Come migliorare rapidamente le prestazioni di un drone e prolungare il tempo di volo utilizzando un controller di droni SiP

Con l'aumento del numero di droni alimentati a batteria, i produttori di droni sono forzati ad espandere le funzionalità e le prestazioni dei loro progetti e a ridurre al minimo il consumo energetico per estendere il tempo di volo. Per soddisfare la domanda del mercato, i progettisti stanno aggiungendo accelerometri e giroscopi più precisi e accurati e aggiornando il firmware associato per sfruttare i sensori migliorati. Le capacità fisiche dei droni si stanno espandendo anche per includere il trasporto di pacchi e attrezzature, che richiedono una migliore stabilità e una routine di frenatura ad aria per far fronte all'aumento di peso.

Il problema per i progettisti è che il peso aggiunto al drone, insieme ai requisiti di calcolo aggiuntivi, aumenta il consumo energetico, che a sua volta riduce il tempo di volo possibile per una data dimensione della batteria. Le caratteristiche aggiuntive, le capacità e l'elettronica associate aggiungono anche al tempo di sviluppo e ai costi dei test.

La soluzione si trova in una maggiore integrazione. Questo articolo presenterà una soluzione System-in-Package (SiP) di Octavo Systems, che fondamentalmente è un piccolo computer drone. L'articolo mostrerà come le caratteristiche di questa soluzione autonoma possano essere utilizzate per risparmiare spazio e ridurre il peso per prolungare i tempi di volo, riducendo al contempo la distinta base, le scorte, i tempi di sviluppo e i costi dei test.

Tecnologia per droni

Le applicazioni per droni sono in continua espansione, dai piccoli droni orientati al consumatore con fotocamere per scattare foto di famiglia o gare amichevoli, fino a droni più sofisticati per la consegna di pacchi ai corrieri, il controllo del bestiame per gli allevatori, il monitoraggio dei raccolti per gli agricoltori, il monitoraggio dei cambiamenti delle coste per gli ambientalisti e le operazioni di ricerca e salvataggio per i soccorritori. Indipendentemente dall'applicazione, la durata della batteria in relazione al tempo di volo è uno dei fattori più critici nella selezione dei droni.

La durata della batteria è ovviamente legata al peso del drone, per questo i droni utilizzano materiali il più leggeri possibile in grado di mantenere la struttura del velivolo sotto lo stress e la tensione del volo a motore. Questa attenzione alla leggerezza si estende dall'integrità strutturale all'elettronica che controlla il drone.

Per una corretta dinamica di volo, il drone deve essere adeguatamente bilanciato distribuendo uniformemente il peso del telaio e dei componenti elettronici. Più piccola è l'elettronica, più facile è bilanciare il peso del drone. Idealmente il centro di gravità è al centro fisico del velivolo. Qualsiasi sbilanciamento del peso, anche se piccolo, deve essere compensato regolando le velocità dell'elica, e queste regolazioni nel tempo consumano potenza aggiuntiva e riducono il tempo di volo.

I droni di tipo consumer e la maggior parte dei droni commerciali utilizzano la tecnologia Wi-Fi per il controllo e il trasferimento dei dati. Più un drone può volare, più potenza deve emettere la radio Wi-Fi per mantenere il drone in contatto con il suo controller, e questa è un'altra fonte di assorbimento di potenza dalla batteria.

Sensori di droni ed elaborazione

Mentre i produttori di droni cercano di ridurre il peso e il costo dei loro sistemi, gli utenti sono desiderosi di maggiori funzionalità e prestazioni più elevate, che rendono un drone e il suo firmware più complessi. Questo aumenta la quantità e il peso dell'elettronica sulla scheda, influenzando anche l'equilibrio del drone.

