כיצד לשפר במהירות את ביצועי הרחפנים ולהאריך את זמן הטיסה באמצעות בקר רחפן SiP‏

ככל שיותר רחפנים מוזני-סוללות עולים לשמיים, יש לחץ תחרותי על יצרני הרחפנים להרחיב את הפונקציונליות והביצועים של התכנים שלהם, ובו בזמן להקטין למינימום את צריכת ההספק כדי להאריך את זמן הטיסה. כדי לענות על הביקוש בשוק, המתכננים מוסיפים מדי-תאוצה וג'ירוסקופים עם יותר דיוק ודיוק-חוזר ומשדרגים את הקושחה הנלווית כדי לנצל את החיישנים המשופרים. היכולות הפיזיות של רחפנים מתרחבות גם כן וכוללות נשיאת חבילות וציוד, הדורשת שיפור יציבות ורוטינות בלימת אוויר כדי להתמודד עם המשקל המוגדל.

הבעיה עבור המתכננים היא שמשקלו הנוסף של הרחפן, ביחד עם דרישות החישוב הנוספות, מגדילים את צריכת ההספק, אשר מקצרת זמן הטיסה האפשרי עבור גודל סוללה נתון. המאפיינים הנוספים, היכולות והאלקטרוניקה הנלווים לכך מוסיפים גם לזמן הפיתוח ולעלות הבדיקות.

הפיתרון נמצא באינטגרציה גבוהה יותר. מאמר זה יציג פיתרון של מערכת-בתוך-מארז (SiP) מבית Octavo Systems‏שהיא למעשה מחשב רחפן זעיר. המאמר יראה כיצד ניתן להשתמש במאפיינים של פתרון עצמאי זה כדי לחסוך מקום משמעותי ולהפחית את המשקל עבור הארכת זמן הטיסה, תוך הקטנת מפרט החומרים (BOM), המלאי, זמן הפיתוח ועלויות הבדיקה.

טכנולוגיית רחפנים

היישומים עבור רחפנים מתרחבים כל הזמן, החל מרחפנים קטנים מכווני-צרכנים עם מצלמות עבור תמונות משפחתיות או תחרויות ידידותיות, וכלה בתפקידים מאתגרים יותר כמו למשל משלוח חבילות עבור חברות שילוח, מעקב אחר בעלי חיים עבור חוואים, מעקב אחר יבולים עבור חקלאים, מעקב אחר שינוי קווי חוף עבור אנשי איכות הסביבה, ופעולות חיפוש והצלה עבור כוחות ההצלה. ללא קשר ליישום, חיי הסוללה - בכל הקשור לזמן הטיסה - הם אחד הגורמים הקריטיים ביותר בבחירת רחפנים.

חיי הסוללה קשורים כמובן למשקלו של הרחפן, ומסיבה זו משתמשים ברחפנים בחומרים הקלים ביותר האפשריים היכולים לשמור על שלדת כלי-הטיס תחת הלחצים והמאמצים של טיסה מוזנת-סוללות. התמקדות זו במשקל קל מתפרשת על פני כל ההיבטים, החל מהתקינות המבנית וכלה באלקטרוניקת הבקרה של הרחפן.

עבור דינמיקת טיסה נכונה, על הרחפן להיות מאוזן כראוי על ידי חלוקה שווה של משקל המסגרת והרכיבים האלקטרוניים שעליה. ככל שהאלקטרוניקה קטנה יותר, כך קל יותר לאזן את משקל הרחפן. אידיאלית, מרכז הכובד נמצא במרכז הפיזי של כלי-הטיס. על כל אי-איזון במשקל, קטן ככל שיהיה, יש לפצות על ידי התאמת קצב המדחף, והתאמות אלו לאורך זמן צורכות הספק נוסף וגוזלות מהמשתמש זמן טיסה יקר-ערך.

