Jak pomocí ovladače dronu SiP rychle vylepšit jeho výkon a prodloužit dobu letu

S rostoucím počtem dronů na baterie roste i konkurenční tlak na jejich výrobce, aby rozšiřovaly funkce dronů, vylepšovaly výkon jejich provedení a zároveň přitom minimalizovali spotřebu energie a prodlužovali dobu letu. Ke splnění těchto požadavků trhu přidávají návrháři přesnější akcelerometry a gyroskopy a upgradují související firmware tak, aby dokázal vylepšené senzory využívat. Vylepšují se také fyzické možnosti dronů, aby mohly přenášet balíčky a vybavení. Zvýšená hmotnost s sebou nese nutnost lepší stability a postupů brzdění ve vzduchu.

Problém pro návrháře představuje, že větší zátěž dronu spolu s vyššími výpočetními požadavky s sebou přináší i vyšší spotřebu energie, což zpětně při dané velikosti baterie opět zkracuje dobu letu. Další funkce, možnosti a s nimi související elektronika také prodlužují dobu vývoje a zvyšují náklady na testování.

Řešení spočívá ve větší integraci. V tomto článku bude představeno řešení system-in-package (SiP) od společnosti Octavo Systems, které je v podstatě miniaturním počítačem dronu. Ukážeme si, jak lze vlastnosti tohoto samostatného řešení využít k významné úspoře místa a snížení hmotnosti, aby se tak prodloužila doba letu a zároveň snížily celkové náklady na materiály (BOM), sklad, dobu vývoje a testování.

Technologie dronu

Možnosti využití dronů se neustále rozšiřují od malých dronů pro spotřebitele nesoucích kamery k pořizování rodinných fotografií nebo přátelských utkání až po náročnější úlohy, jako jsou doručování balíků kurýry, udržování neustálého přehledu o hospodářských zvířatech na farmách, monitorování úrody zemědělci, monitorování změny pobřežní čáry environmentalisty a vyhledávání a záchranné operace týmů první pomoci. Jedním z nejzásadnějších faktorů při výběru dronu je bez ohledu na jeho použití výdrž baterie, protože má vliv na dobu letu.

Výdrž baterie přímo souvisí s hmotností dronu, proto se na dron používají co nejlehčí možné materiály, které jsou zároveň dostatečně pevné, aby konstrukce letadla odolala tlaku a zatížení při motorem poháněném letu. Úsilí o co nejnižší hmotnost se zaměřuje na vše od integrity konstrukce až elektroniku, která dron řídí.

Ke správné dynamice letu musí být dron správně vyvážen a musí mít rovnoměrně rozloženou hmotnost konstrukce a vestavěných elektronických součástek. Čím je elektronika menší, tím snazší je hmotnost dronu vyvážit. Ideální situací je, když je těžiště ve fyzickém středu letadla. Jakékoli nevyvážení hmotnosti, i zcela malé, musí být kompenzováno úpravou rychlosti vrtulí a tyto úpravy spotřebovávají v průběhu času další energii a připravují tak uživatele o cennou dobu letu.

Pro ovládání a přenos dat se v dronech pro spotřebitele a ve většině komerčních dronech používá technologie Wi-Fi. Čím delší je letová vzdálenost dronu, tím více energie musí bezdrátový přenašeč signálu Wi-Fi vynakládat, aby udržel spojení s ovladačem. A to představuje další odběr energie.

Senzory dronů a zpracování signálu

Zatímco se výrobci dronů pokoušejí snížit hmotnost a náklady svých systémů, uživatelé dychtí po dalších funkcích a vyšším výkonu, čímž se dron a jeho firmware stává stále komplexnějším. Zvyšuje se tak množství a hmotnost vestavěné elektroniky a ovlivňuje se tím i vyvážení dronu.