Ad esempio, i droni usano tipicamente una varietà di sistemi microelettromeccanici (MEMS) e altri sensori per mantenere stabile il volo durante il monitoraggio della rotta e della velocità (Figura 1). Un modulo per sistema di posizionamento globale (GPS) determina la posizione e la direzione del velivolo, i giroscopi misurano il passo e l'imbardata, gli accelerometri misurano l'accelerazione del drone e le forze d'urto, i barometri misurano la pressione atmosferica per aiutare a determinare la velocità di rotazione ottimale dell'elica per le attuali condizioni atmosferiche (una pressione più bassa richiede una velocità del rotore maggiore e viceversa) e i sensori di prossimità e della telecamera permettono di rilevare ed evitare gli ostacoli. Inoltre, per motivi di sicurezza si possono utilizzare più sensori ridondanti.

Figura 1: Un moderno drone a quattro propulsori dispone di un'ampia varietà di sensori MEMS, almeno una telecamera, una scheda di memoria esterna per il firmware del microcontroller o per la memorizzazione di foto e vari driver motore per le eliche. (Immagine per gentile concessione di Octavo Systems)

Le uscite di questi sensori sono alimentate ai microcontroller che azionano il drone. I microcontroller devono elaborare tutti questi ingressi dei sensori e utilizzarli per determinare il modo più efficiente di alimentare i motori brushless c.c. (BLDC) che azionano le eliche. Tuttavia, con il migliorare continuo della tecnologia dei sensori, i produttori di droni stanno usando i sensori più recenti, più precisi e di massima precisione sui nuovi droni. Ciò richiede un firmware più complesso per poter sfruttare le capacità potenziate di questi sensori. Inoltre, il firmware del controllo di volo è in continuo miglioramento, soprattutto per i droni autonomi. Tutti questi miglioramenti non solo aumentano il volume del firmware, ma richiedono anche una maggiore potenza di elaborazione e molta più memoria per elaborare i dati in modo accurato.

L'elettronica e le funzionalità in espansione sfidano gli ingegneri a trovare una soluzione di minore potenza e di piccole dimensioni in grado di soddisfare l'aumento della domanda, mantenendo al minimo i costi di sviluppo e di test.

Dispositivi drone SiP

La soluzione alla maggiore funzionalità è un livello più elevato di integrazione dell'elettronica. A tal fine, Octavo Systems ha sviluppato la famiglia OSD32MP15x di sistemi informatici autonomi orientati ai droni in un unico contenitore. Ad esempio, OSD32MP157C-512M-BAAA è un potente dispositivo con una combinazione di oltre 100 componenti discreti e singoli die in un unico contenitore BGA di 18 x 18 mm (Figura 2).

Figura 2: OSD32MP157C-512M-BAA di Octavo Systems è un sistema drone completo in un unico contenitore, con una combinazione di oltre 100 componenti discreti e die in un contenitore di 18 x 18 mm. (Immagine per gentile concessione di Octavo Systems)

OSD32MP157C-512M-BAA ha due core Arm® Cortex®-A7 che funzionano a 800 MHz (Figura 3). Questa potenza di elaborazione è sufficiente per i droni ad altissime prestazioni e consente un'elaborazione senza soluzione di continuità dei dati dei sensori, inviando contemporaneamente segnali precisi e che cambiano continuamente la modulazione della larghezza di impulso (PWM) ai quattro driver che alimentano i motori delle eliche BLDC. Ogni core Cortex-A7 ha 33 kB di cache di istruzioni L1 e 32 kB di cache di dati L2. I core condividono 256 kB di cache L2. Il firmware di controllo del volo può essere ricorsivo e questa quantità di cache velocizza notevolmente la navigazione e l'elaborazione della fusione sensoriale.

Un terzo processore aggiuntivo, un Arm Cortex-M4 a 209 MHz con unità a virgola mobile (FPU), è anch'esso integrato e può essere utilizzato per l'elaborazione ausiliaria come la gestione della telecamera, il monitoraggio della batteria e il controllo delle comunicazioni Wi-Fi. Sono disponibili tre interfacce per schede eMMC/SD per il collegamento a schede flash esterne come una memoria microSD. Ciò è utile per caricare il firmware nel SiP e per memorizzare foto e video delle telecamere, registrazione dei dati di volo, registri degli eventi e dei sensori MEMS.

