Hoe kan ik de prestaties van de drone snel verbeteren en de vliegtijd verlengen met behulp van een sip-dronecontroller?

Naarmate er meer batterij-aangedreven drones de lucht in gaan, is er concurrentiedruk op dronefabrikanten om de functionaliteit en prestaties van hun ontwerpen uit te breiden en tegelijkertijd het stroomverbruik te minimaliseren om de vliegtijd te verlengen. Om aan de marktvraag te voldoen, voegen ontwerpers preciezere en nauwkeurigere versnellingsmeters en gyroscopen toe en upgraden ze de bijbehorende firmware om te kunnen profiteren van de verbeterde sensoren. De fysieke mogelijkheden van drones breiden zich ook uit met het dragen van pakketten en apparatuur, wat een verbeterde stabiliteit en luchtremroutines vereist om met het toegenomen gewicht om te gaan.

Het probleem voor ontwerpers is dat het toegevoegde gewicht van de drone, samen met de toegevoegde rekenkundige eisen, het stroomverbruik verhoogt, wat op zijn beurt de mogelijke vliegtijd voor een bepaalde batterijgrootte vermindert. De extra functies, mogelijkheden en bijbehorende elektronica dragen ook bij aan de ontwikkelingstijd en de kosten van de test.

De oplossing wordt gevonden in een hogere mate van integratie. Dit artikel introduceert een system-in-package (SiP) oplossing van Octavo Systems die in principe een kleine dronecomputer is. Het artikel laat zien hoe de kenmerken van deze zelfstandige oplossing kunnen worden gebruikt om aanzienlijke ruimte te besparen en gewicht te verminderen om de vliegtijd te verlengen, terwijl ook de materiaallijst (BOM), de inventaris, de ontwikkelingstijd en de testkosten worden verlaagd.

Drone-technologie

Toepassingen voor drones breiden zich voortdurend uit, van kleine consumentgerichte drones met camera's voor familiefoto's of vriendschappelijke wedstrijden, tot meer uitdagende rollen zoals het afleveren van pakketten voor koeriers, het bijhouden van vee voor veeboeren, het monitoren van gewassen voor boeren, het monitoren van veranderende kustlijnen voor milieuactivisten, en search & rescue operaties voor eerstehulpverleners. Ongeacht de toepassing is de levensduur van de batterij, omdat deze betrekking heeft op de vliegtijd, een van de meest kritische factoren bij de keuze van de drone.

De levensduur van de batterij is duidelijk gerelateerd aan het gewicht van de drone, dus om deze reden gebruiken drones de lichtste materialen die mogelijk zijn en die het kader van het vliegtuig kunnen handhaven, terwijl ze onder de spanning en belasting van de aangedreven vlucht staan. Deze focus op licht gewicht strekt zich uit van de structurele integriteit tot de elektronica die de drone bestuurt.

Voor een goede vluchtdynamiek moet de drone goed in balans zijn door het gewicht van het frame en de elektronische componenten aan boord gelijkmatig te verdelen. Hoe kleiner de elektronica, hoe gemakkelijker het gewicht van de drone kan worden uitgebalanceerd. Idealiter ligt het zwaartepunt in het fysieke centrum van het vliegtuig. Elke gewichtsonbalans, hoe klein ook, moet worden gecompenseerd door het aanpassen van de propellertarieven, en deze aanpassingen in de loop van de tijd verbruiken extra vermogen en beroven de gebruiker van waardevolle vliegtijd.

Consumenten- en de meeste commerciële drones maken gebruik van Wi-Fi-technologie voor controle en gegevensoverdracht. Hoe verder een drone kan vliegen, hoe meer stroom de Wi-Fi-radio moet leveren om de drone in contact te houden met de controller, die een andere stroomvoorziening op de batterij is.

Drone-sensors en -verwerking

Terwijl dronefabrikanten proberen het gewicht en de kosten van hun systemen te verminderen, willen gebruikers graag meer functionaliteit en hogere prestaties, waardoor de drone en de firmware complexer worden. Dit verhoogt de hoeveelheid en het gewicht van de boordelektronica, terwijl het ook de balans van de drone beïnvloedt.

