Comment améliorer rapidement les performances d'un drone et étendre le temps de vol avec un contrôleur de drone SiP

Alors que de plus en plus de drones fonctionnant sur batterie sont utilisés, les fabricants de drones sont soumis à une pression concurrentielle pour étendre les fonctionnalités et les performances de leurs conceptions, tout en réduisant la consommation d'énergie pour étendre la durée de vol. Pour répondre à la demande du marché, les concepteurs ajoutent des accéléromètres et des gyroscopes plus précis et mettent à niveau le micrologiciel associé pour tirer parti des capteurs améliorés. Les capacités physiques des drones sont également étendues pour inclure le transport de colis et d'équipements, ce qui nécessite une meilleure stabilité et des routines de freinage dans l'air améliorées pour faire face à l'augmentation du poids.

Le problème pour les concepteurs est que le poids supplémentaire du drone, ainsi que les exigences de calcul supplémentaires, augmentent la consommation d'énergie, ce qui réduit le temps de vol possible pour une taille de batterie donnée. Les fonctionnalités et les capacités supplémentaires, ainsi que l'électronique associée, augmentent également le temps de développement et le coût des tests.

La solution réside dans une plus grande intégration. Cet article présente une solution de système en boîtier (SiP) d'Octavo Systems qui est en fait un minuscule ordinateur de drone. L'article montre comment les fonctionnalités de cette solution autonome peuvent être utilisées pour économiser un espace considérable et réduire le poids afin d'étendre le temps de vol, tout en diminuant la nomenclature (BOM), l'inventaire, le temps de développement et le coût des tests.

Technologie de drones

Les applications des drones ne cessent de se développer, depuis les petits drones destinés au grand public et dotés de caméras pour les photos de famille ou les compétitions amicales, jusqu'à des rôles plus exigeants comme la livraison de colis pour les coursiers, le suivi du bétail pour les éleveurs, la surveillance des cultures pour les agriculteurs, la surveillance de l'évolution du littoral pour les environnementalistes et les opérations de recherche et de sauvetage pour les services de secours de première ligne. Quelle que soit l'application, la durée de vie de la batterie — par rapport au temps de vol — est l'un des facteurs les plus critiques dans le choix d'un drone.

L'autonomie de la batterie est évidemment liée au poids du drone, c'est pourquoi les drones utilisent les matériaux les plus légers possibles pouvant maintenir la structure de l'aéronef en contraintes de vol motorisé. L'accent mis sur le faible poids s'étend de l'intégrité structurelle à l'électronique qui contrôle le drone.

Pour une bonne dynamique de vol, le drone doit être correctement équilibré en répartissant uniformément le poids du châssis et des composants électroniques embarqués. Plus l'électronique est compacte, plus il est facile d'équilibrer le poids du drone. Idéalement, le centre de gravité se trouve au centre physique de l'aéronef. Tout déséquilibre de poids, aussi minime soit-il, doit être compensé par un ajustement des vitesses d'hélice, et ces ajustements consomment de l'énergie supplémentaire au fil du temps et privent l'utilisateur d'un temps de vol précieux.

Les drones grand public et la plupart des drones commerciaux utilisent la technologie Wi-Fi pour le contrôle et le transfert de données. Plus un drone peut voler loin, plus la radio Wi-Fi doit fournir de puissance pour maintenir le drone en contact avec son contrôleur, ce qui consomme encore plus d'énergie batterie.

Capteurs de drones et traitement

Alors que les fabricants de drones cherchent à réduire le poids et le coût de leurs systèmes, les utilisateurs sont avides de plus de fonctionnalités et de performances, ce qui rend le drone et son micrologiciel plus complexes. Cela augmente la quantité et le poids de l'électronique embarquée, tout en affectant l'équilibre du drone.

