Wie Sie mit einem SiP-Drohnencontroller die Performance von Drohnen schnell verbessern und die Flugzeit verlängern

Da immer mehr batteriebetriebene Drohnen in die Lüfte steigen, gibt es einen Wettbewerbsdruck auf die Drohnenhersteller, die Funktionalität und Leistung ihrer Designs zu erweitern und gleichzeitig den Energieverbrauch zu minimieren, um die Flugzeit zu verlängern. Um der Marktnachfrage gerecht zu werden, fügen die Konstrukteure präzisere und genauere Beschleunigungsmesser und Gyroskope hinzu und aktualisieren die zugehörige Firmware, um die Vorteile der verbesserten Sensoren zu nutzen. Die physischen Fähigkeiten der Drohnen erweitern sich auch auf den Transport von Paketen und Ausrüstung, was eine verbesserte Stabilität und Luftbremsroutinen erfordert, um mit dem erhöhten Gewicht fertig zu werden.

Das Problem für die Konstrukteure besteht darin, dass das zusätzliche Gewicht der Drohne zusammen mit den zusätzlichen Rechenanforderungen den Stromverbrauch erhöht, was wiederum die für eine bestimmte Batteriegröße mögliche Flugzeit verringert. Die zusätzlichen Funktionen, Fähigkeiten und die damit verbundene Elektronik erhöhen auch die Entwicklungszeit und die Testkosten.

Die Lösung liegt in einer höheren Integration. In diesem Artikel wird eine SiP-Lösung (SiP: System-in-Package) von Octavo Systems vorgestellt, bei der es sich im Grunde genommen um einen winzigen Drohnen-Computer handelt. Der Artikel wird zeigen, wie die Funktionen dieser in sich geschlossenen Lösung genutzt werden können, um erheblichen Platz zu sparen und das Gewicht zu reduzieren, um die Flugzeit zu verlängern und gleichzeitig die Stückliste (BOM), den Bestand, die Entwicklungszeit und die Testkosten zu senken.

Drohnen-Technologie

Die Einsatzmöglichkeiten für Drohnen werden ständig erweitert, von kleinen verbraucherorientierten Drohnen mit Kameras für Familienfotos oder sportliche Wettbewerbe bis hin zu anspruchsvolleren Aufgaben wie Paketzustellung für Kuriere, Verfolgung von Vieh für Viehzüchter, Überwachung von Feldfrüchten für Landwirte, Überwachung wechselnder Küstenlinien für Umweltschützer und Such- und Rettungseinsätze für Ersthelfer. Unabhängig von der Anwendung ist die Batterielebensdauer - bezogen auf die Flugzeit - einer der kritischsten Faktoren bei der Auswahl von Drohnen.

Die Batterielebensdauer hängt offensichtlich mit dem Gewicht der Drohne zusammen. Aus diesem Grund verwenden die Drohnen möglichst leichte Materialien, die das Gerüst des Flugzeugs auch unter den Belastungen des Motorfluges halten können. Dieser Fokus auf geringes Gewicht erstreckt sich von der strukturellen Integrität bis hin zur Elektronik, die die Drohne steuert.

Für eine einwandfreie Flugdynamik muss die Drohne durch eine gleichmäßige Verteilung des Gewichts des Rahmens und der bordeigenen elektronischen Komponenten richtig ausbalanciert werden. Je kleiner die Elektronik, desto leichter lässt sich das Gewicht der Drohne ausgleichen. Im Idealfall liegt der Schwerpunkt in der physischen Mitte des Flugzeugs. Jedes noch so kleine Gewichtsungleichgewicht muss durch Anpassung der Propellerraten ausgeglichen werden, und diese Anpassungen verbrauchen im Laufe der Zeit zusätzliche Energie und rauben dem Benutzer wertvolle Flugzeit.

Private und die meisten kommerziellen Drohnen verwenden Wi-Fi-Technologie zur Steuerung und Datenübertragung. Je weiter eine Drohne fliegen kann, desto mehr Energie benötigt ihr Wi-Fi-Funkgerät, um mit ihrem Controller in Kontakt zu bleiben, was einen weiteren Stromverbrauch für die Batterie bedeutet.

Drohnensensoren und die Verarbeitung ihrer Daten

Während die Drohnenhersteller versuchen, das Gewicht und die Kosten ihrer Systeme zu reduzieren, wünschen sich die Nutzer mehr Funktionalität und höhere Performance, wodurch die Drohne und ihre Firmware komplexer werden. Dies erhöht die Menge und das Gewicht der Bordelektronik und beeinträchtigt gleichzeitig die Balance der Drohne.

