Cum să îmbunătățiți rapid performanța dronelor și să extindeți timpul de zbor cu ajutorul unui controler de drone SiP

Pentru că din ce în ce mai multe drone alimentate pe baterii încep să își ia zborul, există o presiune competitivă asupra producătorilor de drone, în sensul extinderii funcționalității și performanței, reducând în același timp consumul de energie la minimum, pentru a prelungi timpul de zbor. Pentru a satisface cererea de pe piață, proiectanții adaugă accelerometre și giroscoape mai precise și mai exacte și modernizează firmware-ul asociat pentru a putea beneficia de avantajele senzorilor îmbunătățiți. De asemenea, și capacitățile fizice ale dronelor se extind, pentru a include transportul de pachete și echipamente, ceea ce necesită stabilitate îmbunătățită și rutine de frânare în aer pentru a putea susține greutatea crescută.

Proiectanții se confruntă cu problema faptului că greutatea adăugată a dronei, împreună cu cerințele de calcul suplimentare, mărește consumul de energie, ceea ce, în schimb, reduce timpul de zbor posibil pentru o anumită dimensiune a bateriei. În plus, și funcțiile suplimentare, capacitățile și componentele electronice asociate se adaugă la timpul de dezvoltare și la costul testului.

Soluția este o integrare superioară. Acest articol va prezenta o soluție de tipul sistem în pachet (SiP) de la Octavo Systems, care este, practic, un mic computer pentru drone. Articolul va arăta cum caracteristicile acestei soluții autonome pot fi utilizate pentru a economisi spațiu considerabil și pentru a reduce greutatea, în scopul de a prelungi timpul de zbor, reducând totodată lista de materiale (BOM), inventarul, timpul de dezvoltare și costurile de testare.

Tehnologia dronelor

Aplicațiile pentru drone se dezvoltă în permanență, de la drone mici de consum, cu camere pentru fotografii de familie sau concursuri amicale, până la cele cu scopuri mai solicitante, cum ar fi livrarea pachetelor pentru curieri, urmărirea animalelor pentru fermieri, monitorizarea culturilor pentru agricultori, monitorizarea modificărilor liniilor de coastă pentru ecologiști și operațiunile de căutare și salvare pentru personalul care oferă primul ajutor. Indiferent de aplicație, autonomia bateriei – în ceea ce privește timpul de zbor – este unul dintre cei mai importanți factori în selectarea dronelor.

Evident, autonomia bateriei este legată de greutatea dronei, iar acesta este motivul pentru care la drone se folosesc cele mai ușoare materiale posibil, care pot menține cadrul aeronavei ce este supus forțelor și solicitărilor din timpul zborului motorizat. Acest interes față de o greutate redusă se extinde de la integritatea structurală până la componentele electronice care controlează drona.

Pentru o dinamică de zbor adecvată, drona trebuie să fie echilibrată corect, prin distribuirea uniformă a greutății cadrului și a componentelor electronice integrate. Cu cât sunt mai mici componentele electronice, cu atât este mai ușoară echilibrarea greutății dronei. În mod ideal, centrul de greutate se află în centrul fizic al aeronavei. Orice dezechilibru al greutății, oricât de mic ar fi, trebuie compensat prin ajustarea vitezei elicelor, iar aceste ajustări consumă energie suplimentară în timp și taie din timpul de zbor valoros al utilizatorului.

Dronele de consum și majoritatea celor comerciale folosesc tehnologia Wi-Fi pentru control și transfer de date. Cu cât este mai mare distanța pe care poate zbura o dronă, cu atât mai multă putere trebuie să emită radioul Wi-Fi pentru a menține drona în contact cu controlerul său, ceea ce reprezintă un alt consum de baterie.

Senzorii dronelor și procesarea

În timp ce producătorii de drone încearcă să reducă greutatea și costul sistemelor lor, utilizatorii se așteaptă la funcționalitate îmbunătățită și la performanță mai bună, ceea ce înseamnă drone și firmware mai complexe. Acest lucru mărește cantitatea și greutatea componentelor electronice integrate, afectând în același timp și echilibrul dronei.