Par exemple, les drones utilisent généralement une variété de microsystèmes électromécaniques (MEMS) et d'autres capteurs pour maintenir un vol stable tout en surveillant leur trajectoire et leur vitesse (Figure 1). Un module de système de positionnement mondial (GPS) est utilisé pour déterminer la position et la direction de l'aéronef ; des gyroscopes sont utilisés pour mesurer le tangage et le lacet ; des accéléromètres mesurent les forces d'accélération et de choc du drone ; des baromètres sont utilisés pour mesurer la pression atmosphérique afin d'aider à déterminer la vitesse de rotation optimale de l'hélice pour les conditions atmosphériques réelles — une pression atmosphérique plus basse nécessite une vitesse de rotor plus rapide tandis qu'une pression atmosphérique élevée nécessite une vitesse plus lente ; et des caméras et des capteurs de proximité permettent de détecter et d'éviter les obstacles. De plus, plusieurs capteurs redondants peuvent être utilisés pour des raisons de sécurité.

Figure 1 : Un drone moderne à quatre hélices est équipé d'une grande variété de capteurs MEMS, d'au moins une caméra, d'une carte mémoire externe pour le micrologiciel du microcontrôleur ou le stockage de photos, et de variateurs moteurs pour les hélices. (Source de l'image : Octavo Systems)

Les sorties de chacun de ces capteurs sont transmises aux microcontrôleurs qui font fonctionner le drone. Les microcontrôleurs doivent traiter toutes ces entrées de capteurs et les utiliser pour déterminer la manière la plus efficace d'alimenter les moteurs CC sans balais (BLDC) énergivores qui entraînent les hélices. Cependant, comme les technologies de capteurs s'améliorent chaque année, les fabricants de drones équipent leurs nouveaux drones des capteurs les plus récents, les plus précis et les plus performants. Un micrologiciel plus complexe est requis pour tirer profit des capacités accrues de ces capteurs. De plus, les micrologiciels de contrôle de vol sont eux aussi en constante amélioration, notamment pour les drones autonomes. Toutes ces améliorations augmentent non seulement la quantité de micrologiciels, mais elles requièrent également une puissance de traitement accrue et une mémoire nettement plus importante pour traiter les données avec précision.

L'extension de l'électronique et des fonctionnalités met les ingénieurs au défi de trouver une solution compacte à plus basse consommation pouvant répondre à la demande accrue, tout en maintenant les coûts de développement et de test à un niveau minimum.

Dispositifs de drones SiP

La solution pour ces fonctionnalités accrues est un niveau plus élevé d'intégration électronique. À cette fin, Octavo Systems a développé la gamme OSD32MP15x de systèmes informatiques autonomes orientés drones dans un seul boîtier. Par exemple, l'OSD32MP157C-512M-BAA est un puissant dispositif qui contient une combinaison de plus de 100 composants discrets et individuels dans un seul boîtier BGA (Ball Grid Array) de 18 millimètres (mm) x 18 mm (Figure 2).

Figure 2 : L'OSD32MP157C-512M-BAA d'Octavo Systems est un système de drone complet dans un seul boîtier, avec une combinaison de plus de 100 composants discrets et de puce dans un boîtier de 18 mm x 18 mm. (Source de l'image : Octavo Systems)

L'OSD32MP157C-512M-BAA est doté de deux cœurs Arm® Cortex®-A7 fonctionnant à 800 mégahertz (MHz) (Figure 3). Cette puissance de traitement est suffisante pour les drones très performants et permet un traitement transparent des données des capteurs tout en envoyant simultanément des signaux PWM (modulation de largeur d'impulsion) évolutifs précis aux quatre variateurs qui alimentent les moteurs d'hélice BLDC. Chaque cœur Cortex-A7 dispose de 33 kilo-octets (Ko) de cache d'instructions L1 et de 32 Ko de cache de données L2. Les cœurs se partagent 256 Ko de cache L2. Les micrologiciels de contrôle de vol peuvent être récursifs, et cette quantité de cache accélère considérablement la navigation et le traitement de la fusion des capteurs.

Un troisième processeur supplémentaire, un processeur Arm Cortex-M4 209 MHz avec unité en virgule flottante (FPU), est également intégré et peut être utilisé pour le traitement auxiliaire tel que la gestion de la caméra, la surveillance de la batterie et le contrôle des communications Wi-Fi. Trois interfaces de carte eMMC/SD sont disponibles pour la connexion à des cartes Flash externes telles qu'une mémoire microSD. Cela est utile pour charger le micrologiciel dans le SiP ainsi que pour stocker les photos et les vidéos des caméras, l'enregistrement des données de vol, les journaux d'événements et les journaux des capteurs MEMS.

