Cómo mejorar rápidamente el rendimiento de los drones y extender el tiempo de vuelo usando un controlador de drones SiP

A medida que más aviones teledirigidos a batería surcan los cielos, existe una presión competitiva sobre los fabricantes de aviones teledirigidos para que amplíen la funcionalidad y el rendimiento de sus diseños, y al mismo tiempo minimicen el consumo de energía para prolongar el tiempo de vuelo. Para satisfacer la demanda del mercado, los diseñadores están añadiendo acelerómetros y giroscopios más precisos y exactos y actualizando el firmware asociado para aprovechar los sensores mejorados. La capacidad física de los aviones teledirigidos también se está ampliando para incluir el transporte de paquetes y equipo, lo que requiere una mayor estabilidad y rutinas de frenado en aire para hacer frente al aumento de peso.

El problema para los diseñadores es que el peso añadido del dron, junto con los requisitos de computación añadidos, aumenta el consumo de energía, lo que a su vez reduce el tiempo de vuelo posible para un determinado tamaño de batería. Las características adicionales, las capacidades y la electrónica asociada también aumentan el tiempo de desarrollo y el costo de la prueba.

La solución se encuentra en una mayor integración. Este artículo presentará una solución de sistema en paquete (SiP) de Octavo Systems que es básicamente una pequeña computadora drone. El artículo mostrará cómo las características de esta solución autónoma pueden utilizarse para ahorrar un espacio significativo y reducir el peso para prolongar el tiempo de vuelo, a la vez que se reduce la lista de materiales (BOM), el inventario, el tiempo de desarrollo y los costos de las pruebas.

Tecnología de los drones

Las aplicaciones de los aviones teledirigidos están en constante expansión, desde pequeños aviones teledirigidos orientados al consumidor con cámaras para fotos de familia o competiciones amistosas, hasta funciones más desafiantes como la entrega de paquetes para mensajeros, el seguimiento del ganado para los ganaderos, la vigilancia de los cultivos para los agricultores, la vigilancia de las cambiantes costas para los ecologistas y las operaciones de búsqueda y rescate para los equipos de primeros auxilios. Independientemente de la aplicación, la vida de la batería, en relación con el tiempo de vuelo, es uno de los factores más críticos en la selección de los drones.

La duración de la batería está obviamente relacionada con el peso del avión teledirigido, por lo que los aviones teledirigidos utilizan los materiales más ligeros posibles que pueden mantener la estructura del avión mientras se encuentran bajo el estrés y la tensión del vuelo con motor. Este enfoque en el peso ligero se extiende desde la integridad estructural hasta la electrónica que controla el dron.

Para una correcta dinámica de vuelo, el dron debe estar bien equilibrado distribuyendo uniformemente el peso del chasis y los componentes electrónicos integrados. Cuanto más pequeña sea la electrónica, más fácil es equilibrar el peso del drone. Idealmente el centro de gravedad está en el centro físico de la aeronave. Cualquier desequilibrio de peso, por pequeño que sea, debe compensarse ajustando las velocidades de la hélice, y estos ajustes a lo largo del tiempo consumen energía adicional y roban al usuario un valioso tiempo de vuelo.

Los consumidores y la mayoría de los aviones teledirigidos comerciales utilizan la tecnología Wi-Fi para el control y la transferencia de datos. Cuanto más lejos pueda volar un dron, más potencia debe emitir la radio Wi-Fi para mantener al drone en contacto con su controlador, lo cual es otro consumo de energía de la batería.

Sensores y procesamiento de drones

Mientras que los fabricantes de drones buscan reducir el peso y el costo de sus sistemas, los usuarios están ansiosos por tener más funcionalidad y un mayor rendimiento, lo que hace que el dron y su firmware sean más complejos. Esto aumenta la cantidad y el peso de la electrónica integrada, mientras que también afecta al equilibrio del drone.

