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如何使用 SiP 无人机控制器快速提高无人机性能并延长飞行时间

作者:Bill Giovino

投稿人:Digi-Key 北美编辑

随着越来越多的电池供电式无人机飞向天空,无人机制造商面临着巨大的竞争压力,要求他们扩展设计的功能和性能,同时将功耗降至最低以延长飞行时间。为了满足市场需求,设计人员不断添加更精密、更准确的加速计和陀螺仪,并升级相关固件以充分利用改进后的传感器。无人机的物理功能也逐渐扩展至包括机载包和机载设备,而这需要改进稳定性和空气制动程序以应对增加的重量。

设计人员面临的问题是,无人机的重量和计算需求的增加会增大功耗,进而缩短给定电池尺寸下的飞行时间。此外,其他特性、功能和相关电子设备也增加了开发时间和测试成本。

提高集成度才是解决之道。本文将介绍 Octavo Systems 的系统级封装 (SiP) 解决方案,这种解决方案几乎是一台微型无人机计算机。文中将展示如何利用这种自足式解决方案的特性来节省大量空间并减轻重量,以延长飞行时间,同时缩减物料清单 (BOM) 和开发时间,降低库存以及测试成本。

无人机技术

无人机的应用范围不断扩大,从面向消费者并带有用于家庭照片或友谊赛的相机的小型无人机,到各种更具挑战性的角色,例如为快递员投递包裹、为牧场主跟踪牲畜、为农场主监测农作物、为环保工作者监测海岸线变化,以及协助急救人员开展搜救行动等,不一而足。无论哪种应用,关系到飞行时间的电池续航时间都是选择无人机的最关键因素之一。

电池续航时间显然与无人机的重量有关,因此,无人机需要使用尽可能轻的材料,并能够在动力飞行产生的应力与应变下保持飞机的框架。对于轻量化的这种关注从结构完整性一直延伸到控制无人机的电子设备。

为了获得适当的飞行动力,必须通过均匀分配机架和机载电子元器件的重量来合理地平衡无人机。电子设备越小,无人机的重量就越容易平衡。理想情况下,重心应位于无人机的物理中心。任何重量失衡,无论幅度多么小,都必须通过调整螺旋桨的转速加以补偿,久而久之,这些调整就会消耗额外的动力,并浪费用户宝贵的飞行时间。

消费者无人机和大多数商用无人机均使用 Wi-Fi 技术实现控制和数据传输。无人机飞得越远,Wi-Fi 无线电就必须输出越大的功率,才能保持与控制器的联系,而这也是电池的另一个耗电大户。

无人机传感器及处理

在无人机制造商千方百计减轻系统重量并降低系统成本的同时,用户却渴望获得更多的功能和更高的性能,这让无人机及其固件变得更加复杂。如此便会增加机载电子设备的数量和重量,同时也会影响无人机的平衡。

例如,无人机通常使用各种微机电系统 (MEMS) 和其他传感器来维持稳定的飞行,同时监测航向和速度(图 1)。全球定位系统 (GPS) 模块可用于确定飞机的方位和方向;陀螺仪可用于测量俯仰和偏航;加速计可测量无人机的加速度和冲击力;气压计可用于测量气压,以帮助确定当前大气条件下的最佳螺旋桨转速——气压较低时需要提高转子转速,气压较高时需要降低转速;相机和接近传感器则可实现障碍物检测和避让。此外,出于安全原因,可能使用多个冗余传感器。

现代四桨无人机具有各式各样的 MEMS 传感器的图片图 1:现代四桨无人机具有各式各样的 MEMS 传感器、至少一个相机、用于微控制器固件或存储照片的外部存储卡,以及用于驱动螺旋桨的电机驱动器。(图片来源:Octavo Systems)

这些传感器的所有输出都会馈送到操作无人机的微控制器。微控制器必须处理所有这些传感器输入,并使用它们来确定最高效的方法,为驱动螺旋桨的高耗电无刷直流 (BLDC) 电机供电。然而,随着传感器技术的逐年进步,无人机制造商不断将最新、最准确和最精密的传感器安装到最新的无人机上。这需要更复杂的固件才能充分利用这些传感器的增强功能。此外,飞行控制固件也在一直改进,尤其是自动驾驶无人机。所有这些改进不仅增加了固件的数量,还需要增强处理能力和大幅增加存储器,才能准确地处理数据。