La memoria aggiuntiva per i core del processore comprende 256 kB di RAM di sistema e 384 kB di RAM del microcontroller. Sono inoltre disponibili 4 kB di RAM con backup a batteria e 3 kB di memoria programmabile una sola volta (OTP) per la personalizzazione del dispositivo, ad esempio il numero di serie del drone o pacchetti di opzioni.

Figura 3: OSD32MP157C-512M di Octavo Systems è un computer altamente integrato in un unico dispositivo, adatto per sistemi di droni ad alte prestazioni. (Immagine per gentile concessione di Octavo Systems)

Le interfacce esterne per la memoria flash del programma includono due interfacce QSPI e un'interfaccia NAND flash esterna a 16 bit con supporto per il codice di correzione errori (ECC) a 8 bit. Ciò consente un facile accesso alla memoria flash esterna, proteggendo al contempo la memoria dai danni o dalla manomissione.

Due interfacce USB 2.0 High Speed possono essere utilizzate per la configurazione e il debug dei dispositivi e anche per la memoria flash esterna USB, se è necessario ulteriore storage di dati.

512 MB di DDR3L DRAM ad alta velocità sono utilizzati come memoria di programma per i core Cortex su scheda. La DRAM può essere caricata all'avvio da qualsiasi interfaccia di memoria flash esterna. In questo modo si ha a disposizione una memoria di programma sufficiente per un firmware dei dati di volo ad alte prestazioni. La memoria di programma può essere eseguita da qualsiasi interfaccia di memoria esterna, ma il firmware si eseguirà sempre molto più velocemente dalla DRAM.

4 kB di EEPROM possono essere utilizzati per memorizzare i dati di calibrazione dei sensori, le costanti di controllo del volo e i dati del registro di volo. Una funzione di protezione della memoria impedisce la scrittura involontaria sulla EEPROM protetta.

Diverse caratteristiche di sicurezza proteggono il sistema. Un modulo Arm TrustZone insieme al supporto per la crittografia AES-256 e SHA-256 può essere utilizzato per assicurare l'integrità del firmware durante gli aggiornamenti e per crittografare i dati nella scheda flash esterna. OSD32MP157C-512M supporta l'avvio sicuro per la sicurezza del firmware e un clock in tempo reale (RTC) evita la manomissione della base temporale del drone.

L'ampia varietà di porte seriali comprende sei interfacce SPI, sei I²C, quattro UART e quattro USART collegabili a sensori MEMS e moduli GPS. Due convertitori analogico/digitale (ADC) indipendenti a 22 canali, 16 bit, consentono l'interfacciamento a sensori analogici come termistori e sensori di velocità del vento, che possono anche rilevare la corrente e controllare i motori a circuito chiuso. Tre interfacce I²S consentono l'interfacciamento a dispositivi audio come altoparlanti o cicalini. L'interfaccia della telecamera consente un semplice collegamento alla maggior parte dei moduli RGB.

OSD32MP157C-512M integra anche tutti i componenti discreti necessari per il sistema, compresi resistori, condensatori, induttori e perline di ferrite. Ciò consente di utilizzare un numero minimo di componenti discreti esterni per la costruzione di un sistema drone.

Per il controllo del motore PWM, OSD32MP157C-512M include due timer di controllo motore avanzati a 16 bit, quindici timer a 16 bit e due timer a 32 bit. Questo fornisce un numero sufficiente di segnali PWM per controllare i motori delle eliche BLDC con un alto grado di precisione, così come qualsiasi attuatore come i motori di posizionamento delle telecamere o i bracci robotici.

