Hur man snabbt kan förbättra drönarens prestanda och förlänga flygtiden med en SiP-drönare

När allt fler batteridrivna drönare tar sig till väders, pressar konkurrensen drönartillverkarna att utöka funktionaliteten och prestandan i sina konstruktioner, och samtidigt minska energiförbrukningen för att förlänga flygtiden. För att möta marknadens behov lägger konstruktörer till mer precisa accelerometrar och gyroskop och uppgraderar tillhörande firmware för att kunna utnyttja de förbättrade sensorerna. Den fysiska kapaciteten hos drönare ökar också för att transportera paket och utrustning, vilket kräver bättre stabilitet och luftbromsförmåga för att hantera den ökade vikten.

Ett problem för konstruktörer är att drönarens extra vikt, tillsammans med de extra kraven på processorkapacitet, ökar strömförbrukningen, vilket i sin tur minskar flygtiden för en given batteristorlek. De tillkommande funktionerna och förmågorna, samt den därtill hörande elektroniken förlänger också utvecklingstider och testkostnader.

Lösningen ligger i en högre grad av integration. I denna artikel går vi igenom en SiP-lösning (system-in-package) frånOctavo Systems som i grunden är en liten drönardator. Vi visar hur funktionerna i denna fristående lösning kan användas för att spara avsevärt med utrymme och minska vikten för att förlänga flygtiden, samtidigt som den reducerar antalet komponenter, lagerhållningen, utvecklingstiden och testkostnaderna.

Drönarteknik

Tillämpningarna för drönare blir ständigt fler. Från små konsumentorienterade drönare med kameror för familjefoton eller informella tävlingar, ända till mer krävande funktioner, som att leverera kurirförsändelser, hålla reda på boskap för lantbrukare, övervaka grödor för jordbrukare, övervaka förändringar i kustlinjerna för naturvårdare och sök- och räddningsinsatser för räddningstjänsten. Oavsett tillämpningen är batteriets livslängd - i förhållande till flygtiden - en av de mest kritiska faktorerna i valet av drönare.

Batteriets livslängd är uppenbart kopplad till drönarens vikt. Därför använder drönare de lättast tänkbara materialen som klarar att bära upp farkostens struktur när den utsätts för belastningarna som medförs av den eldrivna framdrivningen. Detta fokus på låg vikt genomsyrar allt från den strukturella hållfastheten till styrelektroniken i drönaren.

För att flygdynamiken ska fungera korrekt, måste drönaren balanseras noga genom att jämnt fördela vikten på chassit och på de elektroniska komponenterna. Ju mindre elektronik, desto lättare är det att balansera drönarens vikt. Helst ska tyngdpunkten ligga i farkostens fysiska centrum. Eventuella viktobalanser, oavsett hur små de är, måste kompenseras genom att justera propellervarvtalen, och dessa justeringar ökar strömförbrukningen och minskar den värdefulla användbara flygtiden.

Konsumenter och de flesta kommersiella drönare använder Wi-Fi-teknik för styrning och dataöverföring. Ju längre en drönare kan flyga, desto mer effekt måste Wi-Fi-radion mata ut för att hålla drönaren i kontakt med styrenheten, vilket utgör ytterligare en strömförbrukare som belastar batteriet.

Drönarsensorer och processorkraft

Samtidigt som drönartillverkarna eftersträvar att minska vikten och kostnaderna för sina system, förväntar sig användarna högre funktionalitet och prestanda, vilket gör drönaren och dess firmware mer komplexa. Detta ökar mängden av och vikten på den inbyggda elektroniken, samtidigt som det påverkar drönarens balans.

Exempelvis använder drönare ofta en mängd olika mikroelektromekaniska system (MEMS) och andra sensorer för att upprätthålla en stabil flygförmåga medan kurs och hastighet övervakas (figur 1). En GPS-modul (Global Positioning System) används för att fastställa farkostens plats och riktning. Gyroskop används för att mäta stigning och girning. Accelerometrar mäter drönarens acceleration och stötkrafter. Barometrar används för att mäta lufttrycket för att bestämma optimalt propellervarvtal för aktuella atmosfärsförhållanden - lägre lufttryck kräver högre rotorhastighet medan högt lufttryck kräver lägre hastighet, och kamera- och närhetssensorer gör det möjligt att upptäcka och undvika hinder. Dessutom kan flera redundanta sensorer behövas av säkerhetsskäl.

Figur 1: En modern drönare med fyra propellrar har en mängd MEMS-sensorer, minst en kamera, ett externt minneskort för microcontrollerns firmware eller lagring av foton samt motordrivkretsar för propellrarna. (Bildkälla: Octavo Systems)

Utgångarna från var och en av dessa sensorer går till de microkontrollers som styr drönaren. Microcontrollern måste processa alla dessa sensoringångar och använda dess data för att bestämma det mest effektiva sättet att driva de strömkrävande borstlösa DC-motorerna (BLDC) som driver propellrarna. Men när sensorteknologin förbättras för varje år lägger drönartillverkare till de senaste och mest exakta precisionssensorerna på sina nyaste drönare. Detta kräver mer komplex firmware för att dra nytta av de förbättrade funktionerna hos dessa sensorer. Dessutom vidareutvecklas hela tiden flygstyrningens firmware, särskilt för autonoma drönare. Alla dessa förbättringar ökar inte bara mängden firmware, de kräver också mer processorkraft och betydligt mer minne för att bearbeta datan.

