Hvordan raskt forbedre dronens ytelse og forlenge flytiden ved hjelp av en SiP-dronestyring

Etter hvert som flere batteridrevne droner kommer seg i luften, er det konkurransepress på droneprodusentene for å utvide funksjonaliteten og ytelsen på konstruksjonen deres, samtidig som strømforbruket minimeres for å forlenge flytiden. For å møte markedets etterspørsel legger designere til mer presise og nøyaktige akselerometre og gyroskoper og oppgraderer tilhørende firmware for å dra nytte av de forbedrede sensorene. Dronenes fysiske egenskape utvides også til å omfatte transport av pakker og utstyr, noe som krever forbedret stabilitet og luftbremserutiner for å håndtere den økte vekten.

Problemet for designere er at den ekstra vekten på dronen, sammen med de ekstra beregningskravene, øker strømforbruket, noe som igjen reduserer flytiden som er mulig for en gitt batteristørrelse. Ytterligere egenskaper og tilhørende elektronikk øker også utviklingstiden og kostnadene for testen.

Løsningen finnes i innen høyere grad av integrasjon. Denne artikkelen vil introdusere en SiP-løsning (system-in-package) fra Octavo Systems som i bunn og grunn er en liten dronedatamaskin. Artikkelen viser hvordan funksjonene i denne frittstående løsningen kan brukes til å spare betydelig plass og redusere vekten for å forlenge flytiden – samtidig som materialkostnaden, varer som må lagerholdes, utviklingstiden og testkostnadene senkes.

Droneteknologi

Utrustning for droner utvides stadig, fra små forbrukerorienterte droner med kameraer for familiebilder eller vennlige konkurranser, hele veien til mer utfordrende roller som å levere pakker for transportører, holde oversikt over husdyr og overvåke avlinger for bønder, overvåke endringer i kystlinjer for miljøvernere, samt lete- og redningsoperasjoner for beredskapspersonell. Uansett bruk er batteriets levetid – på grunn av viktigheten for flytiden – en av de mest kritiske faktorene ved valg av drone.

Batteriets levetid er åpenbart relatert til vekten av dronen, så av denne grunn bruker droner de absolutt letteste materialene tilgjengelig, som kan opprettholde flyets rammeverk mens de er under stress og belastning fra motorisert flyging. Dette fokuset på lett vekt strekker seg hele veien fra strukturell integritet til elektronikken som styrer dronen.

For å oppnå riktig flygedynamikk må dronen balanseres riktig ved å fordele vekten av rammen og elektroniske komponenter jevnt om bord. Jo mindre elektronikken er, desto lettere er det å balansere vekten av dronen. Ideelt sett er tyngdepunktet i dronens fysiske sentrum. Enhver vektubalanse, uansett hvor liten, må kompenseres ved å justere propellratene, og disse justeringene over tid forbruker ekstra strøm og frarøver brukeren verdifull flytid.

Forbruker- og de fleste kommersielle droner bruker Wi-Fi-teknologi for kontroll og dataoverføring. Jo lenger en drone kan fly, desto mer strøm må Wi-Fi-radioen sende ut for å holde dronen i kontakt med styringen, som er en annen belastning på batteriet.

Dronesensorer og prosessering

Mens droneprodusentene prøver å redusere vekten og kostnadene for systemene sine, er brukerne ivrige etter mer funksjonalitet og høyere ytelse, noe som gjør dronen og dens firmware mer kompleks. Dette øker mengden og vekten av elektronikk om bord, samtidig som det påvirker dronens balanse.