电子设备和功能的扩展给工程师提出了一项挑战,要求他们设计出功耗更低的小尺寸解决方案,以满足不断增长的需求,同时将开发和测试成本降至最低。

SiP 无人机器件

若要应对更多功能,解决方案是提高电子设备的集成度。为此,Octavo Systems 开发了面向无人机的自足式计算机系统 OSD32MP15x 系列,全都采用单个封装。例如,OSD32MP157C-512M-BAA 便是一款功能强大的器件,在单个 18 mm x 18 mm 球栅阵列 (BGA) 封装中组合了 100 多个分立的单独芯片元器件(图 2)。

Octavo Systems 的 OSD32MP157C-512M-BAA 完整无人机系统图片图 2:Octavo Systems 的 OSD32MP157C-512M-BAA 是采用单个封装的完整无人机系统,在 18 mm x 18 mm 封装中结合了 100 多个分立的芯片元器件。(图片来源:Octavo Systems)

OSD32MP157C-512M-BAA 具有两个以 800 兆赫 (MHz) 频率运行的 Arm® Cortex®-A7 内核(图 3)。这便为实现极高性能的无人机提供了足够的处理能力,而且能够在无缝地处理传感器数据的同时,将精准且不断变化的脉冲宽度调制 (PWM) 信号发送至为 BLDC 螺旋桨电机提供动力的四个驱动器。每个 Cortex-A7 内核包含 33 KB 的 L1 指令缓存和 32 KB 的 L2 数据缓存。这些内核共用 256 KB 的 L2 缓存。飞行控制固件可以是递归的,而且这一数量的缓存大幅加快了导航和传感器融合处理的速度。

额外的第三处理器是一个带有浮点单元 (FPU) 的 209 MHz Arm Cortex-M4,它也在封装内,可用于辅助处理,例如管理相机、监测电池和控制 Wi-Fi 通信。三个 eMMC / SD 卡接口可用于连接外部闪存卡,例如 microSD 存储器。这适用于将固件加载到 SiP 中,以及存储相机照片和视频、飞行数据记录、事件日志和 MEMS 传感器日志。

处理器内核的其他存储器包括 256 KB 的系统 RAM 和 384 KB 的微控制器 RAM。此外,还有 4 KB 的电池备用 RAM 和 3 KB 的一次性可编程 (OTP) 存储器,适用于设备自定义,例如无人机序列号或选件包。

Octavo Systems 的 OSD32MP157C-512M 高集成度计算机的图形图 3:Octavo Systems 的 OSD32MP157C-512M 是一个高度集成的单器件计算机,适用于高性能无人机系统。(图片来源:Octavo Systems)

外部闪存程序存储器接口包括两个 QSPI 接口和一个 16 位外部 NAND 闪存接口,后者支持 8 位纠错码 (ECC)。这样可以轻松访问外部闪存,同时防范存储器损坏或篡改。

两个 USB 2.0 高速接口可用于器件配置和调试,如果需要额外的数据存储,还可用于外部 USB 闪存。

512 MB 的高速 DDR3L DRAM 可用作板载 Cortex 内核的程序存储器。该 DRAM 可以在启动时从任何外部闪存接口加载。这便为高性能飞行数据固件提供了足够的程序存储器。任何外部存储器接口的程序存储器都有可能耗尽,但是固件的执行速度总是远快于 DRAM 的耗尽速度。

4 KB 的 EEPROM 可用于存储传感器校准数据、飞行控制常数和飞行日志数据。存储器保护功能可防止意外写入受保护的 EEPROM。

多项安全功能可确保系统的安全性。Arm TrustZone 模块以及对 AES-256 和 SHA-256 加密的支持,可用于确保更新期间的固件完整性以及对外部闪存卡中的数据进行加密。OSD32MP157C-512M 支持安全启动以确保固件安全性,并支持安全的实时时钟 (RTC),以防止篡改无人机的时基。

各式各样的串行端口包括六个 SPI、六个 I2C、四个 UART,以及四个可连接 MEMS 传感器和 GPS 模块的 USART 接口。两个独立的 22 通道 16 位模数转换器 (ADC) 可以连接模拟传感器(例如热敏电阻和风速传感器),而这些传感器还可以执行电流检测和闭环电机控制。三个 I2S 接口可以连接扬声器或蜂鸣器之类的音频设备。相机接口可轻松连接大多数 RGB 相机模块。

此外,OSD32MP157C-512M 还集成了系统所需的所有分立元器件,包括电阻器、电容器、电感器和铁氧体磁珠。这样可以最大限度减少构建无人机系统时使用的外部分立元器件。