Den allt mer komplexa elektroniken och funktionaliteten utmanar ingenjörer att utveckla små lösningar med lägre strömförbrukning, som kan möta de högre kraven, och samtidigt minska utvecklings- och testkostnaderna.

SiP-drönare

Svaret på utmaningen att öka funktionaliteten är en högre grad av elektronikintegration. För detta ändamål har Octavo Systems utvecklat OSD32MP15x-familjen av drönarorienterade, fristående datorsystem i en enda modul. Exempelvis är OSD32MP157C-512M-BAA en kraftfull produkt som innehåller en kombination av över 100 diskreta och separata substratkomponenter i en enda modul i en 18 x 18 mm BGA-kapsling (Ball Grid Array) (figur 2).

Figur 2: Octavo Systems OSD32MP157C-512M-BAA är ett komplett drönarsystem i en enda modul med en kombination av över 100 diskreta och separata substratkomponenter i en kapsling på 18 x 18 mm. (Bildkälla: Octavo Systems)

OSD32MP157C-512M-BAA har tvåArm® Cortex®-A7-kärnor som körs på 800 MHz (figur 3). Detta är tillräckligt med processorkraft för drönare med mycket höga prestanda och möjliggör smidig bearbetning av sensordata samtidigt som den skickar exakta och ständigt varierande PWM-signaler (PWM) till de fyra drivkretsar som driver BLDC-propellermotorerna. Varje Cortex-A7-kärna har en L1-instruktionscache på 33 kbyte och L2-datacache på 32 kbyte. Kärnorna delar en L2-cache på 256 kbyte. Flygstyrningens firmware kan vara rekursiv och denna mängd cache påskyndar avsevärt navigeringen och behandlingen av de sammanlagda sensorsignalerna.

Ytterligare en tredje processor, en 209 MHz Arm Cortex-M4 med en flyttalsprocessor (FPU), finns också i paketet och kan användas för hjälpprocessning, såsom hantering av kamera, batteriövervakning och styrning av Wi-Fi-kommunikation. Tre eMMC/SD-kortgränssnitt finns tillgängliga för anslutning till externa flashkort som microSD-minne. Detta är användbart för att ladda firmware i SiP samt lagra kamerafoton och videor, spela in flygdata, händelseloggar och MEMS-sensorloggar.

Processorkärnorna har ytterligare 256 kbyte system-RAM och 384 kbyte microcontroller-RAM. Det finns också 4 kbyte batteriuppbackat RAM-minne och 3 kbyte engångsprogrammerbart (OTP) minne för produktanpassning, exempelvis ett drönarserienummer eller tillvalspaket.

Figur 3: Octavo Systems OSD32MP157C-512M är en högintegrerad dator i en enda enhet som är lämplig för drönarsystem med höga prestanda. (Bildkälla: Octavo Systems)

De externa flashminnesgränssnitten inkluderar två QSPI-gränssnitt och ett 16-bitars externt NAND-flashgränssnitt med stöd för 8-bitars felkorrigeringskod (ECC). Detta möjliggör enkel åtkomst till externt Flashminne, samtidigt som det skyddar mot förvrängning eller manipulering av minnet.

Två snabba USB 2.0-gränssnitt kan användas för konfiguration och felsökning av enheten och även för externt USB-flashminne om ytterligare datalagring behövs.

512 Mbyte snabbt DDR3L DRAM används som programminne för de inbyggda Cortex-kärnorna. DRAM:et kan laddas vid start från vilket som helst av de externa flashminnesgränssnitten. Detta ger tillräckligt med programminne för att processa även stora mängder flygdata för en firmware. Programminnet kan köras från vilken som helst av de externa minnesgränssnitten, men firmware körs alltid betydligt snabbare när det körs från DRAM.

4 kbyte EEPROM kan användas för att lagra sensorkalibreringsdata, flygstyrningskonstanter och flygloggdata. En minnesskyddsfunktion förhindrar oavsiktlig skrivning till skyddat EEPROM.

Flera säkerhetsfunktioner tillförsäkrar systemsäkerheten. En Arm TrustZone-modul tillsammans med stöd för AES-256 och SHA-256-kryptering kan användas för att säkerställa firmwareintegriteten under uppdateringar samt för att kryptera data i det externa flashkortet. OSD32MP157C-512M stödjer säker start för firmwaresäkerhet och en säker realtidsklocka (RTC) för att förhindra manipulering med drönarens tidsbas.