רחפנים עבור צרכנים ומרבית הרחפנים המסחריים משתמשים בטכנולוגיית Wi-Fi עבור בקרה ושידור נתונים. ככל שהרחפן יכול לטוס רחוק יותר, כך רדיו ה- Wi-Fi חייב להשתמש ביותר הספק כדי לשמור על הרחפן במגע עם הבקר שלו, כשהמשמעות היא צריכת הספק נוספת מהסוללה.

חיישני ועיבוד הרחפן

בעוד שיצרני רחפנים מבקשים להקטין את המשקל והעלות של מערכותיהם, המשתמשים להוטים ליותר פונקציונליות ולביצועים טובים יותר, ההופכים את הרחפן והקושחה שלו למורכבים יותר. זה מגדיל את הכמות והמשקל של האלקטרוניקה שעל הרחפן, תוך השפעה גם על איזון הרחפן.

לדוגמה, רחפנים משתמשים בדרך כלל במגוון מערכות אלקטרומכניות זעירות (MEMS) וחיישנים אחרים כדי לשמור על טיסה יציבה תוך ניטור המסלול והמהירות (איור 1). מודול מערכת מיקום גלובלי (GPS‏) משמש לקביעת מיקום וכיוון המטוס; ג'ירוסקופים משמשים למדידת העלרוד והסבסוב; מדי-תאוצה מודדים את התאוצה וכוחות הזעזועים של הרחפן; ברומטרים משמשים למדידת לחץ האוויר כדי לסייע בקביעת מהירות סיבוב מדחף אופטימלית עבור תנאי האטמוספירה הנוכחיים - לחץ אוויר נמוך יותר דורש מהירות רוטור גבוהה יותר ואילו לחץ אוויר גבוה דורש מהירות נמוכה יותר; וחיישני מצלמה וקירבה מאפשרים גילוי והתחמקות ממכשולים. כמו כן, ניתן להשתמש במספר חיישנים יתירים מטעמי בטיחות.

איור 1: לרחפן מודרני עם ארבעה מדחפים יש מגוון רחב של חיישני MEMS, לפחות מצלמה אחת, כרטיס זיכרון חיצוני עבור קושחת המיקרו-בקר או אחסון תמונות, ודוחפי מנועים עבור המדחפים. (מקור התמונה: Octavo Systems)

היציאות של כל אחד מחיישנים אלו מוזנות למיקרו-בקרים המפעילים את הרחפן. המיקרו-בקרים צריכים לעבד את כל כניסות החיישנים הללו ולהשתמש בהן כדי לקבוע את הדרך היעילה ביותר להניע את מנועי ה- DC ללא-מברשות (BLDC) הרעבים-להספק המניעים את המדחפים. עם זאת, ככל שטכנולוגיית החיישנים משתפרת מדי שנה, יצרני הרחפנים מתקינים את החיישנים האחרונים ביותר עם הדיוק והדיוק-החוזר הטובים ביותר על הרחפנים החדשים ביותר שלהם. זה דורש קושחה מורכבת יותר על מנת לנצל את היכולות המשופרות של חיישנים אלו. בנוסף, קושחת בקרת הטיסה תמיד משתפרת, במיוחד עבור רחפנים אוטונומיים. כל השיפורים הללו לא רק מגדילים את כמות הקושחה, אלא גם דורשים כוח עיבוד מוגבר וזיכרון משמעותי יותר כדי לעבד את הנתונים בצורה מדויקת.

האלקטרוניקה והפונקציונליות המתרחבים מאתגרים את המהנדסים לפתח פתרונות בהספק נמוך יותר ובגודל קטן היכולים לענות על הביקוש המוגבר, תוך שמירה על עלויות פיתוח ובדיקה במינימום האפשרי.

התקני רחפנים SiP‏

הפתרון לפונקציונליות המוגברת הוא רמה גבוהה יותר של אינטגרציית האלקטרוניקה. למטרה זו, חברת Octavo Systems פיתחה את מערכת המחשב מוכוונת-רחפנים ועצמאית במארז יחיד OSD32MP15x. לדוגמה, ה- OSD32MP157C-512M-BAA‏ הוא התקן רב-עוצמה המכיל צירוף של למעלה מ- 100 רכיבי פיסת-סיליקון בדידים ונפרדים במארז Ball Grid Array‏ (BGA‏) יחיד של 18‏ x‏ 18 מילימטר (מ"מ) (איור 2‏).