Beispielsweise verwenden Drohnen typischerweise eine Vielzahl von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und anderen Sensoren, um einen stabilen Flug aufrechtzuerhalten und gleichzeitig Kurs und Geschwindigkeit zu überwachen (Abbildung 1). Ein GPS-Modul (Global Positioning System) wird verwendet, um den Standort und die Richtung des Flugzeugs zu bestimmen; Gyroskope werden zur Messung von Steigung und Gieren verwendet; Beschleunigungsmesser messen die Beschleunigung und die Stoßkräfte von Drohnen; Barometer werden zur Messung des Luftdrucks verwendet, um die optimale Propellerdrehzahl für die aktuellen atmosphärischen Bedingungen zu bestimmen - ein niedriger Luftdruck erfordert eine höhere Rotorgeschwindigkeit, während ein hoher Luftdruck eine niedrigere Geschwindigkeit erfordert; und Kamera- und Näherungssensoren ermöglichen die Erkennung und Vermeidung von Hindernissen. Aus Sicherheitsgründen können auch mehrere redundante Sensoren verwendet werden.

Abbildung 1: Eine moderne Drohne mit vier Propellern verfügt über eine Vielzahl von MEMS-Sensoren, mindestens eine Kamera, eine externe Speicherkarte für Mikrocontroller-Firmware oder zum Speichern von Fotos und Motortreiber für die Propeller. (Bildquelle: Octavo Systems)

Die Ausgänge jedes dieser Sensoren werden den Mikrocontrollern zugeführt, die die Drohne steuern. Die Mikrocontroller müssen alle diese Sensoreingaben verarbeiten und sie verwenden, um die effizienteste Art und Weise zu bestimmen, wie die leistungshungrigen bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC), die die Propeller antreiben, angetrieben werden können. Da sich die Sensortechnologie jedoch von Jahr zu Jahr verbessert, bauen die Drohnenhersteller die neuesten, genauesten und präzisesten Sensoren in ihre neuesten Drohnen ein. Dies erfordert eine komplexere Firmware, um die erweiterten Fähigkeiten dieser Sensoren nutzen zu können. Darüber hinaus wird die Firmware für die Flugsteuerung ständig verbessert, insbesondere für autonome Drohnen. All diese Verbesserungen erweitern nicht nur den Umfang der Firmware, sondern erfordern auch eine erhöhte Verarbeitungsleistung und deutlich mehr Speicher, um die Daten präzise verarbeiten zu können.

Die expandierende Elektronik und Funktionalität fordert die Ingenieure heraus, eine Lösung mit geringerem Stromverbrauch und kleinerer Größe zu finden, die der gestiegenen Nachfrage gerecht wird und gleichzeitig die Entwicklungs- und Testkosten auf ein Minimum reduziert.

SiP-Drohnenbausteine

Die Lösung für die erhöhte Funktionalität ist ein höherer Grad an Elektronikintegration. Zu diesem Zweck entwickelte Octavo Systems die Familie OSD32MP15x dronen-orientierter, in sich geschlossener Computersysteme in einem einzigen Paket. Beispielsweise ist der OSD32MP157C-512M-BAA ein leistungsstarker Baustein, der eine Kombination von über 100 diskreten und individuellen Chip-Komponenten in einem einzigen 18 Millimeter (mm) x 18 mm großen BGA-Gehäuse (BGA: Ball Grid Array) enthält (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der OSD32MP157C-512M-BAA von Octavo Systems ist ein komplettes Drohnensystem in einem einzigen Paket, mit einer Kombination von über 100 diskreten und Chip-Komponenten in einem 18 mm x 18 mm großen Gehäuse. (Bildquelle: Octavo Systems)

Der OSD32MP157C-512M-BAA verfügt über zwei Arm®-Cortex®-A7-Kerne, die mit 800 Megahertz (MHz) betrieben werden (Abbildung 3). Dies ist genug Rechenleistung für sehr leistungsstarke Drohnen und ermöglicht die nahtlose Verarbeitung von Sensordaten bei gleichzeitiger Übermittlung präziser und sich ständig ändernder Pulsweitenmodulationssignale (PWM) an die vier Treiber, die die BLDC-Propellermotoren antreiben. Jeder Cortex-A7-Kern verfügt über 33 Kilobyte (KByte) L1-Befehls-Cache und 32 KByte L2-Daten-Cache. Die Kerne teilen sich 256 KByte L2-Cache. Firmware für die Flugsteuerung kann rekursiv sein, und diese Menge an Cache beschleunigt die Navigation und die Verarbeitung der Sensorfusion erheblich.