La mémoire supplémentaire pour les cœurs de processeur inclut 256 Ko de RAM système et 384 Ko de RAM microcontrôleur. En outre, 4 Ko de RAM avec batterie de secours et 3 Ko de mémoire programmable une seule fois (OTP) sont disponibles pour la personnalisation des dispositifs, comme le numéro de série d'un drone ou des packs d'options.

Figure 3 : L'OSD32MP157C-512M d'Octavo Systems est un ordinateur hautement intégré dans un seul dispositif, adapté aux systèmes de drones hautes performances. (Source de l'image : Octavo Systems)

Les interfaces de mémoire programme Flash externe incluent deux interfaces QSPI et une interface Flash NAND externe de 16 bits avec prise en charge ECC (code de correction d'erreurs) 8 bits. Cela permet l'accès aisé à la mémoire Flash externe tout en protégeant contre la corruption ou l'altération de la mémoire.

Deux interfaces USB 2.0 haute vitesse peuvent être utilisées pour la configuration et le débogage des dispositifs, ainsi que pour une mémoire Flash USB externe si un stockage de données supplémentaire est requis.

512 méga-octets (Mo) de DRAM DDR3L haute vitesse sont utilisés comme mémoire programme pour les cœurs Cortex embarqués. La DRAM peut être chargée au démarrage à partir de n'importe quelle interface de mémoire Flash externe. Cela permet de disposer d'une mémoire programme suffisante pour un micrologiciel de données de vol hautes performances. La mémoire programme peut être exécutée à partir de n'importe quelle interface de mémoire externe, mais le micrologiciel s'exécutera toujours beaucoup plus rapidement depuis la DRAM.

4 Ko d'EEPROM peuvent être utilisés pour stocker les données d'étalonnage des capteurs, les constantes de contrôle de vol et les données des journaux de vol. Une fonction de protection de la mémoire empêche toute écriture accidentelle dans une EEPROM protégée.

Plusieurs dispositifs de sécurité assurent la sécurité du système. Un module Arm TrustZone ainsi que le support de cryptage AES-256 et SHA-256 peuvent être utilisés pour assurer l'intégrité du micrologiciel lors des mises à jour ainsi que pour crypter les données dans la carte Flash externe. L'OSD32MP157C-512M prend en charge l'amorçage sécurisé pour la sécurité du micrologiciel et une horloge temps réel (RTC) sécurisée pour empêcher toute altération de la base de temps du drone.

Une grande variété de ports série inclut six interfaces SPI, six I²C, quatre UART et quatre USART pour la connexion à des capteurs MEMS et des modules GPS. Deux convertisseurs analogique-numérique (CAN) à 22 canaux, 16 bits indépendants permettent l'interfaçage avec des capteurs analogiques tels que des thermistances et des capteurs de vitesse du vent, qui peuvent également effectuer la détection de courant et la commande de moteur en boucle fermée. Trois interfaces I²S permettent l'interfaçage avec des dispositifs audio tels que des haut-parleurs ou des buzzers. Une interface de caméra permet une connexion simple à la plupart des modules de caméra RVB.

L'OSD32MP157C-512M intègre également tous les composants discrets nécessaires au système, y compris les résistances, les condensateurs, les inductances et les perles de ferrite. Cela permet d'utiliser un minimum de composants discrets externes dans la construction d'un système de drone.

Pour le contrôle des moteurs PWM, l'OSD32MP157C-512M inclut deux temporisateurs de commande moteur avancés de 16 bits, quinze temporisateurs 16 bits et deux temporisateurs 32 bits. Cela fournit suffisamment de signaux PWM pour contrôler les moteurs d'hélice BLDC avec un haut degré de précision, ainsi que tous les actionneurs tels que les moteurs de positionnement de caméra ou les bras robotiques.