Ett stort antal seriella portar inkluderar sex SPI, sex I²C-, fyra UART- och fyra USART-gränssnitt som kan anslutas till MEMS-sensorer och GPS-moduler. Två oberoende 22-kanalers, 16-bitars A/D-omvandlare (ADC) möjliggör gränssnitt till analoga sensorer som termistorer och vindhastighetssensorer, som också kan sköta strömavkänning och återkopplad motorstyrning. Tre I²S-gränssnitt möjliggör gränssnitt till ljudenheter som högtalare och sumrar. Ett kameragränssnitt gör det enkelt att ansluta till de flesta RGB-kameramoduler.

OSD32MP157C-512M omfattar också alla diskreta komponenter som är nödvändiga för systemet, inklusive motstånd, kondensatorer, induktorer och ferritkärnor. Detta gör det möjligt att använda ett minimum av externa diskreta komponenter för att bygga ett drönarsystem.

För PWM-motorstyrning innehåller OSD32MP157C-512M två 16-bitars avancerade motorstyrtimers, femton 16-bitars timers och två 32-bitars timers. Detta ger tillräckligt med PWM-signaler för att styra BLDC-propellermotorerna med hög noggrannhet, samt alla styrdon som kamerapositioneringsmotorer och robotarmar.

Strömförsörjning av OSD32MP15x

OSD32MP157C-512M kräver endast en strömförsörjning på 2,8 till 5,5 volt, vilket gör den lämplig för vanliga 3,7 volts litiumjonbatterier. En intern energihanteringskrets ger nödvändiga spänningar för alla separata interna komponenter. Med både Cortex-A7-kärnor och Cortex-M4 som körs med maximal klockhastighet och all kringutrustning i drift, drar OSD32MP157C-512M maximalt 2 ampere (A). På grund av den höga integrationsnivån och de många driftsalternativen, kan ett typiskt strömförbrukningsscenario inte uppskattas, vilket lämnar det upp till utvecklaren att avgöra vad den aktuella strömförbrukningen kommer bli för en viss applikation.

OSD32MP157C-512M har en lägre strömförbrukning, jämfört med samma funktionalitet implementerad med diskreta komponenter på ett kretskort. Detta beror till stor del på ett enda substrat används i en tätpackad SiP istället för kapslade komponenter, vilket dramatiskt minskar läckströmmarna och även minskar strömförlusterna i mönsterkortets ledningsbanor.

Klassningen för elektrostatisk urladdning (ESD) för OSD32MP15x-familjen är ± 1000 volt för en människokroppsmodell (HBM) och ± 500 volt för en modell av en laddad komponent (CDM). Av denna anledning måste komponenten hanteras med yttersta försiktighet. Det rekommenderas starkt att aldrig med fingrarna vidröra kontaktpunkterna på BGA-plattan och att komopnenten endast hanteras i kanterna och vid behov. OSD32MP15x-familjen med SiP-enheter är också känslig för fukt. Det rekommenderas att drönarelektroniken förseglas, vilket också är en bra idé för drönarelektronik i allmänhet eftersom den kan komma i kontakt med hög luftfuktighet, vattenånga, moln och regn.

För drönare med högre prestanda erbjuder Octavo Systems SiP-enheten OSD3358-1G-ISM. Denna erbjuder liknande funktioner som OSD32MP157, men har en mer kraftfull 1 GHz Cortex-A8-dubbelkärna med 1 Gbyte DRAM i en 21 x 21 mm BGA-kapsling. På grund av den höga prestandan hos de två Cortex-A8-kärnorna inkluderar denna inte den extra Cortex-M4-processorn.

Octavos SiP-utveckling

För kodutveckling tillhandahåller Octavo det flexibla prototypplattformskortet OSD32MP1-BRK (figur 4). Kortet innehåller en OSD32MP157C-512M SiP och expansionshuvuden för att ansluta till 106 av de digitala in-/utgångarna och signaler från kringutrustning.

Figur 4: Octavo OSD32MP1-BRK är en flexibel prototypplattform för OSD32MP15x-familjen av SiP-drönare. Den har ett fack för ett microSD-kort och en mikro-USB-port för utveckling och felsökning. (Bildkälla: Octavo Systems)

Med en microSD-kortplats kan utvecklingskortet ladda in externt flashminne i DRAM:et i OSD32MP517-512M. En mikro-USB-port används för utveckling och felsökning av firmware och strömförsörjer också kortet. Bootlägesswitchar avgör om enheten startar från microSD-kortet eller något av de externa minnesgränssnitten som finns tillgängliga genom expansionsstiftlisterna.

Slutsats

Eftersom drönartillverkare fortsätter att förbättra sina systemfunktioner, utmanas utvecklare i allt högre grad att erbjuda dessa funktioner och samtidigt minska energiförbrukningen och kostnaderna för att ge bästa möjliga slutanvändarupplevelse.

Inkapslade SiP-drönardatorer ger, som det har visats, en mycket hög grad av integration. Detta förenklar utvecklingsprocessen samtidigt som drönaren blir lättare och enklare att balansera, vilket minskar strömförbrukningen och förlänger flygtiden, något som användare givetvis uppskattar mycket.