Zo gebruiken drones gewoonlijk verschillende micro-elektronische systemen (MEMS) en andere sensoren om een stabiele vlucht te behouden terwijl ze de koers en snelheid bewaken (Afbeelding 1). Een global positioning system (GPS) module wordt gebruikt om de locatie en richting van het vliegtuig te bepalen; gyroscopen worden gebruikt voor het meten van pitch en yaw; versnellingsmeters meten de droneversnelling en schokkrachten; barometers worden gebruikt om de luchtdruk te meten om de optimale rotatiesnelheid van de propeller te helpen bepalen voor de huidige atmosferische omstandigheden - een lagere luchtdruk vereist een hogere rotorsnelheid terwijl een hoge luchtdruk een lagere snelheid vereist; en camera- en nabijheidssensoren maken het mogelijk om hindernissen te detecteren en te vermijden. Ook kunnen meerdere redundante sensoren worden gebruikt om veiligheidsredenen.

Afbeelding 1: Een moderne vier-prop drone heeft een grote verscheidenheid aan MEMS-sensors, ten minste één camera, een externe geheugenkaart voor microcontrollerfirmware of het opslaan van foto's, en motordrivers voor de propellers. (Bron afbeelding: Octavo Systems)

De uitgangen van elk van deze sensors worden gevoed aan de microcontrollers die de drone bedienen. De microcontrollers moeten al deze sensoringangen verwerken en ze gebruiken om de meest efficiënte manier te bepalen om de stroomverslindende borstelloze DC-motors (BLDC) die de propellers aandrijven, van stroom te voorzien. Omdat de sensortechnologie elk jaar verbetert, passen drone-fabrikanten de nieuwste, meest nauwkeurige en uiterst nauwkeurige sensors toe op hun nieuwste drones. Dit vereist complexere firmware om te kunnen profiteren van de verbeterde mogelijkheden van deze sensors. Bovendien wordt de firmware voor de vluchtregeling steeds beter, vooral voor autonome drones. Al deze verbeteringen breiden niet alleen de hoeveelheid firmware uit, ze vereisen ook meer verwerkingskracht en aanzienlijk meer geheugen om de gegevens nauwkeurig te verwerken.

De uitbreiding van de elektronica en functionaliteit daagt de ingenieurs uit om te komen tot een oplossing met een lager vermogen en een kleiner formaat die aan de toegenomen vraag kan voldoen, terwijl de ontwikkelings- en testkosten tot een minimum worden beperkt.

SiP drone apparaten

De oplossing voor de toegenomen functionaliteit is een hoger niveau van elektronica-integratie. Hiertoe heeft Octavo Systems de OSD32MP15x-familie van drone-georiënteerde, op zichzelf staande computersystemen in één pakket ontwikkeld. Zo is de OSD32MP157C-512M-BAA een krachtig apparaat dat een combinatie bevat van meer dan 100 afzonderlijke en individuele matrijscomponenten in een enkele verpakking van 18 millimeter (mm) x 18 mm kogelraster (BGA) (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De Octavo Systems OSD32MP157C-512M-BAA is een compleet drone-systeem in één pakket, met een combinatie van meer dan 100 discrete en matrijscomponenten in een 18 mm x 18 mm pakket. (Bron afbeelding: Octavo Systems)

De OSD32MP157C-512M-BAA heeft twee Arm® Cortex®-A7-kernen die draaien op 800 megahertz (MHz) (Afbeelding 3). Dit is voldoende verwerkingsvermogen voor zeer krachtige drones en maakt een naadloze verwerking van de sensordata mogelijk, terwijl tegelijkertijd nauwkeurige en voortdurend veranderende pulsbreedtemodulatie (PWM) signalen worden verzonden naar de vier drivers die de BLDC-propellermotors van stroom voorzien. Elke Cortex-A7-kern heeft 33 kilobytes (Kbytes) aan L1-instructiecache en 32 Kbytes aan L2-datacache. De kernen delen 256 Kbytes van L2 cache. Vluchtbesturingsfirmware kan recursief zijn, en deze hoeveelheid cache zorgt voor een aanzienlijke versnelling van de navigatie en de sensorfusieverwerking.

Een extra derde processor, een 209 MHz Arm Cortex-M4 met een floating point unit (FPU), is ook in-package en kan worden gebruikt voor extra verwerking, zoals het beheer van de camera, batterijbewaking en het regelen van de Wi-Fi-communicatie. Er zijn drie eMMC/SD-kaartinterfaces beschikbaar voor aansluiting op externe flashkaarten, zoals microSD-geheugen. Dit is handig voor het laden van firmware in de SiP en het opslaan van camerafoto's en -video's, opname van vluchtgegevens, gebeurtenislogs en MEMS-sensorlogs.