Ein zusätzlicher dritter Prozessor, ein 209 MHz Arm-Cortex-M4 mit einer Gleitkommaeinheit (FPU), ist ebenfalls im Paket enthalten und kann für Hilfsverarbeitungen wie die Verwaltung der Kamera, die Batterieüberwachung und die Steuerung der Wi-Fi-Kommunikation verwendet werden. Drei eMMC/SD-Kartenschnittstellen stehen für den Anschluss an externe Flash-Karten wie microSD-Speicher zur Verfügung. Dies ist nützlich zum Laden von Firmware in das SiP sowie zum Speichern von Kamerafotos und -videos, Flugdatenaufzeichnung, Ereignisprotokollen und MEMS-Sensorprotokollen.

Zusätzlicher Speicher für die Prozessorkerne umfasst 256 KByte System-RAM und 384 KByte Mikrocontroller-RAM. Darüber hinaus stehen 4 KByte batteriegepufferter RAM-Speicher und 3 KByte einmalig programmierbarer (OTP) Speicher für die kundenspezifische Anpassung von Geräten wie z.B. eine Drohnen-Seriennummer oder Optionspakete zur Verfügung.

Abbildung 3: Der OSD32MP157C-512M von Octavo Systems ist ein hochintegrierter Computer in einer einzigen Komponente, geeignet für Hochleistungsdrohnensysteme. (Bildquelle: Octavo Systems)

Zu den externen Flash-Programmspeicher-Schnittstellen gehören zwei QSPI-Schnittstellen und eine externe 16-Bit-NAND-Flash-Schnittstelle mit Unterstützung für 8-Bit-Fehlerkorrekturcode (ECC). Dies ermöglicht einen einfachen Zugriff auf externe Flash-Speicher und schützt gleichzeitig vor Speicherverfälschungen oder -manipulationen.

Zwei USB2.0-High-Speed-Schnittstellen können zur Gerätekonfiguration und zum Debuggen sowie für externe USB-Flash-Speicher verwendet werden, falls zusätzliche Datenspeicherung erforderlich ist.

512 Megabyte (MByte) Highspeed-DDR3L-DRAM werden als Programmspeicher für die On-Board-Cortex-Kerne verwendet. Der DRAM kann beim Booten von jeder der externen Flash-Speicherschnittstellen geladen werden. Damit steht genügend Programmspeicher für eine leistungsfähige Flugdaten-Firmware zur Verfügung. Der Programmspeicher kann über jede der externen Speicherschnittstellen ausgeführt werden, aber die Firmware wird immer wesentlich schneller ausgeführt, wenn der DRAM leer ist.

4 KByte EEPROM können zur Speicherung von Sensorkalibrierungsdaten, Flugkontrollkonstanten und Flugprotokolldaten verwendet werden. Eine Speicherschutzfunktion verhindert versehentliche Schreibzugriffe auf geschützte EEPROMs.

Mehrere Sicherheitsmerkmale gewährleisten die Sicherheit des Systems. Ein Arm-TrustZone-Modul mit Unterstützung für AES-256- und SHA-256-Verschlüsselung kann verwendet werden, um die Firmware-Integrität während Updates sicherzustellen und Daten auf der externen Flash-Karte zu verschlüsseln. Der OSD32MP157C-512M unterstützt einen sicheren Bootvorgang für die Sicherheit der Firmware und eine sichere Echtzeituhr (RTC), um Manipulationen an der Zeitbasis der Drohne zu verhindern.

Zu den zahlreichen seriellen Schnittstellen gehören sechs SPI-, sechs I²C-, vier UART- und vier USART-Schnittstellen, die mit MEMS-Sensoren und GPS-Modulen verbunden werden können. Zwei unabhängige 22-Kanal-, 16-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADCs) ermöglichen die Anbindung an analoge Sensoren wie Thermistoren und Windgeschwindigkeitssensoren, die auch Stromerfassung und Motorregelung durchführen können. Drei I²S-Schnittstellen ermöglichen den Anschluss von Audiogeräten wie Lautsprechern oder Summern. Eine Kameraschnittstelle ermöglicht einen einfachen Anschluss an die meisten RGB-Kameramodule.

Der OSD32MP157C-512M integriert auch alle für das System erforderlichen diskreten Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und Ferritperlen. Dies ermöglicht die Verwendung eines Minimums an externen diskreten Komponenten für den Aufbau eines Drohnensystems.

Für die PWM-Motorsteuerung enthält der OSD32MP157C-512M zwei erweiterte 16-Bit-Motorsteuerungs-Timer, fünfzehn 16-Bit-Timer und zwei 32-Bit-Timer. Damit stehen genügend PWM-Signale zur Verfügung, um BLDC-Propellermotoren mit hoher Genauigkeit sowie beliebige Aktoren wie Kamerapositionierungsmotoren oder Roboterarme zu steuern.

