Miten nopeasti parantaa dronen suorituskykyä ja lisätä lentoaikaa käyttämällä SiP-droneohjainta

Kun yhä useammat akkukäyttöiset dronet nousevat taivaalle, dronevalmistajilla on kova kilpailu ja paine laajentaa tuotteidensa toiminnallisuutta ja suorituskykyä sekä samalla vähentää virrankulutusta lentoajan pidentämiseksi. Vastatakseen markkinoiden kysyntään suunnittelijat lisäävät laitteisiin yhä tarkempia kiihtyvyysantureita ja gyroskooppeja sekä päivittävät näiden laiteohjelmistoja hyödyntääkseen näitä parempia antureita. Dronelaitteiden fyysiset ominaisuudet laajenevat myös ja ne voivat kantaa paketteja ja laitteita. Tämä vaatii lisääntyneen painon hallitsemiseksi parempaa stabiiliutta sekä jarrutustoiminnallisuutta ilmassa.

Suunnittelijoiden ongelmana on se, että dronen painon lisääntyminen, samoin kuin kasvaneet laskentavaatimukset, lisäävät virrankulutusta, mikä vuorostaan vähentää samankokoisella akulla saatavaa lentoaikaa. Lisäominaisuudet, kapasiteetti ja näihin liittyvä elektroniikka tapaavat myös lisätä kehitysaikaa ja testauskustannuksia.

Ratkaisu löytyy korkeammasta integrointitasosta. Tässä artikkelissa esitellään Octavo Systems -yrityksen SiP-järjestelmäpaketti (System-in-Package), joka on pohjimmiltaan pikkuruinen dronetietokone. Artikkelissa näytetään miten tämän valmisratkaisun ominaisuudet säästävät merkittävästi tilaa ja painoa, mikä lisää lentoaikaa. Samalla se laskee BOM-kustannuksia (Bill Of Materials), inventaariota, kehitysaikaa sekä testauskustannuksia.

Droneteknologia

Dronelaitteiden käyttökohteet laajenevat jatkuvasti alkaen pienistä kuluttajille suunnatuista kameralla varustetuista droneista, joilla voidaan ottaa perhekuvia tai kilpailla ystävien kesken, kokonaan toiseen ääripäähän ja vaativampiin rooleihin kuten pakettien kuljetus kuriiriliikkeissä, karjan seuranta karjatilallisille, viljan seuranta maanviljelijöille, rannikon muutoksien seuranta ympäristövaikuttajille sekä etsintä- ja pelastustoiminto pelastustyöntekijöille. Sovelluksesta riippumatta akkukesto on yksi tärkeimpiä tekijöitä dronen valinnassa, koska se vaikuttaa lentoaikaan.

On selvää, että akkukesto liittyy dronen painoon, joten tästä syystä droneissa käytetään kevyimpiä mahdollisia materiaaleja, jotka säilyttävät ilma-aluksen rungon muodossaan kun siihen kohdistuvat moottoroidun lennon rasitukset ja kuormitus. Pyrkimys alhaiseen painoon vaikuttaa kaikkeen rakenteellisesta jäykkyydestä aina dronen ohjaamiseen käytettävään elektroniikkaan saakka.

Lentodynamiikan kannalta dronen on oltava tasapainossa ja sen rungon ja sekä laitteen elektroniikkakomponenttien painon on oltava tasapainossa. Mitä pienempää elektroniikka on, sitä helpompaa dronen painon tasapainotus on. Ideaalisesti laitteen painopiste sijaitsee ilma-aluksen fyysisessä keskipisteessä. Kaikki pienetkin poikkeamat tasapainosta on kompensoitava säätämällä propellien nopeutta ja nämä säädöt kuluttavat ajan mittaan ylimääräistä virtaa ja vähentävät käyttäjälle arvokasta lentoaikaa.

Kuluttajadronet ja useimmat kaupalliset dronet käyttävät ohjaukseen ja tiedonsiirtoon Wi-Fi-teknologiaa. Mitä kauemmaksi drone voi lentää, sitä tehokkaampi Wi-Fi-radion on oltava, jotta drone säilyttää yhteyden ohjaimen kanssa. Myös tämä kuluttaa akun varausta.

Dronen anturit ja prosessointi

Dronevalmistajien pyrkiessä vähentämään järjestelmiensä painoa ja hintaa, käyttäjät haluavat innokkaasti lisää toiminnallisuutta ja korkeampaa suorituskykyä, mikä tekee dronesta ja sen laiteohjelmistosta entistä kompleksisemman. Tämä lisää laitteen sisältämän elektroniikan määrää ja painoa sekä vaikuttaa dronen tasapainoon.

