Дроны стали универсальными и мощными инструментами для воздушного мониторинга в различных отраслях. Оснащённые передовыми датчиками и камерами, они играют ключевую роль в сборе данных о конкретных объектах для разведки при стихийных бедствиях, правоохранительных органов, сельского хозяйства, картографирования и многого другого. В зависимости от применения данные могут быть сохранены и проанализированы для последующего изучения или обработаны на борту дрона для предоставления оперативных и полезных сведений, необходимых для принятия решений в реальном времени во время текущей операции.
Применение дронов для наблюдения
Для различных сценариев использования дроны должны быть гибко настроены с учётом различных полезных нагрузок. Например, береговая охрана использует полезные нагрузки с радиочастотными (RF) датчиками для улавливания сигналов морского бедствия. Мультиспектральные датчики, способные одновременно захватывать пять отдельных диапазонов цветов, идеально подходят для аграрного анализа. А гидроспектральные датчики полезны для выявления вредных цветений водорослей в озёрах. Обширные наборы данных, полученные с помощью лидаров (LiDAR), необходимы для 3D-моделирования ландшафтов, что особенно полезно для геонаук, ландшафтных и городских строительных проектов.
Концепция специализированных полезных нагрузок является стандартным принципом проектирования, который охватывает все эти сценарии. Благодаря таким системам можно за считанные секунды установить подходящую полезную нагрузку на различные дроны, которые решают задачи с разными требованиями к полётам. Некоторые задачи требуют высокоманёвренных дронов с вертикальным взлётом, другие — более традиционные конфигурации самолётов или даже амфибийные модели.
Если отдельные компоненты полезных нагрузок также разработаны с учётом модульности, это позволяет быстро конфигурировать систему для выполнения конкретной задачи. Однако следует учитывать несколько моментов, особенно если эти полезные нагрузки будут использоваться в опасных условиях.
Основные проблемы при проектировании полезных нагрузок
Проектирование таких полезных нагрузок является непростой задачей, поскольку требования к прочности и высокой производительности противоречат ограничениям по размеру, весу, мощности и стоимости (SWaP-C). Встроенная электроника в таких системах должна выдерживать широкий диапазон температур от -40°C до +85°C, так как под палящим летним солнцем они могут значительно нагреваться.
Для управления полётом, а также для обработки и хранения данных требуется мощная встроенная вычислительная платформа, способная управлять всеми рабочими нагрузками в реальном времени. Кроме того, может потребоваться подключение к центральным системам управления через спутниковую связь.
Поскольку размер строго ограничен, а энергопотребление должно быть минимальным, инженеры ищут высокопроизводительную вычислительную платформу, которая могла бы удовлетворить эти противоречивые требования. Она также должна быть стандартным продуктом, который можно легко заменить, как камеру или другие элементы полезной нагрузки. Платформа должна максимально соответствовать требованиям к интерфейсу, обработке данных и хранению. Инженерам необходима высокая гибкость и масштабируемость дизайна, чтобы обновлять вычислительные ядра по мере появления новых технологий. Решением является использование компьютеров-на-модулях (COM).
Преимущество COM в том, что они доступны «с полки» как готовые к применению суперкомпоненты. В компактном и проверенном на функциональность пакете они содержат все критически важные элементы и интерфейсы встроенного компьютера. Оригинальные производители оборудования (OEM) могут приобрести COM с полным пакетом поддержки плат (BSP), включая драйверы и программные инструменты. Часто также предлагаются дополнительные аксессуары, такие как системы охлаждения и платы-носители для тестирования. Такая возможность значительно упрощает процесс встраивания, снижает риски проектирования и ускоряет вывод продукта на рынок, не жертвуя при этом гибкостью дизайна.
Открытые стандарты COM
С утверждением спецификации COM-HPC 1.2 в формате COM-HPC Mini организация PICMG значительно расширила возможности существующих модулей COM Express Mini в более компактном форм-факторе. Новый модуль отвечает постоянно растущим требованиям к производительности со стороны инженеров, разрабатывающих дроны.