Alimentazione di OSD32MP15x

OSD32MP157C-512M richiede solo una singola alimentazione da 2,8 a 5,5 V, il che lo rende ideale per le batterie standard agli ioni di litio da 3,7 V. Un chip interno di gestione della potenza fornisce le tensioni necessarie per tutti i componenti interni separati. Con entrambi i core Cortex-A7 e Cortex-M4 che funzionano alla massima velocità di clock e tutte le periferiche in funzione, OSD32MP157C-512M assorbirà un massimo di 2 A. Grazie all'alto livello di integrazione e alle molteplici opzioni operative, non è possibile stimare un tipico scenario di assorbimento di corrente: spetta allo sviluppatore determinare quale sarà il livello di assorbimento per una particolare applicazione.

OSD32MP157C-512M ha un assorbimento di corrente inferiore rispetto alle stesse funzionalità implementate utilizzando componenti discreti su un circuito stampato. Ciò è dovuto in gran parte al fatto che l'utilizzo di un singolo die in un SiP denso al posto di componenti confezionati riduce sensibilmente la corrente di dispersione e riduce anche la perdita di energia alla resistenza di traccia della scheda CS.

Il livello di scariche elettrostatiche (ESD) della famiglia OSD32MP15x è di ±1000 V modello di corpo umano (HBM) e di ±500 V modello di dispositivo carico (CDM). Per questo motivo, il dispositivo deve essere maneggiato con estrema cura. Si raccomanda vivamente di non toccare mai con le dita i punti di contatto della griglia di sfere e di maneggiare il dispositivo solo dai bordi, e solo quando necessario. La famiglia di dispositivi SiP OSD32MP15x è anche sensibile all'umidità. Si raccomanda di sigillare l'elettronica del drone, che è anche una buona idea per l'elettronica del drone in generale, in quanto può venire a contatto con umidità, vapore acqueo, nuvole o pioggia.

Per i droni ad alte prestazioni, Octavo Systems offre il dispositivo SiP OSD3358-1G-ISM. Questo offre funzionalità simili a OSD32MP157 ma ha un core doppio Cortex-A8 da 1 GHz più potente con 1 GB di DRAM in un contenitore BGA di 21 x 21 mm. Grazie alle elevate prestazioni dei due core Cortex-A8, non include il processore aggiuntivo Cortex-M4.

Sviluppo dei SiP di Octavo

Per lo sviluppo del codice Octavo fornisce la scheda per piattaforma di prototipazione flessibile OSD32MP1-BRK (Figura 4). Questa scheda contiene un SiP OSD32MP157C-512M e basette di espansione per il collegamento a 106 degli I/O digitali e dei segnali periferici esterni.

Figura 4: OSD32MP1-BRK di Octavo è una piattaforma di prototipazione flessibile per la famiglia di dispositivi drone SiP OSD32MP15x. Ha uno slot per una scheda microSD e una porta Micro-USB per lo sviluppo e il debug. (Immagine per gentile concessione di Octavo Systems)

Uno slot per schede microSD permette alla scheda di sviluppo di caricare la memoria flash esterna del programma nella DRAM di OSD32MP517-512M. Una porta Micro-USB è utile per lo sviluppo e il debug del firmware e fornisce anche l'alimentazione alla scheda. Gli interruttori della modalità di avvio determinano se il dispositivo si avvierà dalla scheda microSD o da una qualsiasi delle interfacce di memoria esterne disponibili sulle basette di espansione.

Conclusione

Poiché i produttori di droni continuano a migliorare le capacità dei loro sistemi, per gli sviluppatori è sempre più difficile fornire queste capacità riducendo al minimo il consumo energetico e i costi, al fine di fornire la migliore esperienza all'utente finale.

Come mostrato, i computer drone SiP ad alte prestazioni forniscono un livello di integrazione molto elevato. Questo semplifica la progettazione, rendendo il drone più leggero e più facile da bilanciare, riducendo così l'assorbimento di corrente e prolungando il tempo di volo, un requisito molto apprezzato dagli utenti finali.