V dronech se například obvykle používají mikroelektromechanické systémy (MEMS) a další senzory k udržení stabilního letu a zároveň i k monitorování kurzu a rychlosti (obrázek 1). K určení polohy a směru se používá modul globálního polohového systému (GPS). Gyroskopy slouží k měření výšky a vychýlení. K měření zrychlení a rázové síly se používají akcelerometry. Barometry se využívají k měření tlaku vzduchu, aby pomohly určit optimální rychlost otáčení vrtulí pro aktuální povětrnostní podmínky. Nízký tlak vzduchu vyžaduje vyšší otáčky rotoru a vyšší tlak vzduchu vyžaduje nižší rychlosti. Kamera a senzory přiblížení umožňují detekci překážek a zabraňují nárazu. Z bezpečnostních důvodů lze použít i několik dalších senzorů.

Obrázek 1: Moderní dron se čtyřmi vrtulemi a širokou řadou senzorů MEMS, nejméně jednou kamerou, externí paměťovou kartou pro firmware mikrokontroléru a k ukládání fotografií a ovladačem motorů vrtulí. (Zdroj obrázku: Octavo Systems)

Výstupy z těchto jednotlivých senzorů jsou přivedeny do mikrokontrolérů, které ovládají dron. Mikrokontroléry musí vstupy všech těchto senzorů zpracovávat a používat je k určení co nejefektivnějšího způsobu napájení bezkartáčových stejnosměrných motorů (BLDC) s velkou spotřebou energie, které pohánějí vrtule. S každoročním zlepšováním technologie senzorů vkládají výrobci dronů do svých nejnovějších výrobků ty nejaktuálnější a nejpřesnější senzory. To vyžaduje složitější firmware, aby bylo možné využívat vylepšených vlastností těchto senzorů. Navíc se neustále vylepšuje i firmware řízení letu, zejména u autonomních dronů. Všechna tato vylepšení nejen, že zvyšují objem firmwaru, ale k přesnému zpracování dat vyžadují také vyšší výpočetní výkon a významně větší paměť.

Rozšiřující se elektronika a funkce jsou pro techniky výzvou, aby přišli s malým řešením s nízkou spotřebou energie, které by splňovalo zvýšenou poptávku a zároveň udržovalo náklady na vývoj a na testování na minimu.

Drony SiP

Řešením většího počtu funkcí je vyšší úroveň integrace elektroniky. Společnost Octavo Systems k tomuto účelu vyvinula řadu samostatných počítačových systémů OSD32MP15x v jednom balíčku zaměřenou na drony. Například model OSD32MP157C-512M-BAA je výkonné zařízení, které obsahuje kombinaci více než 100 diskrétních a samostatných matricových komponent v jednom jediném pouzdře BGA („ball grid array“) o rozměrech 18 × 18 mm (obrázek 2).

Obrázek 2: Produkt OSD32MP157C-512M-BAA společnosti Octavo Systems je kompletní systém dronu v jednom balení s více než 100 diskrétních a matricových komponent v pouzdře o rozměrech 18 × 18 mm. (Zdroj obrázku: Octavo Systems)

Model OSD32MP157C-512M-BAA má dvě jádra Arm® Cortex®-A7 běžící na frekvenci 800 MHz (obrázek 3). Tento výpočetní výkon je dostatečný pro velmi výkonné drony a umožňuje bezproblémové zpracovávání dat senzorů při současném odesílání přesných a neustále se měnících signálů pulzně šířkové modulace (PWM) do čtyř ovladačů pohánějících motory vrtulí BLDC. Každé jádro Cortex-A7 má 33kB mezipaměť instrukcí L1 a 32kB mezipaměť dat L2. Jádra sdílejí 256kB mezipaměť L2. Firmware řízení letu může být rekurzivní a tato velikost mezipaměti významně zrychluje navigaci a zpracovávání směsi signálů.

Součástí balení je i další třetí procesor s jádrem Arm Cortex-M4 209 MHz s plovoucí desetinnou čárkou (FPU). Lze jej využívat k pomocnému zpracování, jako je správa kamery, monitorování baterie a řízení komunikace Wi-Fi. K připojení externích karet flash, jako je paměť microSD, jsou k dispozici tři rozhraní karet eMMC/SD. Tato rozhraní jsou užitečná k načítání firmwaru do systému SiP i k ukládání fotografií a videí z kamery, nahrávání dat letu, zaznamenávání protokolů událostí a protokolů senzorů MEMS.