Dronet esimerkiksi käyttävät tyypillisesti erilaisia mikrosähkömekaanisia MEMS-järjestelmiä (MicroElectroMechanical Systems) sekä muita antureita lennon vakauttamiseen sekä reitin ja nopeuden seuraamiseen (kuva 1). GPS-moduulia (Global Positioning System) käytetään ilma-aluksen sijainnin ja suunnan määritykseen; gyroskooppeja käytetään kallistuksen ja vaappumisen mittaamisen; kiihtyvyysanturit mittaavat dronen kiihtyvyyden ja hetkelliset voimat; barometreja käytetään ilmanpaineen mittaukseen propellien optimaalisen pyörintänopeuden määrittämiseksi ilmakehän senhetkisissä olosuhteissa – alhaisempi ilmanpaine vaatii korkeampaa roottorinopeutta kun taas korkea ilmanpaine vaatii alhaisempaa nopeutta; kamera ja läheisyysanturit mahdollistavat esteiden tunnistamisen ja väistämisen Turvallisuussyistä voidaan käyttää myös useita ylimääräisiä antureita.

Kuva 1: Moderni nelipotkurinen drone sisältää useita erilaisia MEMS-antureita, ainakin yhden kameran, ulkoisen muistikortin mikrokontrollerin laiteohjelmistoa ja valokuvien tallennusta varten sekä moottoreiden ohjaimet propelleja varten. (Kuvan lähde: Octavo Systems)

Kaikkien näiden anturien lähdöt syötetään dronea ohjaaville mikrokontrollereille. Mikrokontrollerien on käsiteltävä kaikki nämä anturitulot ja käytettävä niitä määrittääkseen hyötysuhteeltaan tehokkaimman tavan ohjata propelleihin kytkettyjä tehosyöppöjä harjattomia DC-moottoreita (BLDC). Anturiteknologia paranee kuitenkin joka vuosi ja drone-valmistajat lisäävät uusimpiin droneihinsa uusimmat ja tarkimmat anturit. Tämä vaatii kompleksisempaa laiteohjelmistoa näiden ominaisuusiltaan parannettujen antureiden hyödyntämiseksi. Lisäksi lennonohjauksen laiteohjelmisto paranee koko ajan, erityisesti autonomisten dronien laiteohjelmistot. Kaikki nämä parannukset eivät ainoastaan kasvata laiteohjelmiston määrää, vaan ne myös vaativat enemmän prosessointitehoa ja merkittävästi enemmän muistia voidakseen käsitellä tiedot tarkasti.

Lisääntynyt elektroniikka ja toiminnallisuus haastavat insinöörit keksimään vähävirtaisempia ja pienempiä ratkaisuja, jotka vastaavat kasvavaan kysyntään pitäen samalla kehitys- ja testauskustannukset mahdollisimman pieninä.

SiP-dronelaitteet

Ratkaisu korkeampaan toiminnallisuuteen on elektroniikan korkeampi integrointitaso. Octavo Systems on tästä syystä kehittänyt yhden paketin drone-orientoidut OSD32MP15x-perheen itsenäiset tietokonejärjestelmät. Esimerkiksi OSD32MP157C-512M-BAA on tehokas laite, joka sisältää yli 100 erillisen sirukomponentin kombinaation yhdessä 18 millimetriä (mm) x 18 mm BGA-kotelossa (Ball Grid Array) (kuva 2).

Kuva 2: Octavo Systemsin OSD32MP157C-512M-BAA on täydellinen dronejärjestelmä yhdessä kotelossa ja sisältää yli 100 erillistä sirukomponenttia 18 mm x 18 mm:n kotelossa. (Kuvan lähde: Octavo Systems)

OSD32MP157C-512M-BAA sisältää kaksi Arm® Cortex®-A7 -ydintä, jotka toimivat 800 megahertsin (MHz) taajuudella (kuva 3). Tämä tarjoaa riittävästi prosessointitehoa erittäin suorituskykyisiin droneihin ja mahdollistaa anturidatan saumattoman prosessoinnin samalla kun laite lähettää tarkkoja ja jatkuvasti muuttuvia PWM-signaaleja (Pulse Width Modulation) neljälle BLDC-propellimoottorien ohjaimelle. Kukin Cortex-A7-ydin sisältää 33 kilotavua (kt) L1-välimuistia käskyille ja 32 kt L2-välimuistia datalle. Ydin jakaa 256 kilotavun L2-välimuistin. Lennon ohjauksen laiteohjelmisto voi olla rekursiivinen ja näin suuri välimuistin määrä nopeuttaa merkittävästi navigointia ja antureiden yhteistä prosessointia.

