Drony se používají k přepravě různých předmětů. Může se jednat o připojenou kameru či zboží, které se má doručit zákazníkovi přímo do domu. Hmotnost nesené zátěže souvisí se zvýšeným výpočetním i letovým výkonem, a tím i se zvýšenou spotřebou energie. Zvýšená spotřeba energie zase snižuje dobu letu a klade vysoké nároky na baterii. Všechny tyto aspekty mají vliv na délku vývoje a testování.
Čím bude mít dron menší hmotnost a bude výkonnější, tím dosáhne vyšší užitečnou zátěž. Jednou z možností je použití jednočipového počítače od společnosti Octavo Systems v podobě system-in-package (SiP).
Použití dronů a jejich vlastnosti
V poslední době se drony objevují v mnoha oborech lidské činnosti, aniž si to uvědomujeme. Ve filmovém průmyslu slouží pro tvorbu strhujících záběrů, které byly v minulosti proveditelné jen pomocí velkých a drahých ramen. Úchvatné záběry si lze pořídit také při rodinných oslavách a firemních akcích. Armádní drony se specializují na monitorování nepřátelské oblasti. Záchranáři používají drony k prozkoumání nepřístupného terénu například po zemětřesení či záplavách. Některé doručovací společnosti již začaly využívat drony k doručování zboží. Zemědělci drony používají k monitorování vysázených plodin.
Bez ohledu na použití je výdrž baterie jednou z nejdůležitějších faktorů při výběru dronu. Výdrž baterie souvisí přímo s hmotností dronu. Proto jsou drony vyrobeny z nejlehčích, ale zároveň pevných materiálů. K celkové váze také přispívá hmotnost elektroniky uvnitř dronu.
Velký důraz je kladen na vyvážení celého dronu, jelikož každá odchylka se musí komplikovaně vyvažovat pomocí integrovaného systému a řízení. To spotřebovává energii, která by mohla být použita na samotný let. Pro dálkové ovládání a přenos dat se většinou používá Wi-Fi. Čím je letová vzdálenost větší, tím více energie musí Wi-Fi transceiver vysílat, aby dron zůstal v kontaktu s ovládáním.
Senzory pro drony a zpracování signálů
Výrobci dronů se snaží snížit váhu a náklady na systém pomocí jednodeskových počítačů (SiP), nejmodernějších mikro-elektromechanických systémů (MEMS) a dalších senzorů k udržení stabilního letu. K určení polohy a směru se používá modul GPS. Gyroskopy slouží k měření výšky a vybočení. Akcelerometry měří zrychlení dronu a rázové síly. Barometry se používají k měření tlaku vzduchu, aby pomohly určit optimální rychlost otáčení vrtule pro aktuální atmosférické podmínky. Nižší tlak vzduchu vyžaduje vyšší otáčky vrtule, zatímco vysoký tlak vzduchu vyžaduje otáčky nižší. Kamera a senzory přiblížení umožňují detekci překážek. Po rychlém vyhodnocení všech údajů dojde k úhybnému manévru a dron se vyhne kolizi, která může být vzhledem k jeho rychlosti fatální. Z bezpečnostních důvodů je nutné použít několik redundantních senzorů, aby byla zaručena funkčnost i při nějaké poruše. To vše přináší vyšší letový výkon, vyšší výpočetní výkon a vyšší spolehlivost. (obrázek 1).
Obrázek 1: Moderní dron má širokou škálu senzorů MEMS, alespoň jednu kameru, externí paměťovou kartu pro firmware nebo ukládání fotografií a ovladače motorů pro vrtule. (Zdroj obrázku: Octavo Systems)
Výstupy všech senzorů jsou přivedeny do mikrokontroleru ovládající dron. Mikrokontroler musí zpracovat všechny informace a použít je k ovládání bezkartáčových stejnosměrných motorů (BLDC), které pohání příslušné vrtule.
Technologie senzorů se každým rokem zlepšuje a výrobci na to ihned reagují, že aktualizují svou řídící elektroniku. To vyžaduje složitější firmware, aby bylo možné využívat nejnovější vlastnosti těchto senzorů. Firmware řízení letu se navíc neustále vylepšuje, zejména u autonomních dronů. Všechna tato vylepšení rozšiřují komplexnost firmware, vyžadují zvýšený výpočetní výkon a potřebují podstatně více paměti pro rychlé zpracování dat.