For eksempel bruker droner vanligvis en rekke mikroelektromekaniske systemer (MEMS) og andre sensorer for å opprettholde stabil flyging mens de overvåker kurs og hastighet (figur 1). Et globalt posisjoneringssystem (GPS) -modul brukes til å bestemme flyets plassering og retning; gyroskoper brukes til å måle stigning og giring; akselerometre måler droneakselerasjon og sjokkkrefter; barometre brukes til å måle lufttrykket for å bidra til å bestemme optimal propellrotasjonshastighet for nåværende atmosfæriske forhold - lavere lufttrykk krever raskere rotorhastighet mens høyt lufttrykk krever langsommere hastighet; og kamera- og nærhetssensorer muliggjør hindringsdeteksjon og unngåelse. Flere redundante sensorer kan også brukes av sikkerhetsgrunner.

Figur 1: En moderne fire-propellers drone har et bredt utvalg av MEMS-sensorer, minst ett kamera, et eksternt minnekort for mikrokontrollerens fastvare eller lagring av bilder, samt motordrivere for propellene. (Bildekilde: Octavo Systems)

Utgangene fra hver av disse sensorene mates til mikrokontrollene som betjener dronen. Mikrokontrollene må behandle alle disse sensorinngangene og bruke dem til å bestemme den mest effektive måten å drive de strømhungrige, børsteløse DC-motorene (BLDC) som driver propellene. Etter hvert som sensorteknologien forbedres hvert år, setter imidlertid droneprodusentene de nyeste, mest nøyaktige og høyeste presisjonssensorene på de nyeste dronene sine. Dette krever mer kompleks firmware for å dra nytte av de forbedrede egenskapene til disse sensorene. I tillegg forbedres alltid firmwaren for flygestyring, spesielt for selvflyvende droner. Alle disse forbedringene utvider ikke bare mengden firmware, de krever også økt prosessorkraft og betydelig mer minne for å behandle dataene nøyaktig.

Den ekspanderende elektronikken og funksjonaliteten utfordrer ingeniører til å finne en løsning med lavere effekt og liten størrelse som kan møte den økte etterspørselen, samtidig som utviklings- og testkostnadene holdes på et minimum.

SiP-droneenheter

Løsningen på den økte funksjonaliteten er et høyere nivå av integrasjon av elektronikk. For dette formål utviklet Octavo Systems familien OSD32MP15x av droneorienterte, selvstendige datasystemer i en enkelt kapsling. For eksempel er OSD32MP157C-512M-BAA en kraftig enhet som inneholder en kombinasjon av over 100 diskrete og individuelle matrisekomponenter i en enkelt 18 x 18 mm BGA-kapsling (kulegitteroppstilling – ball grid array ) (figur 2).

Figur 2: Octavo Systems OSD32MP157C-512M-BAA er et komplett dronesystem i en enkelt kapsling, med en kombinasjon av over 100 diskrete komponenter og dysekomponenter i en 18 x 18 mm kapsling. (Bildekilde: Octavo Systems)

OSD32MP157C-512M-BAA har to Arm® Cortex®-A7-kjerner som kjører ved 800 megahertz (MHz) (figur 3). Dette er nok prosesseringseffekt til svært droner med høy ytelse, som tillater sømløs behandling av sensordata mens du samtidig sender presise og konstant endrende pulsbreddemodulasjonssignaler (PWM-signaler) til de fire driverne som driver BLDC-propellmotorene. Hver Cortex-A7-kjerne har 33 kilobyte (Kbyte) L1-instruksjonscache og 32 Kbyte L2-datacache. Kjernene deler 256 Kbyte L2-cache. Firmware for flygekontroll kan være rekursiv, og denne mengden hurtigbuffer fremskynder sammenleggingen prosesseringen av navigasjons- og sensordata betydelig.

En ekstra tredje prosessor, en 209 MHz Arm Cortex-M4 med en flytetallsbrikke (floating point unit – FPU), er også i kapslingen og kan brukes til hjelpeprosessering som å administrere kameraet, batteriovervåking og styring av Wi-Fi-kommunikasjon. Tre eMMC/SD-kortgrensesnitt er tilgjengelig for tilkobling til eksterne flash-kort som microSD-minne. Dette er nyttig for å laste firmware inn i SiP, samt å lagre kamerabilder og -videoer, opptak av flygedata, hendelseslogger og MEMS-sensorlogger.