针对 PWM 电机控制,OSD32MP157C-512M 包括两个 16 位先进电机控制定时器、十五个 16 位定时器和两个 32 位定时器。这样可以提供足够的 PWM 信号来控制 BLDC 螺旋桨电机并获得高精度,以及控制任何致动器,例如相机定位电机或机械臂。

为 OSD32MP15x 供电

OSD32MP157C-512M 只需要单个 2.8 伏至 5.5 伏的电源,因此适合采用标准的 3.7 伏锂离子电池。内部电源管理芯片为所有独立的内部元器件提供了必要的电压。当 Cortex-A7 内核和 Cortex-M4 均以最大时钟速度运行并且所有外设也在工作时,OSD32MP157C-512M 最多可消耗 2 安培 (A) 电流。由于集成度高且具有众多操作选项,因此无法估算典型的电流消耗方案,而是由开发人员来确定特定应用的电流消耗情况。

与在电路板上使用分立元器件实现相同的功能相比,OSD32MP157C-512M 的电流消耗更低。这主要是由于以下事实:在紧凑封装的 SiP 中使用单一芯片而不是封装的元器件,可以极大地降低漏电电流,同时还能减少印刷电路板印制线电阻造成的功耗损失。

OSD32MP15x 系列的静电放电 (ESD) 额定值为 ±1000 伏人体模型 (HBM) 和 ±500 伏带电器件模型 (CDM)。因此,在操作该器件时必须格外小心。强烈建议切不可用手指接触球栅触点,并且仅在必要时才能抓握器件的边缘。此外,OSD32MP15x 系列 SiP 器件对湿气也很敏感。建议将无人机电子设备密封起来,一般而言,这对于无人机电子设备也是一个好主意,因为它们可能会与较多的湿气、水蒸气、云或雨水接触。

为了提高无人机的性能,Octavo Systems 提供了 OSD3358-1G-ISM SiP 器件。该器件的功能与 OSD32MP157 相似,但在 21 mm x 21 mm BGA 封装中包含了更强大的双千兆赫 (GHz) Cortex-A8 及 1 GB DRAM。由于两个 Cortex-A8 内核性能高,因此未包括附加的 Cortex-M4 处理器。

Octavo SiP 开发

为了进行代码开发,Octavo 提供了灵活的 OSD32MP1-BRK 原型开发平台板(图 4)。该评估板包含 OSD32MP157C-512M SiP 和扩展针座,后者用于连接 106 个数字 I/O 和外部外设信号。

Octavo 的 OSD32MP1-BRK 原型开发平台图片图 4:Octavo 的 OSD32MP1-BRK 是适用于 OSD32MP15x 系列 SiP 无人机器件的灵活原型开发平台。它具有用于 microSD 卡的插槽以及用于开发和调试的 micro USB 端口。(图片来源:Octavo Systems)

开发板可利用 microSD 卡插槽将外部闪存程序存储器加载到 OSD32MP517-512M 的 DRAM 中。micro USB 端口可用于开发和固件调试,还可以为开发板供电。引导模式开关确定器件将从 microSD 卡还是从扩展针座上提供的任何外部存储器接口启动。

总结

随着无人机制造商不断改善系统功能,开发人员面临越来越大的挑战,需要在提供这些功能的同时最大限度降低功耗和成本,以实现最佳的最终用户体验。

如上所示,单器件的高性能 SiP 无人机计算机具有极高的集成度。这简化了设计过程,同时也使无人机更轻且更易于平衡,从而降低了电流消耗并延长了飞行时间,而这正是最终用户高度重视的一项要求。

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关于此作者

Bill Giovino

Bill Giovino 是一名电子工程师,拥有美国雪城大学的电气工程学士学位,是先后从设计工程师、现场应用工程师跨界到技术营销部门的少数成功人士之一。

25 年来,Bill 一直喜欢在技术和非技术用户面前为包括 STMicroelectronics、Intel 和 Maxim Integrated 在内的许多公司推广新技术。在 STMicroelectronics 工作期间,Bill 作为领头人帮助该公司在微控制器领域取得了早期成功。在 Infineon,经过 Bill 精心策划,该公司的首个微控制器设计便在美国汽车领域大获全胜。作为 CPU Technologies 公司的营销顾问,Bill 帮助了许多公司,让其表现不佳的产品大获成功。

Bill 是物联网的早期尝试者,包括将第一个完整的 TCP/IP 协议栈植入微控制器。Bill 秉持“教育式销售”信条,在通过在线促销产品时强调清晰明了的书面沟通的重要性。他是广受欢迎的 LinkedIn 半导体市场营销群的群主,精通 B2E。

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