איור 2‏: ה- OSD32MP157C-512M-BAA‏ מבית Octavo Systems הוא מערכת רחפן שלמה במארז יחיד עם צירוף של למעלה מ- 100 רכיבי פיסת-סיליקון בדידים במארז של 18‏ x‏ 18 מ"מ. (מקור התמונה: Octavo Systems)

ל- OSD32MP157C-512M-BAA יש שתי ליבות Cortex®-A7‏ ®Arm‏ הפועלות ב -800 מגה-הרץ (MHz) (איור 3). זה מעניק די כוח עיבוד עבור רחפנים עם ביצועים עיליים ביותר ומאפשר עיבוד חלק של נתוני החיישנים ובו-זמנית שליחת אותות אפנון רוחב פולס (PWM) מדויקים המשתנים כל הזמן לארבעת הדוחפים המפעילים את מנועי BLDC של המדחפים. לכל ליבת Cortex-A7 יש 33 קילו-בייט (Kbytes‏) של זיכרון Cache‏ לפקודות L1 ו- Kbytes‏ 32 של זיכרון Cache‏ לנתונים L2‏. הליבות חולקות Kbytes‏ 256‏ של זיכרון Cache‏ L2‏. קושחת בקרת הטיסה יכולה להיות רקורסיבית, וכמות Cache זו מאיצה משמעותית את הניווט ואת עיבוד היתוך המידע (Sensor-Fusion) של החיישנים.

מעבד שלישי נוסף, Arm Cortex-M4‏ MHz‏ 209‏ עם יחידת נקודה צפה (FPU), נמצא גם כן במארז ויכול לשמש לעיבוד עזר כמו ניהול המצלמה, ניטור סוללות ובקרת תקשורת Wi-Fi. שלושה ממשקי כרטיסי eMMC/SD זמינים לחיבור לכרטיסי Flash חיצוניים כגון זיכרון microSD. זה שימושי עבור טעינת קושחה ב- SiP וכן לאחסון תמונות וסרטוני מצלמה, הקלטת נתוני טיסה, יומני אירועים ויומני חיישני MEMS.

זיכרונות נוספים עבור ליבות המעבד כוללים Kbytes‏ 256‏ של זיכרון RAM של המערכת ו Kbytes‏ 384‏ של זיכרון RAM של המיקרו-בקר. ישנם גם Kbytes‏ 4 של זיכרון RAM מגובה-סוללה ו- Kbytes‏ 3 של זיכרון תכנות חד-פעמי (OTP) הזמינים עבור התאמה-מיוחדת של התקנים כגון המספר הסידורי של הרחפן או מארזים אופציונליים.

איור 3‏: ה- OSD32MP157C-512M‏ מבית Octavo Systems‏ הוא מחשב משולב ביותר בהתקן יחיד המתאים עבור מערכות רחפנים עם ביצועים עיליים. (מקור התמונה: Octavo Systems)

ממשקי זיכרון תוכניות Flash חיצוניים כוללים שני ממשקי QSPI וממשק NAND Flash‏ חיצוני 16‎-bit‏ עם תמיכה בקוד תיקון שגיאות Bit‏-8‏ (ECC). זה מאפשר גישה נוחה לזיכרון Flash חיצוני תוך הגנה מפני התעסקות או השחתה של הזיכרון.

שני ממשקי USB 2.0 במהירות גבוהה יכולים לשמש עבור תצורת ההתקן וניפוי באגים, וגם עבור זיכרון Flash‏USB חיצוני אם יש צורך באחסון נתונים נוסף.