Další pamětí pro jádra procesorů je 256kB systémová paměť RAM a 384kB paměť RAM mikrokontroléru. K přizpůsobení zařízení, jako je sériové číslo dronu nebo balíčky voleb, je také 4kB paměť RAM zálohovaná baterií a 3kB jednorázově programovatelná paměť (OTP).

Obrázek 3: Model OSD32MP157C-512M společnosti Octavo Systems je vysoce integrovaný počítač v jednom zařízení vhodný pro vysoce výkonné systémy dronů. (Zdroj obrázku: Octavo Systems)

Rozhraní externí programové paměti flash zahrnují dvě rozhraní QSPI a 16bitové externí rozhraní paměti flash NAND s podporou 8bitového opravného kódu chyb (ECC). Díky tomu je umožněn snadný přístup k externí paměti flash a zároveň ochrana paměti před poškozením nebo neoprávněnou manipulací.

Dvě vysokorychlostní rozhraní USB 2.0 lze použít ke konfiguraci a ladění zařízení a k připojení externí paměti flash USB, je-li vyžadováno další úložiště dat.

Vysokorychlostní paměť DDR3L DRAM s 512 MB se využívá jako programová paměť pro vestavěná jádra Cortex. Paměť DRAM lze načíst při spouštění z jakéhokoli rozhraní externí paměti flash. Je tak zajištěna dostatečná programová paměť pro vysoce výkonný firmware dat letu. Programovou paměť lze sice spouštět z jakékoli rozhraní externí paměti, ale firmware bude vždy pracovat významně rychleji při spouštění z paměti DRAM.

Čtyřkilobajtovou paměť EEPROM lze použít k ukládání dat kalibrace senzorů, konstant řízení letu a k zaznamenávání dat letu. Funkce ochrany paměti zabraňuje neúmyslnému zápisu do chráněné paměti EEPROM.

Bezpečnost systému zajišťuje několik funkcí zabezpečení. K zajištění integrity firmwaru během aktualizací stejně jako k šifrování dat na externí kartě flash lze použít modul Arm TrustZone s podporou šifrování AES-256 a SHA-256. Jako prevenci neoprávněné manipulace s časovou základnou dronu podporuje model OSD32MP157C-512M zabezpečené spouštění firmwaru a zabezpečené hodiny reálného času (RTC).

Široká řada sériových portů zahrnuje šest rozhraní SPI, šest I²C, čtyři UART a čtyři rozhraní USART, která lze připojit k senzorům MEMS a modulům GPS. Dva nezávislé 22kanálové, 16bitové analogově digitální převodníky (ADC) umožňují připojení k analogovým senzorům, jako jsou termistory a senzory rychlosti větru, které mohou také provádět aktuální snímání a uzavřené řízení motoru. Tři rozhraní I²S slouží k připojení zvukových zařízení, jako jsou reproduktory nebo bzučáky. Rozhraní kamery umožňuje jednoduché připojení většiny kamerových modulů RGB.

Model OSD32MP157C-512M má v sobě integrovány také všechny komponenty nezbytné pro systém, včetně rezistorů, kondenzátorů, induktorů a feritových korálků. Systém dronu je tak možné sestavit s minimem externích diskrétních komponent.

K řízení motoru PWM zahrnuje systém OSD32MP157C-512M dva 16bitové pokročilé časovače řízení motoru, patnáct 16bitových časovačů a dva 32bitové časovače. Je tím zajištěn dostatek signálů PWM k řízení motorů vrtulí BLDC s vysokým stupněm přesnosti i jakýchkoli aktuátorů, jako jsou motory polohování kamery nebo robotická ramena.