Stromversorgung des OSD32MP15x

Der OSD32MP157C-512M benötigt nur eine einzige 2,8-Volt- bis 5,5-Volt-Versorgung, so dass er für Standard-Lithium-Ionen-Batterien mit 3,7 Volt geeignet ist. Ein interner Energiemanagement-Chip liefert die notwendigen Spannungen für alle separaten internen Komponenten. Wenn sowohl Cortex-A7-Kerne als auch der Cortex-M4 mit maximaler Taktfrequenz laufen und alle Peripheriegeräte in Betrieb sind, wird der OSD32MP157C-512M maximal 2 Ampere (A) verbrauchen. Aufgrund des hohen Integrationsniveaus und der vielen Betriebsoptionen kann ein typisches Stromaufnahmeszenario nicht abgeschätzt werden, so dass es dem Entwickler überlassen bleibt, zu bestimmen, wie die Stromaufnahme für eine bestimmte Anwendung aussehen wird.

Der OSD32MP157C-512M hat eine geringere Stromaufnahme im Vergleich zu der gleichen Funktionalität, die mit diskreten Komponenten auf einer Leiterplatte implementiert wurde. Dies ist größtenteils auf die Tatsache zurückzuführen, dass durch die Verwendung eines einzigen Chips in einem dicht gepackten SiP anstelle von separaten Komponenten der Leckstrom drastisch reduziert wird und auch der Leistungsverlust durch den Leiterbahnwiderstand der Leiterplatte verringert wird.

Die ESD-Einstufung (elektrostatische Entladung) der OSD32MP15x-Familie beträgt ±1000 Volt beim Menschmodell (HBM) und ±500 Volt beim Geräteentladungsmodell (CDM). Aus diesem Grund muss die Komponente mit äußerster Vorsicht behandelt werden. Es wird dringend empfohlen, die Kontaktpunkte des Ballgitters niemals mit den Fingern zu berühren und die Komponente nur an den Kanten und nur bei Bedarf zu handhaben. Die SiP-Bausteine der OSD32MP15x-Familie sind auch empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Es wird empfohlen, die Drohnenelektronik zu versiegeln, was auch für die Drohnenelektronik im Allgemeinen eine gute Idee ist, da sie mit hoher Luftfeuchtigkeit, Wasserdampf, Wolken oder Regen in Berührung kommen kann.

Für leistungsstärkere Drohnen bietet Octavo Systems den SiP-Baustein OSD3358-1G-ISM an. Dieser bietet eine ähnliche Funktionalität wie der OSD32MP157, verfügt jedoch über einen leistungsstärkeren 1 Gigahertz (GHz) schnellen Dual-Cortex-A8 mit einem Gigabyte (GByte) DRAM in einem 21 mm x 21 mm großen BGA-Gehäuse. Aufgrund der hohen Leistung der beiden Cortex-A8-Kerne ist der zusätzliche Cortex-M4-Prozessor nicht enthalten.

Octavo-SiP-Entwicklung

Für die Code-Entwicklung bietet Octavo die flexible Prototyping-Plattform OSD32MP1-BRK an (Abbildung 4). Das Board enthält einen OSD32MP157C-512M (SiP) und Erweiterungssteckleisten für den Zugriff auf 106 der digitalen I/Os und externen Peripheriesignale.

Abbildung 4: Die OSD32MP1-BRK von Octavo ist eine flexible Prototyping-Plattform für die OSD32MP15x-Familie von SiP-Drohnenbausteinen. Sie verfügt über einen Steckplatz für eine microSD-Karte und einen micro-USB-Anschluss für Entwicklung und Debugging. (Bildquelle: Octavo Systems)

Ein microSD-Kartensteckplatz ermöglicht es der Entwicklungsplatine, externen Flash-Programmspeicher in das DRAM im OSD32MP517-512M zu laden. Ein Mikro-USB-Anschluss wird für die Entwicklung und das Firmware-Debugging verwendet und versorgt das Board auch mit Strom. Bootmodusschalter bestimmen, ob die Komponente von der microSD-Karte oder einer der externen Speicherschnittstellen, die an den Erweiterungssteckleisten verfügbar sind, bootet.

Fazit

Da die Drohnenhersteller die Fähigkeiten ihrer Systeme immer weiter verbessern, stehen die Entwickler zunehmend vor der Herausforderung, diese Fähigkeiten bei gleichzeitiger Minimierung des Stromverbrauchs und der Kosten bereitzustellen, um dem Endbenutzer ein optimales Erlebnis zu bieten.

Wie gezeigt, bieten leistungsstarke SiP-Drohnencomputer einen sehr hohen Integrationsgrad. Dies vereinfacht den Designprozess und macht die Drohne gewichtsmäßig leichter und leichter auszubalancieren, wodurch die Stromaufnahme verringert und die Flugzeit verlängert wird, eine hoch geschätzte Anforderung des Endbenutzers.