זיכרון DRAM‏ DDR3L‏ במהירות גבוהה של 512 מגה-בייט (Mbytes‏) משמש עבור ליבות Cortex על-הלוח. את ה- DRAM ניתן לטעון בעת האתחול מכל ממשק זיכרון Flash‏ חיצוני. זה מספק די זיכרון תוכנה עבור קושחת נתוני טיסה עם ביצועים עיליים. זיכרון התוכנית יכול להיות מופעל מכל אחד מממשקי הזיכרון החיצוניים, אך הקושחה תפעל תמיד מהר יותר מה- DRAM.

ה- EEPROM של Kbyte‏ 4‏ יכול לשמש לאחסון נתוני כיול חיישנים, קבועי בקרת טיסה ונתוני יומן טיסה. מאפיין הגנת זיכרון מונע כתיבות שלא במתכוון כדי להגן על ה- EEPROM‏.

מספר מאפייני אבטחה מבטיחים את בטיחות המערכת. מודול Arm TrustZone יכול לשמש ביחד עם תמיכה בהצפנת AES-256‏ ו- SHA-256 כדי להבטיח את תקינות הקושחה במהלך עדכונים כמו גם להצפין נתונים בכרטיס ה- Flash‏החיצוני. ה- OSD32MP157C-512M תומך באתחול מאובטח עבור אבטחת הקושחה ושעון זמן-אמת מאובטח (RTC) כדי למנוע פגיעה בבסיס-הזמן של הרחפן.

מגוון רחב של יציאות טוריות, כולל שישה ממשקי SPI, שישה C‏^2‏I, ארבעה UART וארבעה USART, יכולים להתחבר לחיישני MEMS ולמודולי GPS. שני ממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADC‏) 16‎-Bit‏ עצמאיים של 22 ערוצים מאפשרים ממשקים לחיישנים אנלוגיים כגון תרמיסטורים וחיישני מהירות רוח, ויכולים גם לבצע חישת זרם ובקרת מנועים בחוג-סגור. שלושה ממשקי S‏^2‏I מאפשרים התממשקות להתקני אודיו כגון רמקולים או זמזמים. ממשק מצלמה מאפשר חיבור פשוט לרוב מודולי מצלמות RGB.

ה- OSD32MP157C-512M משלב גם את כל הרכיבים הבדידים הנחוצים למערכת כולל נגדים, קבלים, משרנים וחרוזי פרייט (Ferrite). זה מאפשר להשתמש במינימום רכיבים בדידים חיצוניים בבניית מערכת רחפן.

עבור בקרת מנועים PWM‏ ה- OSD32MP157C-512M כולל שני קוצבי-זמן לבקרת מנוע מתקדמת של 16‎-Bit‏, חמישה-עשר קוצבי-זמן של 16‎-Bit‏ ושני קוצבי-זמן של Bit‏-32‏. זה מספק די אותות PWM כדי לבקר את מנועי BLDC של המדחפים ברמת דיוק גבוהה, כמו גם את כל המפעילים (Actuators) כגון מנועי מיקום מצלמה או זרועות רובוטיות.

הזנת ה- OSD32MP15x

ה- OSD32MP157C-512M דורש ספק כוח יחיד של 2.8 וולט עד 5.5 וולט בלבד, ההופך אותו למתאים עבור סוללות ליתיום-יון סטנדרטיות של 3.7 וולט. שבב ניהול הספקת-כוח פנימי מספק את המתחים הדרושים עבור כל הרכיבים הפנימיים הנפרדים. כאשר שתי ליבות ה- Cortex-A7 וה- Cortex-M4 פועלות במהירות השעון המקסימלית וכל הציוד ההיקפי פועל, ה- OSD32MP157C-512M יצרוך מקסימום של 2 אמפר (A). עקב רמת האינטגרציה הגבוהה ואפשרויות ההפעלה הרבות, לא ניתן להעריך תרחיש צריכת זרם טיפוסית, ומשאירים למפתח לקבוע מה תהיה צריכת הזרם עבור יישום מסוים.