SiP přímo pro drony
Řešením výše zmíněných problémů je vyšší úroveň integrace elektroniky. Za tímto účelem společnost Octavo Systems vyvinula rodinu OSD32MP15x - samostatných počítačových systémů (SiP – Systém in Package) zaměřených na drony. Například OSD32MP157C-512M-BAA je výkonný SiP, který obsahuje více než 100 samostatných komponent v jediném BGA pouzdře o velikosti 18 x 18 mm (obrázek 2).
Obrázek 2: Octavo Systems OSD32MP157C-512M-BAA je kompletní systém SiP, který obsahuje více než 100 samostatných komponent v BGA pouzdře o velikosti 18 mm x 18 mm. (Zdroj obrázku: Octavo Systems)
OSD32MP157C-512M-BAA má dvě jádra Arm Cortex-A7 běžících na 800 MHz (obrázek 3). Tím disponuje dostatkem výpočetního výkonu pro velmi výkonné drony a umožňuje plynulé zpracování dat ze senzorů při současném řízení čtyř vrtulových BLCD motorů pomocí PWM.
Každé jádro Cortex-A7 má 33 kB paměť instrukcí, 32 kB datovou paměť a jednu sdílenou 256 kB paměť. Třetí procesor s jádrem Arm Cortex-M4 pracujícím na frekvenci 209 MHz a s jednotkou FPU (plovoucí desetinná čárka), která se používá pro pomocné zpracování dat z kamery, monitorování baterie a podporu Wi-Fi komunikace. K připojení k externím flash kartám microSD jsou k dispozici tři rozhraní eMMC / SD. Ty mohou sloužit pro načítání firmware do SiP i pro ukládání fotografií a videí z kamer, nahrávání letových údajů, logování událostí a dat ze senzorů MEMS.
Další paměti jsou 256 kB systémová RAM a 384 kB RAM pro jádra procesorů. K dispozici je také 4 kB zálohovaná RAM paměť a 3 kB jednorázově programovatelná paměť (OTP) pro sériové číslo dronu nebo jiné identifikační údaje.
Obrázek 3: Octavo Systems OSD32MP157C-512M je vysoce integrovaný počítač v jediném pouzdře SiP vhodný pro výkonné systémy dronů. (Zdroj obrázku: Octavo Systems)
Externí flash paměti komunikují pomocí rozhraní QSPI a rozhraní NAND paměti má podporu 8bitového kódu pro opravu chyb (ECC). Díky tomu je zaručen snadný přístup k externí paměti flash a zároveň ochrana před poškozením paměti nebo nedovolenou manipulací.
K dispozici jsou dvě vysokorychlostní rozhraní USB 2.0, které lze použít pro konfiguraci a ladění. Může se také použít pro externí USB flash paměť k rozšíření datového uložiště. Vysokorychlostní DDR3L DRAM paměť o velikosti 512 MB se používá jako programová paměť pro jádra Cortex. Paměť DRAM lze načíst při bootování z libovolného rozhraní externí paměti flash.
4 kB EEPROM paměť lze použít k uložení kalibračních dat senzoru, konstant pro řízení letu a data letového protokolu. Funkce ochrany paměti zabraňuje neúmyslnému zápisu do chráněné EEPROM.
O bezpečnost systému se stará několik bezpečnostních prvků. K zajištění integrity firmware během aktualizace a pro šifrování dat na externí flash kartě lze použít modul Arm TrustZone spolu s podporou šifrování AES-256 a SHA-256. OSD32MP157C-512M podporuje zabezpečené bootování firmware a k dispozici jsou také zabezpečené hodiny v reálném čase (RTC), aby se zabránilo neoprávněné manipulaci s časovou základnou.
