Figura 1: Dronele pentru conștientizarea situației variază ca design, în funcție de sarcinile specifice de zbor și de spațiile de decolare și aterizare. (Sursă imagine: 139754773 © Colicaranica | Dreamstime.com)
Dronele au apărut ca instrumente versatile și puternice pentru monitorizare aeriană în multe industrii. Echipate cu senzori și camere avansate, acestea joacă un rol esențial în colectarea de date despre ținte specifice pentru recunoașterea dezastrelor, aplicarea legii, agricultură, topografie și multe altele. În funcție de aplicație, datele pot fi stocate și analizate pentru a fi examinate ulterior sau prelucrate la bord pentru a oferi informații utile procesului decisional, în timp real, pe durata unei operațiuni în curs.
Drone de supraveghere în acțiune
Pentru a răspunde diverselor cazuri de utilizare, dronele trebuie să fie configurate flexibil, în funcție de caracteristicile dispozitivelor montate pe acestea. Autoritățile de pază de coastă, de exemplu, utilizează dispozitive de radio frecvență (RF) pentru a capta semnale privind intervențiile de salvare în domeniul maritim. Senzorii multispectrali, capabili să capteze simultan cinci benzi discrete de culori, sunt perfecți pentru analiza agricolă. Iar senzorii hidro-spectrali sunt utili pentru identificarea proliferării algelor dăunătoare în lacuri. Pentru modelarea 3D a peisajelor este necesară captarea și prelucrarea unor seturi masive de imagini LiDAR (Light detection and ranging), utile pentru proiecte geoștiințifice, peisagistice și de construcții urbane.
Dispozitivele dedicate montate la bord corespund unui principiu de proiectare standard, care abordează toate aceste scenarii. Cu astfel de sisteme, este posibil ca dronele, care trebuie să facă față unor cerințe specifice de zbor, să fie echipate în câteva secunde cu dispozitivele adecvate pentru îndeplinirea sarcinilor operaționale (Figura 1). Unele activități pot necesita drone cu decolare verticală foarte manevrabile, altele mai convenționale, asemănătoare unui avion sau chiar configurații amfibii.
În cazul în care fiecare componentă a unui astfel de echipament este, totodată, proiectată ținând cont de modularitate, este posibil să se realizeze o configurare rapidă a performanțelor pentru a obține sistemul potrivit pentru sarcina potrivită. Cu toate acestea, există o serie de aspecte care trebuie luate în considerare, mai ales atunci când respectivele echipamente funcționale ar putea fi utilizate în medii periculoase.
Provocări comune privind proiectarea echipamentelor funcționale
Proiectarea echipamentelor utile care se montează la bord reprezintă o provocare, întrucât cerințele de robustețe și de înaltă performanță intră în conflict cu limitările legate de dimensiuni, greutate, putere și costuri (cunoscute și ca SWaP-C). Dispozitivele embedded din interiorul carcasei trebuie să reziste la o gamă extinsă de temperaturi cuprinse între -40°C și +85°C, deoarece se pot încălzi destul de mult în condițiile soarelui de vară.
Pentru controlul zborului, precum și pentru procesarea și stocarea datelor, este nevoie de o platformă de calcul embedded puternică pentru a gestiona toate aceste sarcini de lucru în timp real. În plus, este posibil să fie necesară și conectarea cu sistemele de control centrale prin intermediul comunicațiilor prin satelit.
Deoarece dimensiunea este strict limitată, iar consumul redus de putere trebuie să fie cât mai mic posibil, inginerii specializați în proiectarea dronelor caută o platformă de calcul de înaltă performanță pentru a răspunde acestor cerințe conflictuale. Platforma trebuie să fie, de asemenea, un produs standard care să fie la fel de interschimbabil precum camera sau alte echipamente funcționale utile. În plus, aceasta trebuie să răspundă cât mai bine posibil cerințelor specifice de interfațare, procesare și stocare. Inginerii solicită flexibilitate ridicată în proiectare și scalabilitate, pe măsură ce noile tehnologii privind dispozitivele funcționale de la bordul dronelor evoluează pentru a permite îmbunătățirea nucleului de calcul. Soluția este utilizarea unui computer-pe-modul (COM).
Avantajul oferit de aceste module este acela că sunt disponibile ca super-componente gata pentru aplicație. Într-un singur pachet validat din punct de vedere funcțional, acestea dispun de toate elementele de bază și interfețele esențiale ale unui computer embedded. Producătorii OEM pot cumpăra COM-uri cu toate pachetele de suport pentru plăci (BSP – Board Support Package) necesare, inclusiv drivere și instrumente software. Adesea, se oferă și accesorii opționale, cum ar fi soluții de răcire personalizate și plăci purtătoare (carrier) de evaluare. Această capabilitate ajută la o simplificare considerabilă a procesului de proiectare, reduce riscurile de proiectare și îmbunătățește timpul de lansare pe piață, fără a renunța la flexibilitatea proiectării.
Standarde COM deschise
Figura 2: Noul factor de formă COM-HPC Mini va permite o nouă clasă de performanță pentru drone. Pe o amprentă un pic mai mare (95×70mm), acesta dispune de 400 de pini pe placa purtătoare – cu 81% mai mult decât COM Express Mini sau alți factori de formă precum SMARC sau Qseven. (Sursă imagine: congatec)
Odată cu aprobarea specificației COM-HPC 1.2 pentru formatul COM-HPC Mini, PICMG a extins considerabil capabilitățile legate de performanță ale modulelor COM Express Mini existente într-un factor de formă mai compact. Noul modul răspunde, astfel, nevoilor de performanță în continuă evoluție ale inginerilor specializați în domeniul dronelor (Figura 2).