Tilleggsminne for prosessorkjernene inkluderer 256 Kbyte system-RAM og 384 Kbyte mikrokontroller-RAM. Det er også 4 Kbyte batterisikkerhetskopiert RAM og 3 Kbyte engangsprogrammerbart minne (OTP) tilgjengelig for enhetstilpasning som et droneserienummer eller alternative tilleggskomponenter.

Figur 3: Octavo Systems OSD32MP157C-512M er en svært integrert datamaskin i en enkelt enhet, egnet for dronesystemer med høy ytelse. (Bildekilde: Octavo Systems)

Eksterne minnegrensesnitt for flash-program inkluderer to QSPI-grensesnitt og et 16-bits eksternt NAND-flash-grensesnitt med støtte for 8-bits feilrettingskode (error correction code – ECC). Dette gir enkel tilgang til eksternt flashminne mens du beskytter mot minnekorrupsjon eller manipulering.

To USB 2.0-høyhastighetsgrensesnitt kan brukes til enhetskonfigurasjon og feilsøking, og også til eksternt USB-flash-minne hvis det er behov for ekstra datalagring.

512 megabyte (Mbytes) DDR3L DRAM med høy hastighet brukes som programminne for Cortex-kjernene om bord. DRAM-en kan lastes ved oppstart fra et hvilket som helst av de eksterne flash-minnegrensesnittene. Dette gir nok programminne for firmware for flygedata med høy ytelse. Programminnet kan kjøres ut av et hvilket som helst av de eksterne minnegrensesnittene, men firmware vil alltid kjøre betydelig raskere når DRAM-en er tom.

4 Kbyte EEPROM kan brukes til å lagre sensorkalibreringsdata, flygestyringskonstanter og flygeloggdata. En minnebeskyttelsesfunksjon forhindrer utilsiktet skriving til beskyttet EEPROM.

Flere sikkerhetsfunksjoner garanterer sikkerheten til systemet. En Arm TrustZone-modul sammen med støtte for AES-256- og SHA-256-kryptering kan brukes til å forsikre firmwareintegriteten under oppdateringer, samt kryptere data i det eksterne flashkortet. OSD32MP157C-512M støtter sikker oppstart for firmwaresikkerhet og en sikker sanntidsklokke (RTC) for å hindre manipulering av dronens tidsbase.

Et bredt utvalg av serieporter inkluderer seks SPI-er, seks I²C, fire UART og fire USART-grensesnitt som kan kobles til MEMS-sensorer og GPS-moduler. To uavhengige 22-kanals, 16-biters analog-til-digital-omformere (ADC-er) tillater grensesnitt til analoge sensorer som termistorer og vindhastighetssensorer, som også kan utføre strømdeteksjon og lukket motorstyring. Tre I²S-grensesnitt tillater grensesnitt mot lydenheter som høyttalere eller summer. Et kameragrensesnitt tillater en enkel tilkobling til de fleste RGB-kameramoduler.

OSD32MP157C-512M integrerer også alle de diskrete komponentene som er nødvendige for systemet, inkludert motstander, kondensatorer, induktorer og ferrittperler. Dette gjør det mulig å bruke et minimum av eksterne diskrete komponenter ved bygging av et dronesystem.

For PWM-motorstyring inkluderer OSD32MP157C-512M to 16-bits avanserte motorstyringstimere, femten 16-bits timere og to 32-bits timere. Dette gir nok PWM-signaler til å kontrollere BLDC-propellmotorer med en høy grad av nøyaktighet, så vel som eventuelle aktuatorer som kameraposisjoneringsmotorer eller robotarmer.