Paketissa on myös kolmas prosessori, 209 MHz:n Arm Cortex-M4 liukulukuyksiköllä (FPU). Tätä voidaan käyttää lisäprosessointiin, esimerkkinä kameran hallinta, akun seuranta sekä Wi-Fi-kommunikoinnin ohjaaminen. Laite tarjoaa kolme eMMC/SD-korttirajapintaa ulkoisien flash-korttien, kuten microSD-muistin, liittämistä varten. Tämä on käytännöllistä laiteohjelmiston lataamiseksi SiP-piirille samoin kuin kameran kuvien ja videoiden tallennukseen sekä lentotietojen, tapahtumalokien ja MEMS-anturilokien tallennukseen.

Lisämuisti prosessoriytimiä varten sisältää 256 kt RAM-muistia järjestelmää varten ja 384 kt RAM-muistia mikrokontrolleria varten. Laite tarjoaa 4 kilotavua paristovarmennettua RAM-muistia sekä 3 kilotavua kertaohjelmoitavaa OTP-muistia, jota voidaan käyttää laitteen räätälöimiseen, esimerkkinä dronen sarjanumero tai valittu laitevaihtoehto.

Kuva 3: Octavo Systemsin OSD32MP157C-512M on erittäin integroitu tietokone yhdessä laitteessa ja se sopii korkeatehoisiin dronejärjestelmiin. (Kuvan lähde: Octavo Systems)

Ulkoisen flash-ohjelmamuistin rajapinta sisältää kaksi QSPI-rajapintaa sekä 16-bittisen ulkoisen NAND-flash-rajapinnan, joka tukee 8-bittistä ECC-virheenkorjausta (Error Correction Code). Tämä mahdollistaa ulkoisen flash-muistin käytön helposti ja samalla suojaa muistin korruptoitumiselta ja peukaloinnilta.

Kahta USB 2.0 High Speed -liitäntää voidaan käyttää laitteen konfigurointiin ja virheenkorjaukseen. Myös ulkoista USB-flash-muistia voidaan käyttää haluttaessa lisää tallennustilaa.

512 megatavua (Mt) nopeaa DDR3L DRAM -muistia käytetään laitteen sisältämien Cortex-ytimien ohjelmamuistina. DRAM voidaan ladata käynnistyksessä mistä tahansa ulkoisesta flash-muistirajapinnasta. Tämä tarjoaa riittävästi ohjelmamuistia erittäin tehokasta lentodata-laiteohjelmistoa varten. Ohjelmamuistia voidaan käyttää jokaisen ulkoisen muistirajapinnan kautta, mutta laiteohjelmistoa voidaan aina suorittaa huomattavasti nopeammin DRAM-muistista.

4 kilotavua EEPROM-muistia voidaan käyttää tallentamaan anturin kalibrointidata, lento-ohjauksen vakioarvot sekä lennon lokitiedot. Muistin suojausominaisuus estää tahattoman kirjoituksen suojattuun EEPROM-muistiin.

Järjestelmää sisältää useita turvallisuusominaisuuksia. Arm TrustZone -moduulia sekä tukea AES-256- ja SHA-256-salaukselle voidaan käyttää varmistamaan laiteohjelmiston eheys päivitysten aikana samoin kuin datan salaukseen ulkoiselle flash-kortille. OSD32MP157C-512M tukee suojattua käynnistystä laiteohjelmiston suojaamiseksi sekä suojattua reaaliaikakelloa (RTC) dronen perusajan peukaloimisen estämiseksi.

Laaja valikoima sarjaportteja sisältää: 6 x SPI, 6 x I²C, 4 x UART sekä 4 x USART. Nämä rajapinnat voidaan yhdistää MEMS-antureihin ja GPS-moduuleihin. Kaksi itsenäistä 22-kanavaista, 16-bittistä analogia-digitaalimuunninta (ADC) mahdollistavat liitännän analogisiin antureihin kuten termistorit ja tuulennopeusanturit, jotka saattavat suorittaa myös virtamittausta sekä moottorin ohjausta suljetulla silmukalla. Kolme I²S-rajapintaa mahdollistavat liitännän audiolaitteisiin kuten kaiuttimet ja summerit. Kamerarajapinta mahdollistaa yksinkertaisen liitännän useimpiin RGB-kameramoduuleihin.

OSD32MP157C-512M sisältää myös kaikki erilliskomponentit joita järjestelmässä tarvitaan, mukaan lukien vastukset, kondensaattorit, induktiokelat sekä ferriittirenkaat. Tämän ansiosta dronejärjestelmän rakentamiseen tarvitaan mahdollisimman pieni määrä ulkoisia erilliskomponentteja.

PWM-moottoriohjausta varten OSD32MP157C-512M sisältää kaksi 16-bittistä korkeatasoista moottoriohjausajastinta, viisitoista 16-bittistä ajastinta sekä kaksi 32-bittistä ajastinta. Tämä tarjoaa riittävästi PWM-signaaleja BLDC-propellimoottoreiden ohjaamiseen korkealla tarkkuudella samoin kuin kaikkien aktuaattoreiden, kuten kameran suuntausmoottorit ja robottivarret, ohjaamiseen.