K dispozici je široká škála sériových portů, mezi které patří 6 x SPI, 6 x I2C, 4 x UART a 4 x USART, které lze připojit k senzorům MEMS a modulům GPS. Dva nezávislé 22kanálové 16bitové analogově-digitální převodníky (ADC) umožňují propojení s analogovými senzory, jako jsou termistory a senzory rychlosti větru. Tři rozhraní I2S se používají pro propojení se zvukovými zařízeními, jako jsou reproduktory nebo bzučáky. Pro jednoduché připojení k většině kamer RGB lze využít kamerový interface.
OSD32MP157C-512M obsahuje všechny diskrétní komponenty nezbytné pro systém, včetně odporů, kondenzátorů a induktorů. Díky tomu lze použít minimum externích komponent.
OSD32MP157C-512M obsahuje dva speciální16bitové časovače, které slouží pro PWM signály k řízení motorů, a k tomu dalších patnáct klasických 16bitových a dva 32bitové časovače. Díky tomu lze vygenerovat dostatek signálů PWM pro řízení motorů BLDC s vysokou mírou přesnosti.
Napájení pro OSD32MP15x
OSD32MP157C-512M vyžaduje pouze jediné napájecí napětí v rozmezí 2,8 V až 5,5 V. To znamená, že jako vhodný zdroj napájení může sloužit standardní 3,7 V lithium-iontová baterie. Interní čip pro správu napájení poskytuje potřebné napětí pro všechny samostatné interní komponenty. S jádry Cortex-A7 a Cortex-M4 běžícími na maximální frekvenci a všemi fungujícími periferiemi bude OSD32MP157C-512M odebírat maximálně 2 A.
OSD32MP157C-512M má nižší odběr proudu ve srovnání se stejnou funkcionalitou implementovanou pomocí samostatných komponent na klasické desce. To je do značné míry způsobeno skutečností, že použitím jediné matrice v SiP se dramaticky snižuje svodový proud a nedochází ke ztrátě energie na jednotlivých měděných spojích.
Odolnost elektrostatického výboje (ESD) rodiny OSD32MP15x je na modelu lidského těla (HBM) ± 1 000 voltů a na modelu zařízení (CDM) ± 500 voltů. Z tohoto důvodu musí být se zařízením zacházeno s maximální opatrností. Důrazně se doporučuje, aby se prsty nikdy nedotýkaly kontaktních bodů.
SiP OSD32MP15x je také citlivý na vlhkost. Proto se doporučuje utěsnění elektroniky, aby se zamezilo styku s vlhkostí, vodní párou nebo deštěm.
Pro vyšší výkon dronů nabízí Octavo Systems SiP OSD3358-1G-ISM. Má podobné funkce jako OSD32MP157, ale má výkonnější duální 1GHz procesor Cortex-A8 s 1 Gbyte paměti DRAM. Vše je ukryto v pouzdře BGA o velikosti 21 mm x 21 mm. Díky vysokému výkonu dvou jader Cortex-A8 neobsahuje další pomocný procesor Cortex-M4.
Octavo SiP pro snadný vývoj
Pro vývoj nabízí Octavo flexibilní desku OSD32MP1-BRK (obrázek 4). Deska obsahuje OSD32MP157C-512M SiP a rozšiřující konektory pro připojení 106 digitálních I / O.
Obrázek 4: Octavo OSD32MP1-BRK je flexibilní prototypová platforma pro drony s procesory SiP řady OSD32MP15x. Má slot pro kartu microSD a port micro USB pro vývoj a ladění. (Zdroj obrázku: Octavo Systems)
Slot pro kartu microSD umožňuje vývojové desce načíst externí paměť Flash do paměti DRAM v OSD32MP517-512M. Pro vývoj a ladění firmware se používá port micro USB, který také desku napájí. Přepínače režimu spouštění určují, zda se program bude spouštět z karty microSD nebo z některého externího paměťového rozhraní.
Závěr
Vzhledem k tomu, že výrobci dronů neustále zlepšují možnosti svých systémů, je stále větší výzvou implementovat tyto funkce a zároveň minimalizovat spotřebu energie. Řešením jsou vysoce výkonné „dronové“ počítače SiP s velmi vysokou úrovní integrace. Tím se zjednodušuje celý proces vývoje a dron je lehčí a snáze vyvažitelný. Výsledkem je nižší odběr proudu a prodloužení doby letu.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Giovino.
