oszacować poboru prądu w typowych okolicznościach. Określenie poboru prądu dla konkretnego zastosowania należy do dewelopera.

Układ OSD32MP157C-512M charakteryzuje się niższym poborem prądu w porównaniu z urządzeniem o tych samych funkcjach zrealizowanym przy użyciu komponentów dyskretnych zmontowanych na płytce drukowanej. Dzieje się tak głównie dlatego, że użycie jednej struktury w ściśle upakowanym układzie SiP zamiast komponentów we własnych obudowach znacznie obniża prądy upływu, a także zmniejsza straty mocy spowodowane rezystancją ścieżek płytki drukowanej.

Napięcie znamionowe wyładowań elektrostatycznych (ESD) grupy układów OSD32MP15x wynosi ±1000V dla modelu ciała ludzkiego (HBM) oraz ±500V dla modelu ładowanego urządzenia (CDM). Z tego powodu z urządzeniem należy koniecznie obchodzić się bardzo ostrożnie. Nie dotykać nigdy palcami kulkowych punktów kontaktowych. Urządzenie chwytać tylko za krawędzie i tylko wtedy, gdy to konieczne. Grupa OSD32MP15x układów SiP jest również wrażliwa na wilgoć. Zaleca się szczelne zamknięcie elektroniki dronów, gdyż może ona być narażona na wilgoć, parę wodną, chmury i deszcz.

W przypadku bardziej zaawansowanych dronów, firma Octavo Systems oferuje urządzenia SiP OSD3358-1G-ISM. Charakteryzują się one takimi samymi funkcjami, jak urządzenia OSD32MP157, jednak posiadają mocniejszy podwójny procesor 1GHz Cortex-A8 z 1GB pamięci DRAM w obudowie BGA o wymiarach 21mm x 21mm. Ze względu na wysokie parametry dwóch rdzeni Cortex-A8, nie zawiera on dodatkowego procesora Cortex-M4.

Prace rozwojowe nad układami SiP firmy Octavo

Na potrzeby prac rozwojowych firma Octavo oferuje płytkę elastycznej platformy prototypowania OSD32MP1-BRK (ilustracja 4). Płytka zawiera układ SiP OSD32MP157C-512M oraz listwy rozszerzeń umożliwiające podłączanie do 106 cyfrowych wejść-wyjść oraz sygnałów zewnętrznych urządzeń peryferyjnych.

Ilustracja 4: OSD32MP1-BRK firmy Octavo jest elastyczną platformą prototypowania dla układów SiP z grupy OSD32MP15x przeznaczonych do dronów. Posiada ona gniazdo karty microSD oraz port micro USB służące do prac rozwojowych i debugowania. (Źródło ilustracji: Octavo Systems)

Gniazdo karty microSD pozwala płytce rozwojowej na wczytywanie programów z zewnętrznej pamięci Flash do pamięci DRAM w układzie OSD32MP517-512M. Port micro USB służy do prac rozwojowych i debugowania oprogramowania układowego oraz zasilania płytki. Przełączniki trybu uruchamiania określają, czy urządzenie ma uruchamiać się z karty microSD, czy z dowolnego z interfejsów pamięci zewnętrznych dostępnych na listwach rozszerzeń.

Podsumowanie

Producenci dronów stale zwiększają możliwości swoich systemów, a deweloperzy stoją w obliczu wyzwań polegających na realizacji tych możliwości przy jednoczesnej minimalizacji zużycia energii oraz kosztów w celu zapewnienia najwyższej satysfakcji użytkownikom końcowym.

Jednoukładowe komputery SiP o wysokich parametrach przeznaczone do dronów zapewniają bardzo wysoki poziom integracji. Upraszcza to proces projektowania, zmniejsza wagę drona i ułatwia jego wyważenie, co obniża pobór prądu i wydłuża czas lotu, na czym bardzo zależy użytkownikom końcowym.