OSD32MP15x:n virransyöttö

OSD32MP157C-512M vaatii ainoastaan yhden 2,8 voltin – 5,5 voltin virtalähteen, minkä ansiosta sitä voidaan käyttää tavallisilla 3,7 voltin litiumioni-akuilla. Sisäinen tehonhallintasiru tarjoaa kaikkien erilaisten sisäisten komponenttien vaatimat jännitteet. Kun molemmat Cortex-A7-ytimet sekä Cortex-M4 käyttävät suurinta sallittua kellotaajuutta ja kaikki oheislaitteet on käytössä, OSD32MP157C-512M kuluttaa enintään 2 ampeeria (A) sähkövirtaa. Korkeasta integrointitasosta ja useista käyttömahdollisuuksista johtuen tyypillistä virrankulutusskenaariota ei voida antaa, vaan kehittäjän on määritettävä mikä virrankulutus on kussakin sovelluksessa.

OSD32MP157C-512M-piirin virrankulutus on alhaisempi verrattuna piirilevyllä erilliskomponenteilla toteutettuun vastaavaan toiminnallisuuteen. Tämä johtuu pitkälle siitä, että yhden sirun käyttö tiheään pakatussa SiP-järjestelmäpaketissa paketoitujen komponenttien sijasta vähentää dramaattisesti vuotovirtaa sekä vähentää myös piirilevyn johtimien vastukseen katoavaa tehoa.

OSD32MP15x-perheen ESD-luokitus (staattinen purkaus) on ±1000 volttia HBM-mallin (Human Body Model) ja ±500 volttia CDM-mallin (Charged Device Model) mukaan. Tästä syystä laitetta on käsiteltävä äärimmäisen varovasti. On erittäin suositeltavaa, ettei palloruudukon kontaktipisteisiin kosketa koskaan sormin ja että ainoastaan laitteen reunoihin kosketaan ja silloinkin vain tarvittaessa. OSD32MP15x-perheen SiP-laitteet ovat myös herkkiä kosteudelle. On suositeltavaa, että dronen elektroniikka tiivistetään, mikä on yleisestikin hyvä idea dronen elektroniikalle, koska ne saattavat altistua runsaalle kosteudelle, vesihöyrylle, pilville ja sateelle.

Octavo Systems tarjoaa suuritehoisempiin droneihin SiP-laitteen OSD3358-1G-ISM. Tämä tarjoaa samankaltaisen toiminnallisuuden kuin OSD32MP157, mutta siinä on tehokkaampi 1 gigahertsin (GHz) kaksois-Cortex-A8 gigatavulla (Gt) DRAM-muistia 21 mm x 21 mm:n BGA-kotelossa. Koska laite sisältää kaksi suuritehoista Cortex-A8-ydintä, se ei sisällä ylimääräistä Cortex-M4-prosessoria.

Octavo SiP -kehitys

Octavo tarjoaa koodin kehitykseen joustavan prototyyppialustan OSD32MP1-BRK (kuva 4). Alusta sisältää OSD32MP157C-512M SiP -piirin sekä laajennusliittimet 106 digitaalisen I/O-linjan sekä ulkoisten oheislaitteiden signaalien kytkemiseksi.

Kuva 4: Octavo OSD32MP1-BRK on joustava prototyyppialusta OSD32MP15x-perheen SiP-dronelaitteille. Se tarjoaa microSD-korttipaikan sekä mikro-USB-portin kehitystä ja virheenkorjausta varten. (Kuvan lähde: Octavo Systems)

Kehitysalusta voi microSD-korttipaikan ansiosta ladata ulkoisen flash-ohjelmamuistin OSD32MP517-512M-piirin DRAM-muistiin. Mikro-USB-porttia voidaan käyttää laiteohjelmiston kehitykseen ja virheenkorjaukseen. Se myös syöttää virtaa alustalle. Käynnistystilakytkimet määrittävät käynnistetäänkö laite microSD-kortilta tai laajennusliittimien kautta käytettävästä ulkoisesta muistirajapinnasta.

Yhteenveto

Dronevalmistajien jatkaessa järjestelmiensä kapasiteetin parantamista, kehittäjillä on yhä enemmän haasteita tarjota nämä kapasiteetit ja samalla minimoida virrankulutus sekä hinta parhaan loppukäyttäjäkokemuksen tarjoamiseksi.

Kuten artikkelissa näytetään, yhdellä piirillä sijaitseva suuritehoinen SiP-drone-tietokone tarjoaa erittäin korkean integrointitason. Tämä yksinkertaistaa suunnitteluprosessia ja keventää samalla dronea ja tekee siitä helpommin tasapainotettavan. Tämä vähentää virrankulutusta ja pidentää lentoaikaa, jotka ovat erittäin tärkeitä loppukäyttäjän vaatimuksia.