COM-HPC Mini также предлагает множество интерфейсов, которые недоступны в COM Express Mini. Среди них USB 3.2 со скоростью до 20 Гбит/с, USB 4.0 со скоростью до 40 Гбит/с, PCIe Gen 5/6 с поддержкой до 16 линий, NVMe и многое другое. Благодаря высокоскоростному разъёму на 400 контактов, COM-HPC Mini поддерживает скорости передачи данных более 32 Гбит/с, что достаточно для PCIe Gen 5.0 или даже Gen 6.0. По сравнению с COM Express Basic или Compact, которые имеют по 440 контактов, COM-HPC Mini обеспечивает 90% возможностей полнофункциональных клиентских модулей Type 6 или серверных модулей для периферийных устройств Type 7. Таким образом, те, кому не требуется 100% возможностей, могут перейти на новый формат.
Однако производительность и возможности подключения — не единственные важные критерии дизайна. Ещё более значимо, что COM-HPC Mini, как и COM Express Mini, является стандартом, независимым от поставщиков, который позволяет использовать высокопроизводительные коммерческие процессоры в промышленной сфере благодаря внедрению дорожных карт от производителей процессоров, таких как Intel или AMD. Эти модули позволяют разрабатывать высокофункциональные и гибкие решения с возможностью индивидуальной настройки за значительно меньшее время, поскольку они представляют собой готовое к применению вычислительное ядро в стандартном форм-факторе размером с кредитную карту. Все модули предлагают одинаковые интерфейсы на одинаковых контактах, что делает их легко взаимозаменяемыми. Такая гибкость упрощает масштабирование и обновление до следующего поколения процессоров — для этого достаточно заменить модуль.
Модули COM: гибкость и масштабируемость
Пользовательские интерфейсы реализуются на платах-носителях модулей. Конечно, это требует разработки специализированной платы-носителя, что влечет за собой единовременные затраты на проектирование (NRE). Однако разработка таких печатных плат значительно менее сложна, чем создание полностью кастомизированного одноплатного компьютера (SBC) со всей необходимой логикой, что поставщики решений на базе компьютеров-на-модуле (Computer-on-Modules) предлагают в качестве стандартной услуги.
Иногда необходимость в специализированной плате-носителе и вовсе отсутствует. Например, один из партнеров экосистемы congatec смог использовать готовую плату-носитель, совместимую со стандартом COM Express Type 10, для своих дронов. Это является большим преимуществом, поскольку такие платы-носители легко доступны и обычно доставляются в течение 2-3 дней с момента получения заказа. Использование готовой платы-носителя позволяет получить платформу, готовую к немедленному развертыванию, так как ее работоспособность с выбранным модулем уже проверена.
Одной из ключевых причин выбора именно этой платы-носителя было то, что она имеет точно такие же габариты (84×55 мм), как и модуль COM Express Mini. Это идеально подходит для дронов, где пространство ограничено. Плата также предназначена для работы в жестких условиях эксплуатации и поддерживает расширенный диапазон рабочих температур от -40°C до +85°C.
Будущее с COM-HPC Mini
Сегодня различные по производительности модули congatec COM Express используются в дронах для выполнения вычислительных задач, таких как обработка записей и управление спутниковой связью с операторами на земле. Этот модульный подход позволяет разработчикам дронов обновлять все процессоры полезной нагрузки за считанные секунды, просто заменяя модуль.
Представьте, что с новыми модулями COM-HPC Mini партнер экосистемы выпустит ту же самую плату-носитель с идентичными интерфейсами. В этом случае производитель дронов сможет снова перейти на новый класс производительности COM-HPC, приобретая все компоненты из стандартного ассортимента. Согласитесь, это было бы впечатляюще!
На данный момент только плату-носитель потребуется адаптировать к новому стандарту COM-HPC 1.2. Все остальные компоненты могут остаться прежними, если требования к производительности не изменятся. Но в конечном итоге, необходимые затраты на проектирование (NRE) будут управляемыми и значительно ниже, чем при полной разработке с нуля.
Конечно, поскольку COM Express Mini и существующие готовые платы-носители имеют немного меньшие габариты, чем новый стандарт COM-HPC (95×70 мм), достичь точного соответствия размеров невозможно. Однако, основываясь на принципе Парето, можно утверждать, что 80% плат-носителей COM Express Mini, доступных на мировом рынке, могут быть адаптированы таким образом. Таким образом, долгосрочная надежность конструкции всегда будет гарантирована, даже при выходе за рамки стандартного форм-фактора.