Alimentation de l'OSD32MP15x

L'OSD32MP157C-512M ne requiert qu'une seule alimentation de 2,8 volts (V) à 5,5 V, ce qui le rend adapté aux batteries lithium-ion standard de 3,7 V. Une puce de gestion de l'alimentation interne fournit les tensions nécessaires à tous les composants internes distincts. Avec les deux cœurs Cortex-A7 et Cortex-M4 s'exécutant à la fréquence d'horloge maximum et tous les périphériques en fonctionnement, l'OSD32MP157C-512M consomme un maximum de 2 ampères (A). En raison du haut niveau d'intégration et des nombreuses options de fonctionnement, il est impossible d'estimer un scénario de consommation de courant typique, ce qui laisse au développeur le soin de déterminer la consommation de courant pour une application particulière.

L'OSD32MP157C-512M a une consommation de courant plus faible que la même fonctionnalité mise en œuvre à l'aide de composants discrets sur une carte à circuit imprimé. Cela est dû en grande partie au fait que l'utilisation d'une seule puce dans un SiP dense au lieu de composants conditionnés réduit considérablement le courant de fuite, et réduit également la puissance perdue dans la résistance de piste de circuit imprimé.

La valeur de décharge électrostatique (DES) de la gamme OSD32MP15x est de ±1000 V pour le modèle du corps humain (HBM) et de ±500 V pour le modèle du composant chargé (CDM). C'est pourquoi le dispositif doit être manipulé avec un soin extrême. Il est fortement recommandé de ne jamais toucher avec les doigts les points de contact de la grille à billes et de ne manipuler le dispositif que par les bords, et uniquement lorsque cela est nécessaire. La gamme OSD32MP15x de dispositifs SiP est également sensible à l'humidité. Il est recommandé de sceller hermétiquement l'électronique du drone, ce qui est également une bonne idée pour les composants électroniques du drone en général car ils peuvent entrer en contact avec une humidité élevée, de la vapeur d'eau, des nuages ou de la pluie.

Pour des drones plus performants, Octavo Systems propose le dispositif SiP OSD3358-1G-ISM. Il offre des fonctionnalités similaires à celles de l'OSD32MP157 mais il est doté d'un Cortex-A8 double de 1 gigahertz (GHz) plus puissant avec un giga-octet (Go) de DRAM dans un boîtier BGA de 21 mm x 21 mm. En raison des hautes performances des deux cœurs Cortex-A8, aucun processeur Cortex-M4 supplémentaire n'est inclus.

Développement du SiP d'Octavo

Pour le développement du code, Octavo fournit la carte de plateforme de prototypage flexible OSD32MP1-BRK (Figure 4). La carte contient un SiP OSD32MP157C-512M et des embases d'extension pour la connexion à 106 des entrées/sorties numériques et des signaux périphériques externes.

Figure 4 : L'OSD32MP1-BRK d'Octavo est une plateforme de prototypage flexible pour la gamme OSD32MP15x de dispositifs de drones SiP. Cette plateforme est dotée d'un logement pour une carte microSD et d'un port micro USB pour le développement et le débogage. (Source de l'image : Octavo Systems)

Un logement de carte microSD permet à la carte de développement de charger une mémoire programme Flash externe dans la DRAM de l'OSD32MP517-512M. Un port micro USB est utilisé pour le développement et le débogage des micrologiciels, et fournit également l'alimentation de la carte. Les commutateurs de mode d'amorçage déterminent si le dispositif démarre à partir de la carte microSD ou de l'une des interfaces mémoires externes disponibles sur les embases d'extension.

Conclusion

Alors que les fabricants de drones continuent à améliorer les capacités de leurs systèmes, les développeurs sont de plus en plus sollicités pour fournir ces capacités tout en minimisant la consommation d'énergie et le coût afin d'offrir la meilleure expérience possible à l'utilisateur final.

Comme illustré, les ordinateurs de drones SiP hautes performances à dispositif unique offrent un très haut niveau d'intégration. Ils simplifient le processus de conception tout en rendant le drone plus léger et plus facile à équilibrer, ce qui réduit la consommation de courant et étend le temps de vol, une exigence très appréciée de l'utilisateur final.