Extra geheugen voor de processorkernen omvat 256 Kbytes systeem-RAM en 384 Kbytes microcontroller-RAM. Er zijn ook 4 Kbytes batterij-geheugen en 3 Kbytes eenmalig programmeerbaar (OTP) geheugen beschikbaar voor apparaataanpassingen, zoals een drone-serienummer of optiepakketten.

Afbeelding 3: De Octavo Systems OSD32MP157C-512M is een sterk geïntegreerde computer in één apparaat, geschikt voor krachtige dronesystemen. (Bron afbeelding: Octavo Systems)

De externe flash-programmageheugeninterfaces omvatten twee QSPI-interfaces en een 16-bits externe NAND-flashinterface met ondersteuning voor 8-bits foutcorrectiecode (ECC). Dit maakt het mogelijk om gemakkelijk toegang te krijgen tot het externe flash-geheugen en tegelijkertijd te voorkomen dat het geheugen wordt beschadigd of geknoeid.

Twee USB 2.0 High Speed interfaces kunnen worden gebruikt voor apparaatconfiguratie en debugging, en ook voor extern USB-flashgeheugen als extra gegevensopslag nodig is.

512 megabyte (Mbytes) high-speed DDR3L DRAM wordt gebruikt als programmageheugen voor de Cortex-kernen aan boord. Het DRAM kan bij het opstarten van elk van de externe flashgeheugeninterfaces worden geladen. Dit biedt voldoende programmageheugen voor hoogwaardige vluchtgegevensfirmware. Het programmageheugen kan opraken uit een van de externe geheugeninterfaces, maar de firmware zal altijd aanzienlijk sneller uitgevoerd worden als het DRAM op is.

4 Kbytes EEPROM kunnen worden gebruikt voor het opslaan van sensorkalibratiegegevens, vluchtbesturingsconstanten en vluchtloggegevens. Een geheugenbeveiligingsfunctie voorkomt onbedoeld schrijven naar beveiligde EEPROM.

Verschillende veiligheidskenmerken verzekeren de veiligheid van het systeem. Een Arm TrustZone-module samen met ondersteuning voor AES-256- en SHA-256-encryptie kan worden gebruikt om de firmware-integriteit te verzekeren tijdens updates, evenals het coderen van gegevens in de externe flashkaart. De OSD32MP157C-512M ondersteunt een veilige start voor firmwarebeveiliging en een veilige real-time klok (RTC) om te voorkomen dat er met de tijdbasis van de drone wordt geknoeid.

Een grote verscheidenheid aan seriële poorten omvat zes SPI-, zes I²C-, vier UART- en vier USART-interfaces die kunnen worden aangesloten op MEMS-sensors en GPS-modules. Twee onafhankelijke 22-kanaals, 16-bits analoog-digitaal omzetters (ADC's) maken het mogelijk om te interfacen met analoge sensors zoals thermistors en windsnelheidssensors, die ook stroomdetectie en closed-loop motorbesturing kunnen uitvoeren. Drie I²S-interfaces maken interfacing met audioapparatuur zoals luidsprekers of zoemers mogelijk. Een camera-interface maakt een eenvoudige aansluiting op de meeste RGB-cameramodules mogelijk.

De OSD32MP157C-512M integreert ook alle discrete componenten die nodig zijn voor het systeem, inclusief weerstanden, condensators, inductors en ferrietkorrels. Dit maakt het mogelijk om een minimum aan externe discrete componenten te gebruiken bij het bouwen van een drone-systeem.

Voor PWM-motorbesturing bevat de OSD32MP157C-512M twee 16-bits geavanceerde motorbesturingstimers, vijftien 16-bits timers en twee 32-bits timers. Dit levert voldoende PWM-signalen om BLDC-schroefmotoren met een hoge mate van nauwkeurigheid aan te sturen, evenals eventuele actuatoren zoals camerapositioneringsmotoren of robotarmen.