COM-HPC Mini oferă, de asemenea, multe interfețe pe care COM Express Mini nu le poate asigura. Acestea includ USB 3.2 cu 20 Gbiți/s, USB 4.0 cu 40 Gbiți/s, PCIe Gen 5/6 cu până la 16 benzi (lane-uri), NVMe și multe altele. Cu un conector de mare viteză de 400 de pini, COM-HPC Mini poate suporta rate de transfer de peste 32 Gbiți/s, suficient pentru a suporta PCIe Gen 5.0 sau chiar Gen 6.0. În comparație cu COM Express Basic sau Compact, care ambele oferă câte 440 de pini, este disponibilă 90% din capacitatea modulelor client complete Type 6 sau a modulelor server edge headless (Type 7). Cine nu are nevoie de 100% din capacitate poate, în consecință, să migreze către o soluție mai economică sau mai adecvată nevoilor curente, fără a compromite performanța.
Totuși, performanța și conectivitatea nu sunt singurele criterii de proiectare convingătoare. Un aspect și mai important este că tehnologia COM-HPC Mini – la fel ca COM Express Mini – este un standard independent de furnizor, proiectat pentru a aduce performanța procesoarelor comerciale de ultimă generație în domeniul industrial prin utilizarea foilor de parcurs embedded ale furnizorilor de procesoare precum Intel sau AMD. Aceste dispozitive asigură modele extrem de flexibile, care permit personalizări individuale într-un timp mult mai scurt, deoarece oferă un nucleu de calcul gata pentru aplicație într-un factor de formă standardizat, de mărimea unei cărți de credit. Toate modulele oferă aceleași interfețe la aceiași pini, ceea ce le face ușor interschimbabile. Această flexibilitate ajută la scalabilitate și la upgrade-uri pentru generația următoare de procesoare. Tot ceea ce trebuie făcut este să se schimbe modulul.
Module COM pentru flexibilitate și scalabilitate
Interfețele personalizate sunt implementate pe plăcile purtătoare (carrier) ale modulului. Desigur, acest lucru necesită o placă purtătoare adaptată nevoilor utilizatorului, ceea ce generează costuri de inginerie nerecurente (NRE). Oricum, proiectarea acestor PCB-uri este mult mai puțin complexă decât construirea unui computer pe o singură placă (SBC) complet personalizat, cu toate implementările logice necesare pe care revânzătorii de computere-pe-module cu valoare adăugată le oferă ca serviciu standard.
Uneori, nici măcar nu este nevoie de o placă purtătoare personalizată. De exemplu, un partener de ecosistem al congatec a putut utiliza pentru dronele sale o placă purtătoare COM Express Type 10 standard. Acesta este un avantaj major, deoarece astfel de plăci purtătoare sunt disponibile imediat, fiind livrate, de obicei, în termen de 2-3 zile de la primirea comenzii. Utilizarea unei plăci purtătoare standard are ca rezultat o platformă care este imediat gata de implementare, deoarece funcționarea acesteia cu modulul preferat a fost deja dovedită.
Unul dintre principalele motive pentru alegerea acestei plăci purtătoare a fost că are exact aceeași amprentă (84×55 mm) ca a modulului COM Express Mini. Acest lucru este ideal pentru aplicațiile cu spațiu limitat din drone. De asemenea, este proiectată pentru medii dificile cu condiții exigente și suportă intervale de temperatură extinse între -40°C și +85°C.
Viitorul oferit de soluția COM-HPC Mini
Figura 3: Odată cu disponibilitatea modulelor COM-HPC Mini de la congatec, partenerii din ecosistem intenționează să lanseze plăci purtătoare “form-fit-function”. (Sursă imagine: congatec)
În prezent, modulele COM Express de la congatec, având diverse clase de performanță, sunt implementate în drone pentru a efectua sarcini de calcul precum executarea înregistrărilor și gestionarea comunicației prin satelit cu operatorii centrali. Această abordare modulară permite dezvoltatorilor de drone să actualizeze toate procesoarele echipamentelor funcționale în câteva secunde, prin simpla schimbare a modulului.
Odată cu apariția noilor module COM-HPC Mini, imaginați-vă că partenerul de ecosistem lansează aceeași placă purtătoare cu interfețe identice (Figura 3). În acest caz, producătorul de drone ar putea face un nou upgrade la noua clasă de performanță COM-HPC achiziționând totul de pe raft. Nu credeți că ar fi o idee extraordinară?
Pentru moment, doar placa purtătoare ar trebui să se adapteze la noul standard COM-HPC 1.2. Toate componentele ar putea rămâne la fel dacă cerințele de performanță rămân neschimbate. Dar, până la urmă, costurile NRE care ar trebui cheltuite sunt gestionabile și mult mai mici decât în cazul unei proiectări personalizate complete. Desigur, având în vedere că modulele COM Express Mini și plăcile purtătoare COTS (Commercial Off-The-Shelf) existente au o amprentă puțin mai mică decât noul standard COM-HPC, care este de 95×70 mm, nu este posibil să se ajungă la o potrivire exactă a dimensiunilor. Cu toate acestea, pe baza principiului Pareto, 80% dintre plăcile purtătoare COM Express Mini disponibile la nivel mondial ar putea fi adaptate în acest fel. Astfel, securitatea pe termen lung a proiectării va fi întotdeauna garantată, chiar și dincolo de un factor de formă standard.