De exemplu, dronele folosesc de obicei o varietate de sisteme microelectromecanice (MEMS) și alți senzori pentru a menține un zbor stabil, în timp ce monitorizează traseul și viteza (Figura 1). Un modul de sistem de poziționare globală (GPS) este utilizat pentru a determina localizarea și direcția aeronavei; giroscoapele se folosesc pentru măsurarea rotației în jurul axei longitudinale și verticale; accelerometrele măsoară forțele de accelerație și de șoc ale dronelor; barometrele sunt utilizate pentru a măsura presiunea aerului, în scopul de determina viteza optimă de rotație a elicelor pentru condițiile atmosferice existente – o presiune mai mică a aerului necesită o viteză mai mare a rotorului, în timp ce o presiune ridicată necesită o viteză mai mică; iar camera și senzorii de proximitate permit detectarea și evitarea obstacolelor. De asemenea, se pot utiliza mai mulți senzori redundanți pentru siguranță.

Figura 1: o dronă modernă cu patru elice are o varietate amplă de senzori MEMS, cel puțin o cameră, un card de memorie externă pentru firmware-ul microcontrolerului sau stocarea fotografiilor și drivere de motor pentru elice. (Sursă imagine: Octavo Systems)

Ieșirile pentru fiecare senzor sunt direcționate către microcontrolerele care acționează drona. Microcontrolerele trebuie să proceseze toate aceste intrări ale senzorilor și să le utilizeze pentru a determina cel mai eficient mod de a alimenta motoarele c.c. fără perii (BLDC) care acționează elicele. Cu toate acestea, pe măsură ce tehnologia senzorilor se îmbunătățește în fiecare an, producătorii de drone instalează senzorii cei mai noi, mai exacți și de cea mai înaltă precizie pe noile lor drone. Acest lucru necesită firmware mai complex pentru a putea beneficia de capacitățile îmbunătățite ale acestor senzori. În plus, firmware-ul pentru controlul zborului se îmbunătățește în permanență, în special pentru dronele autonome. Toate aceste îmbunătățiri nu numai că extind cantitatea de firmware, ci necesită și o putere de procesare sporită și mult mai multă memorie pentru a procesa corect datele.

Componentele electronice și funcționalitatea extinse provoacă inginerii să vină cu o soluție de putere redusă, de dimensiuni mici, care să poată satisface cererea crescută, menținând în același timp costurile de dezvoltare și testare la nivel minim.

Dispozitive cu drone SiP

Soluția pentru o funcționalitate sporită este un nivel mai ridicat de integrare a componentelor electronice. În acest scop, Octavo Systems a dezvoltat familia OSD32MP15x de sisteme autonome de computer pentru drone într-un singur pachet. De exemplu, OSD32MP157C-512M-BAA este un dispozitiv puternic care conține o combinație de peste 100 de componente discrete și de matriță individuale, într-un singur pachet cu matrice cu bile de 18 milimetri (mm) x 18 mm (BGA) (Figura 2).

Figura 2: OSD32MP157C-512M-BAA Octavo Systems este un sistem de dronă complet, într-un singur pachet, cu o combinație de peste 100 de componente discrete și de matriță într-un pachet de 18 mm x 18 mm. (Sursă imagine: Octavo Systems)

OSD32MP157C-512M-BAA are două nuclee Arm® Cortex®-A7 care funcționează la 800 megahertzi (MHz) (Figura 3). Aceasta este o putere de procesare suficientă pentru dronele de performanță foarte ridicată și permite procesarea fără întrerupere a datelor de la senzori, în timp ce trimite simultan semnale de modulație a impulsului în lățime (PWM) precise și care se schimbă constant către cele patru drivere care alimentează motoarele BLDC ale elicelor. Fiecare nucleu Cortex-A7 are o memorie cache L1 de 33 de kiloocteți (Kbyte) pentru instrucțiuni și o memorie cache L2 de 32 Kbyte pentru date. Nucleele partajează 256 Kbyte din memoria cache L2. Firmware-ul pentru controlul zborului poate fi recursiv, iar această cantitate de memorie cache accelerează în mod semnificativ procesarea navigării și a fuziunii senzorilor.