Napájení systému OSD32MP15x

Model OSD32MP157C-512M vyžaduje pouze jeden 2,8–5,5voltový napájecí zdroj a je díky tomu vhodný pro použití standardních 3,7V lithium-iontových baterií. Interní čip řízení spotřeby energie poskytuje napětí nezbytné pro všechny samostatné interní komponenty. S oběma jádry Cortex-A7 a Cortex-M4 běžícími s maximální taktovací rychlostí a při provozu všech periferních zařízení odebírá systém OSD32MP157C-512M maximálně 2 A. Vzhledem k vysoké úrovni integrace a mnoha provozním možnostem nelze typický odběr proudu odhadnout. Musí tak být ponecháno na vývojáři, aby určil, jaký bude odběr proudu při konkrétní aplikaci.

V porovnání se stejnými funkcemi implementovanými pomocí diskrétních komponent na obvodové desce má systém OSD32MP157C-512M nižší odběr proudu. Z velké části je to způsobeno tím, že použití jedné matrice v systému SiP namísto zapouzdřených komponent dramaticky snižuje unikající proud a snižuje i ztráty energie stopového odporu počítačové desky.

Míra elektrostatického výboje (ESD) řady OSD32MP15x je u modelu lidského těla ±1 000 V a u modelu nabité součástky (CDM) ±500 V. Z tohoto důvodu je nutné se zařízením manipulovat s extrémní opatrností. Důrazně se doporučuje, abyste se prsty nikdy nedotýkali kontaktních bodů mřížky kuliček a v případě nutnosti abyste se zařízením manipulovali držením za okraje. Řada OSD32MP15x zařízení SiP je také citlivá na vlhkost. Doporučuje se, aby byla elektronika dronu utěsněna, což je pro elektroniku dronu vhodné obecně, protože může přicházet do kontaktu s vysokou vlhkostí, vodními výpary, oblačností nebo deštěm.

Pro drony s vyšším výkonem nabízí společnost Octavo Systems zařízení SiP OSD3358-1G-ISM. Nabízí podobné funkce jako model OSD32MP157, ale má výkonnější duální 1GHz jádro Cortex-A8 s gigabajtovou pamětí DRAM v balení BGA o rozměrech 21 × 21 mm. Vzhledem k vysokému výkonu dvou jader Cortex-A8 nezahrnuje systém žádný další procesor Cortex-M4.

Vývoj systémů SiP Octavo

K vývoji kódu poskytuje společnost Octavo flexibilní desku prototypovací platformy OSD32MP1-BRK (obrázek 4). Deska obsahuje systém OSD32MP157C-512M SiP a dvě rozšiřující patice k připojení 106 digitálních I/O a externích periferních signálů.

Obrázek 4: Deska OSD32MP1-BRK společnosti Octavo je flexibilní prototypovací platforma pro zařízení dronů SiP řady OSD32MP15x. Je vybavena slotem pro kartu microSD a portem micro USB pro vývoj a ladění. (Zdroj obrázku: Octavo Systems)

Slot pro kartu microSD umožňuje, aby vývojová deska načítala externí programovou paměť flash do paměti DRAM systému OSD32MP517-512M. Port micro USB se používá k vývoji a ladění firmwaru a zajišťuje také napájení desky. Přepínače režimu spouštění určují, zda se zařízení spustí z karty microSD nebo nějakého jiného rozhraní externí paměti, které je dostupné na rozšiřující patici.

Závěr

S tím, jak výrobci dronů neustále vylepšují funkce svých systémů, stojí před vývojáři stále více výzev, jak tyto funkce zajistit a zároveň minimalizovat spotřebu energie a náklady, aby byl koncový uživatel co nejspokojenější.

Jak se zde uvádí, vysoce výkonné počítače dronů SiP poskytují vysokou míru integrace. Zjednodušuje se tak proces návrhu a zároveň je dron lehčí a snadněji se vyvažuje, tím se dále snižuje odběr proudu a prodlužuje doba letu, což je velice ceněnou vlastností pro koncové uživatele.