ל- OSD32MP157C-512M יש פחות צריכת זרם בהשוואה לאותה פונקציונליות הממומשת באמצעות רכיבים בדידים על לוח המעגלים. זה נובע בעיקר מכך שהשימוש בפיסת-סיליקון יחידה ב- SiP ארוז-במהודק במקום ברכיבים ארוזים מפחית דרמטית את זרם הזליגה, וגם מפחית את הפסדי ההספק עקב התנגדות הפסים המוליכים של לוח המעגלים המודפסים.

דירוג הפריקה האלקטרוסטטית (ESD) של משפחת OSD32MP15x הוא 1000‏± וולט במודל גוף האדם (HBM) ו- 500‏± וולט במודל התקן טעון (CDM). מסיבה זו יש לטפל בהתקן בזהירות רבה. מומלץ בחום שהאצבעות לעולם לא ייגעו בנקודות המגע של סריג הכדוריות, ושההתקן יוחזק רק בקצוות ורק במידת הצורך. משפחת התקני ה- SiP OSD32MP15x גם רגישה לרטיבות. מומלץ לאטום את אלקטרוניקת הרחפן, וזה גם רעיון טוב לאלקטרוניקת הרחפן באופן כללי מכיוון שהיא עלולה לבוא במגע עם לחות גבוהה, אדי מים, עננים או גשם.

עבור רחפנים עם ביצועים עיליים יותר, חברת Octavo Systems מציעה את התקן SiP‏ OSD3358-1G-ISM‏. הוא מציע פונקציונליות דומה לזו של ה- OSD32MP157, אך יש לו Cortex-A8‏ 1 גיגה-הרץ (GHz) כפול עם גיגה-בייט (Gbyte) של DRAM במארז BGA‏ של 21‏ x‏ 21 מ"מ. הודות לביצועים העיליים של שתי ליבות ה- Cortex-A8, הוא אינו כולל את מעבד ה- Cortex-M4 הנוסף.

פיתוח ה- SiP‏ מבית Octavo‏

עבור פיתוח הקוד חברת Octavo מספקת את לוח פלטפורמת בניית אב-טיפוס הגמישה OSD32MP1-BRK‏ (איור 4). הלוח מכיל את ה- OSD32MP157C-512M SiP ופסי פינים להרחבה עבור חיבורים של עד 106 של I/O‏ דיגיטליים ואותות היקפיים חיצוניים.

איור 4: ה- OSD32MP1-BRK מבית Octavo היא פלטפורמת בניית אב-טיפוס גמישה עבור משפחת OSD32MP15x של התקני רחפנים SiP‏. יש לו חריץ לכרטיס microSD ונקודת-חיבור Micro USB עבור פיתוח וניפוי באגים. (מקור התמונה: Octavo Systems)

החריץ לכרטיס microSD מאפשר ללוח הפיתוח לטעון זיכרון תוכנית Flash‏ חיצוני ל- DRAM ב- OSD32MP517-512M. נקודת-חיבור Micro USB משמשת עבור פיתוח וניפוי-באגים של הקושחה וגם מספקת כוח ללוח. מתגי אופן אתחול קובעים אם ההתקן יאתחל מכרטיס ה- microSD או מאחד מממשקי הזיכרון החיצוניים הזמינים בפסי-הפינים להרחבה.

סיכום

ככל שיצרני הרחפנים ממשיכים לשפר את יכולות המערכות שלהם, המפתחים מאותגרים יותר ויותר לספק יכולות אלו תוך הקטנה למינימום של צריכת ההספק והעלות על מנת לספק את חווית המשתמש-הסופי הטובה ביותר.

כפי שהוצג, מחשבי רחפנים מסוג SiP עם ביצועים עיליים בהתקן יחיד מספקים אינטגרציה ברמה גבוהה ביותר. זה מפשט את תהליך התכנון תוך הפיכת הרחפן לקל יותר ולקל לאיזון, ובכך מוריד את צריכת הזרם ומאריך את זמן הטיסה, דרישות המוערכות ביותר על ידי המשתמש-הסופי.