De asemenea, un al treilea procesor suplimentar, un Arm Cortex-M4 de 209 MHz cu o unitate cu punct flotant (FPU), este inclus în pachet și poate fi utilizat pentru procesare auxiliară, cum ar fi gestionarea camerei, monitorizarea bateriei și controlarea comunicațiilor Wi-Fi. Sunt disponibile trei interfețe pentru carduri eMMC/SD pentru conectare la carduri flash externe, cum ar fi memoria microSD. Acest lucru este util pentru încărcarea firmware-ului în SiP, precum și pentru stocarea fotografiilor și videoclipurilor de pe cameră, înregistrarea datelor de zbor, jurnalele de evenimente și jurnalele senzorilor MEMS.

Memoria suplimentară pentru nucleele procesorului include 256 Kbyte de RAM pentru sistem și 384 Kbyte de RAM pentru microcontroler. Sunt disponibili și 4 Kbyte de memorie RAM pentru copie de rezervă pe baterie și 3 Kbyte de memorie programabilă de unică folosință (OTP) pentru personalizarea dispozitivului, cum ar fi pentru numărul de serie al dronei sau pachetele de opțiuni.

Figura 3: OSD32MP157C-512M Octavo Systems este un computer cu integrare superioară într-un singur dispozitiv, adecvat pentru sistemele dronelor de înaltă performanță. (Sursă imagine: Octavo Systems)

Interfețele de memorie externă pentru programul flash includ două interfețe QSPI și o interfață flash NAND externă de 16 biți cu suport pentru codul de corecție a erorilor de 8 biți (ECC). Acest lucru permite accesul ușor la memoria flash externă, protejând în același timp împotriva coruperii sau manipulării memoriei.

Două interfețe USB 2.0 de mare viteză pot fi utilizate pentru configurarea și depanarea dispozitivului, precum și pentru memoria flash USB externă, dacă este nevoie de stocare suplimentară pentru date.

512 megaocteți (Mbyte) de DRAM DDR3L de mare viteză sunt folosiți ca memorie de program pentru nucleele Cortex integrate. DRAM se poate încărca la inițializare de la oricare dintre interfețele de memorie flash externă. Aceasta oferă suficientă memorie de program pentru firmware-ul datelor de zbor de înaltă performanță. Memoria de program poate fi accesată de la oricare dintre interfețele de memorie externă, dar firmware-ul va rula întotdeauna mult mai repede, rămânând fără DRAM.

Se pot utiliza 4 Kbyte de EEPROM pentru a stoca datele de calibrare a senzorilor, constantele de control al zborului și datele jurnalului de zbor. O caracteristică de protecție a memoriei previne inscripționarea accidentală pe EEPROM protejată.

Mai multe funcții de securitate garantează siguranța sistemului. Se poate utiliza un modul Arm TrustZone împreună cu suportul pentru criptarea AES-256 și SHA-256 pentru a asigura integritatea firmware-ului în timpul actualizărilor, precum și pentru a cripta datele pe cardul flash extern. OSD32MP157C-512M acceptă inițializarea securizată pentru securitatea firmware-ului și un ceas în timp real (RTC) securizat pentru a preveni manipularea bazei temporale a dronei.

O varietate amplă de porturi seriale include șase interfețe SPI, șase I²C, patru UART și patru USART care se pot conecta la senzorii MEMS și modulele GPS. Două convertoare analog-digital (ADC) independente pe 16 biți, cu 22 de canale, permit interfațarea cu senzorii analogici, cum ar fi termistorii și senzorii de viteză a vântului, care pot detecta curentul și controla motorul în buclă închisă. Trei interfețe I²S permit interfațarea cu dispozitive audio precum boxe sau sonerii. O interfață a camerei permite o conexiune simplă la majoritatea modulelor de cameră RGB.

OSD32MP157C-512M integrează și toate componentele discrete necesare pentru sistem, inclusiv rezistențe, condensatoare, inductori și perle de ferită. Acest lucru permite utilizarea unui număr minim de componente discrete externe la construirea unui sistem de dronă.

Pentru controlul motorului PWM, OSD32MP157C-512M include două temporizatoare avansate de control al motorului de 16 biți, cincisprezece temporizatoare de 16 biți și două temporizatoare de 32 de biți. Astfel se asigură suficiente semnale PWM pentru controlul motoarelor BLDC pentru elice, cu un grad ridicat de precizie, precum și pentru orice mecanisme de acționare, cum ar fi motoarele de poziționare a camerei sau brațele robotizate.