Drift av OSD32MP15x

OSD32MP157C-512M krever bare en enkelt strømforsyning på 2,8–5,5 volt, noe som gjør den egnet for standard litium-ionbatterier på 3,7 volt. En innebygd strømstyringskontroll gir de nødvendige spenningene for alle de separate interne komponentene. Med både Cortex-A7-kjerner og Cortex-M4 som kjører ved maksimal klokkehastighet og alle perifere enheter i drift, vil OSD32MP157C-512M trekke maksimalt 2 ampere (A). På grunn av det høye integrasjonsnivået og mange driftsalternativer kan et typisk aktuelt trekkscenario ikke estimeres, noe som overlater det til utvikleren å bestemme hva det nåværende trekket vil være for en bestemt utrustning.

OSD32MP157C-512M har lavere strømuttak sammenlignet med samme funksjonalitet implementert ved hjelp av diskrete komponenter på et kretskort. Dette skyldes i stor grad at bruk av en enkelt dyse i en tettpakket SiP i stedet for innkapslede komponenter reduserer lekkasjestrømmen dramatisk, og også reduserer strømtapet til PC-kortets banemotstand.

Den elektrostatiske utladningen (ESD) i OSD32MP15x-familien er HBM-modell (human body model) på ±1000 volt og en CDM-modell (charged device model ) på ±500 volt. Av denne grunn må enheten håndteres med ekstrem forsiktighet. Det anbefales på det sterkeste at fingrene aldri berører kontaktpunktene på BGA-platen, samt at enheten kun håndteres på kantene og kun når det er absolutt nødvendig. OSD32MP15x-familien av SiP-enheter er også følsom for fuktighet. Det anbefales at droneelektronikken forsegles, noe som også er en god idé for droneelektronikken generelt da den kan komme i kontakt med høy fuktighet, vanndamp, skyer eller regn.

For høyere ytelse tilbyr Octavo Systems SiP-enheten OSD3358-1G-ISM. Dette tilbyr lignende funksjonalitet som OSD32MP157, men har en kraftigere dual 1 gigahertz (GHz) Cortex-A8 med en gigabyte (Gbyte) DRAM i en 21 x 21 mm BGA-kapsling. På grunn av den høye ytelsen til de to Cortex-A8-kjernene inkluderer den ikke den ekstra Cortex-M4-prosessoren.

Utvikling av Octavo SiP

For kodeutvikling har Octavo OSD32MP1-BRK fleksibelt prototypeplattformkort (figur 4). Kortet inneholder OSD32MP157C-512M SiP og utvidelseshoder for tilkobling til 106 av digitale I/O (inngang-/utgang)- og eksterne perifere signaler.

Figur 4: Octavo OSD32MP1-BRK er en fleksibel prototypeplattform for OSD32MP15x-familien av SiP-droneenheter. Den har en plass til et microSD-kort og en mikro-USB-port for utvikling og feilsøking. (Bildekilde: Octavo Systems)

Et microSD-kortspor lar utviklingskortet laste eksternt flashprogramminne inn i DRAM-en i OSD32MP517-512M. En mikro-USB-port brukes til utvikling og feilsøking av firmware, samt den leverer også strøm til kortet. Oppstartsmodusbrytere avgjør om enheten vil starte fra microSD-kortet eller et hvilket som helst av de eksterne minnegrensesnittene som er tilgjengelige ved ekspansjonshodene.

Konklusjon

Når droneprodusentene fortsetter å forbedre systemenes kapasiteter, utfordres utviklerne stadig mer til å tilby disse kapasitetene, samtidig som strømforbruket og kostnadene minimeres for å gi den beste sluttbrukeropplevelsen.

Som vist gir enkeltenheter, SiP-dronedatamaskiner med høy ytelse et veldig høyt nivå av integrasjon. Dette forenkler designprosessen samtidig som det gjør dronen lettere og enklere å balansere, og dermed reduserer den nåværende belastningen og forlenger flytiden, et høyt verdsatt krav fra sluttbrukerne.