Het aandrijven van de OSD32MP15x

De OSD32MP157C-512M heeft slechts één enkele 2,8 tot 5,5 volt voeding nodig, waardoor hij geschikt is voor standaard 3,7 volt lithium-ionbatterijen. Een interne energiemanagement-chip zorgt voor de nodige spanningen voor alle afzonderlijke interne componenten. Met beide Cortex-A7 kernen en de Cortex-M4 die op maximale kloksnelheid draaien en alle randapparatuur die in werking is, zal de OSD32MP157C-512M een maximum van 2 ampère (A) trekken. Vanwege het hoge integratieniveau en de vele operationele opties kan een typisch scenario voor de huidige tekening niet worden ingeschat, waardoor het aan de ontwikkelaar wordt overgelaten om te bepalen wat de huidige tekening voor een bepaalde toepassing zal zijn.

De OSD32MP157C-512M heeft een lagere stroomopname in vergelijking met dezelfde functionaliteit die is geïmplementeerd met behulp van discrete componenten op een printplaat. Dit is grotendeels te wijten aan het feit dat het gebruik van één enkele matrijs in een dicht opeengepakt SiP in plaats van verpakte componenten de lekstroom drastisch vermindert, en ook het vermogen dat verloren gaat aan de sporenweerstand van de pc-kaart vermindert.

De elektrostatische ontlading (ESD) van de OSD32MP15x familie is ±1000 volt model van het menselijk lichaam (HBM) en ±500 volt model van het geladen apparaat (CDM). Daarom moet het apparaat met uiterste zorgvuldigheid worden behandeld. Het wordt sterk aanbevolen dat de vingers nooit de contactpunten van het balrooster raken en dat het apparaat alleen bij de randen wordt vastgehouden, en alleen wanneer dat nodig is. De OSD32MP15x-familie van SiP-apparaten is ook gevoelig voor vocht. Het is aan te raden om de drone-elektronica af te dichten, wat ook een goed idee is voor drone-elektronica in het algemeen, omdat deze in contact kan komen met hoge vochtigheid, waterdamp, wolken of regen.

Voor drones met hogere prestaties biedt Octavo Systems het OSD3358-1G-ISM SiP-apparaat aan. Deze biedt dezelfde functionaliteit als de OSD32MP157 maar heeft een krachtigere dual 1 gigahertz (GHz) Cortex-A8 met een gigabyte (Gbyte) van DRAM in een 21 mm x 21 mm BGA-pakket. Vanwege de hoge prestaties van de twee Cortex-A8-kernen is de extra Cortex-M4-processor niet inbegrepen.

Octavo SiP ontwikkeling

Voor de code-ontwikkeling levert Octavo de OSD32MP1-BRK flexibele prototyping platformkaart (Afbeelding 4). De printplaat bevat een OSD32MP157C-512M SiP en uitbreidingsheaders voor aansluiting op 106 van de digitale I/O- en externe randsignalen.

Afbeelding 4: De Octavo OSD32MP1-BRK is een flexibel prototyping platform voor de OSD32MP15x familie van SiP drone apparaten. Het heeft een slot voor een microSD-kaart en een micro-USB-poort voor ontwikkeling en debugging. (Bron afbeelding: Octavo Systems)

Met een microSD-kaartslot kan de ontwikkelaar het externe flash-programmageheugen in het DRAM in de OSD32MP517-512M laden. Een micro-USB-poort wordt gebruikt voor de ontwikkeling en het debuggen van de firmware en zorgt ook voor de voeding van het bord. Opstartschakelaars bepalen of het apparaat zal opstarten vanaf de microSD-kaart of een van de externe geheugeninterfaces die beschikbaar zijn op de uitbreidingsheaders.

Conclusie

Aangezien de fabrikanten van drones de mogelijkheden van hun systemen blijven verbeteren, worden de ontwikkelaars steeds meer uitgedaagd om deze mogelijkheden te bieden en tegelijkertijd het stroomverbruik en de kosten tot een minimum te beperken om zo de beste ervaring voor de eindgebruiker te bieden.

Zoals afgebeeld, bieden single device, high-performance SiP drone computers een zeer hoog niveau van integratie. Dit vereenvoudigt het ontwerpproces en maakt de drone lichter en gemakkelijker te balanceren, waardoor de stroomtoevoer wordt verlaagd en de vliegtijd wordt verlengd, een zeer gewaardeerde eis van de eindgebruiker.