Alimentarea OSD32MP15x

OSD32MP157C-512M necesită doar o singură sursă de alimentare de la 2,8 volți la 5,5 volți, ceea ce îl face adecvat pentru bateriile litiu-ion standard de 3,7 volți. Un cip intern pentru gestionarea energiei furnizează tensiunile necesare pentru toate componentele interne separate. Atunci când ambele nuclee Cortex-A7 și Cortex-M4 rulează la frecvență maximă și toate perifericele sunt în funcțiune, OSD32MP157C-512M va consuma maxim 2 amperi (A). Datorită nivelului ridicat de integrare și numeroaselor opțiuni de operare, un scenariu tipic de consum de curent nu poate fi estimat, lăsând la latitudinea dezvoltatorului să determine care va fi consumul de curent pentru o anumită aplicație.

OSD32MP157C-512M are un consum de curent mai mic comparativ cu aceeași funcționalitate implementată utilizând componente discrete pe o placă de circuite. Acest lucru se datorează în mare parte faptului că utilizarea unei singure matrițe într-un SiP compact în locul componentelor împachetate reduce considerabil curentul de scurgere și, de asemenea, reduce puterea pierdută la rezistența de urmărire a plăcii PC.

Clasificarea descărcării electrostatice (ESD) a familiei OSD32MP15x este de ±1000 volți pentru modelul corpului uman (HBM) și de ±500 volți pentru modelul dispozitivului încărcat (CDM). Din acest motiv, dispozitivul trebuie manipulat cu atenție maximă. Se recomandă insistent ca degetele să nu atingă niciodată punctele de contact ale grilei de bile și ca dispozitivul să fie manipulat numai de margini și numai atunci când este necesar. De asemenea, familia de dispozitive SiP OSD32MP15x este sensibilă la umiditate. Se recomandă ca dispozitivele electronice ale dronelor să fie etanșate, ceea ce este o idee bună și pentru electronicele dronelor în general, deoarece acestea pot intra în contact cu medii cu umiditate ridicată, vapori de apă, nori sau ploaie.

Pentru dronele de performanță superioară, Octavo Systems oferă dispozitivul SiP OSD3358-1G-ISM. Acesta oferă funcționalități similare ca și OSD32MP157, dar are un Cortex-A8 dual mai puternic, de 1 gigahertz (GHz), cu un gigaoctet (Gbyte) de DRAM într-un pachet BGA de 21 mm x 21 mm. Datorită performanței ridicate a celor două nuclee Cortex-A8, acesta nu include procesorul Cortex-M4 suplimentar.

Dezvoltarea SiP Octavo

Pentru dezvoltarea codului, Octavo oferă placa platformei flexibile de prototipare OSD32MP1-BRK (Figura 4). Placa include un OSD32MP157C-512M SiP și reglete de expansiune pentru conectarea la 106 dintre semnalele periferice I/O digitale și externe.

Figura 4: OSD32MP1-BRK Octavo este o platformă de prototipare flexibilă pentru familia OSD32MP15x de dispozitive cu drone SiP. Aceasta are un slot pentru card microSD și un port micro USB pentru dezvoltare și depanare. (Sursă imagine: Octavo Systems)

Un slot pentru card microSD permite plăcii de dezvoltare să încarce memoria externă a programului flash în DRAM în OSD32MP517-512M. Un port micro USB este utilizat pentru dezvoltare și depanarea firmware-ului, asigurând și alimentarea plăcii. Comutatoarele modului de inițializare stabilesc dacă dispozitivul va fi inițializat de pe cardul microSD sau de la oricare dintre interfețele de memorie externe disponibile pe regletele de expansiune.

Concluzie

În timp ce producătorii de drone continuă să îmbunătățească capacitățile sistemelor lor, dezvoltatorii sunt tot mai presați să ofere aceste funcții, reducând în același timp consumul de energie și costurile, pentru a oferi cea mai bună experiență pentru utilizatorul final.

După cum se arată, computerele de drone SiP de înaltă performanță, cu un singur dispozitiv, oferă un nivel foarte ridicat de integrare. Acest lucru simplifică procesul de proiectare, în timp ce drona devine mai ușoară și mai ușor de echilibrat, scăzând astfel consumul de curent și prelungind timpul de zbor, o cerință extrem de apreciată de utilizatorii finali.