Por ejemplo, los drones generalmente utilizan una variedad de sistemas microelectromecánicos (MEMS) y otros sensores para mantener un vuelo estable mientras monitorean el curso y la velocidad (Figura 1). Se utiliza un módulo del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) para determinar la ubicación y dirección de las aeronaves; se utilizan giroscopios para medir la inclinación y el viraje; los acelerómetros miden la aceleración de los aviones teledirigidos y las fuerzas de choque; los barómetros se utilizan para medir la presión del aire a fin de ayudar a determinar la velocidad óptima de rotación de la hélice para las condiciones atmosféricas actuales -una presión atmosférica más baja requiere una velocidad más rápida del rotor mientras que una presión atmosférica alta requiere una velocidad más lenta-; y la cámara y los sensores de proximidad permiten detectar y evitar obstáculos. Además, se pueden utilizar múltiples sensores redundantes por razones de seguridad.

Figura 1: Un moderno avión teledirigido de cuatro hélices tiene una amplia variedad de sensores MEMS, al menos una cámara, una tarjeta de memoria externa para el firmware del microcontrolador o para almacenar fotos, y controladores de motor para las hélices. (Fuente de la imagen: Octavo Systems)

Las salidas de cada uno de estos sensores se alimentan a los microcontroladores que operan el drone. Los microcontroladores deben procesar todas estas entradas de sensores y utilizarlas para determinar la forma más eficiente de alimentar los motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) que impulsan las hélices. Sin embargo, a medida que la tecnología de los sensores mejora cada año, los fabricantes de drones están poniendo los últimos y más precisos sensores en sus nuevos drones. Esto requiere un firmware más complejo para aprovechar las capacidades mejoradas de estos sensores. Además, el firmware de control de vuelo siempre está mejorando, especialmente para los drones autónomos. Todas estas mejoras no solo amplían la cantidad de firmware, sino que también requieren una mayor potencia de procesamiento y una memoria significativamente mayor para procesar los datos con precisión.

La expansión de la electrónica y la funcionalidad desafía a los ingenieros a encontrar una solución de menor potencia y pequeño tamaño que pueda satisfacer el aumento de la demanda, manteniendo al mismo tiempo los costos de desarrollo y prueba al mínimo.

Dispositivos de drones de SiP

La solución para el aumento de la funcionalidad es un mayor nivel de integración electrónica. Con este fin, Octavo Systems desarrolló la familia OSD32MP15x de sistemas informáticos autónomos orientados a los drones en un solo paquete. Por ejemplo, el OSD32MP157C-512M-BAA es un poderoso dispositivo que contiene una combinación de más de 100 componentes discretos e individuales del dado en un solo paquete de matriz de rejilla esférica (BGA) de 18 milímetros (mm) x 18 mm (Figura 2).

Figura 2: El OSD32MP157C-512M-BAA de Octavo Systems es un sistema completo de drones en un solo paquete, con una combinación de más de 100 componentes discretos y de matriz en un paquete de 18 mm x 18 mm. (Fuente de la imagen: Octavo Systems)

El OSD32MP157C-512M-BAA tiene dos núcleos de Arm® Cortex®-A7 que funcionan a 800 megahercios (MHz) (Figura 3). Esta es suficiente potencia de procesamiento para los drones de muy alto rendimiento y permite el procesamiento sin problemas de los datos de los sensores, mientras que simultáneamente envía señales precisas y constantemente cambiantes de modulación de ancho de pulso (PWM) a los cuatro conductores que alimentan los motores de hélice BLDC. Cada núcleo de la Corteza-A7 tiene 33 kilobytes (Kbytes) de caché de instrucciones L1 y 32 Kbytes de caché de datos L2. Los núcleos comparten 256 Kbytes de caché de L2. El firmware de control de vuelo puede ser recursivo, y esta cantidad de caché acelera significativamente la navegación y el procesamiento de fusión de sensores.

Un tercer procesador adicional, un Cortex-M4 de 209 MHz con una unidad de punto flotante (FPU), también está incluido en el paquete y puede utilizarse para el procesamiento auxiliar, como la gestión de la cámara, la supervisión de la batería y el control de las comunicaciones Wi-Fi. Hay tres interfaces de tarjetas eMMC/SD disponibles para conectar a tarjetas flash externas como la memoria microSD. Esto es útil para cargar el firmware en el SiP, así como para almacenar fotos y videos de la cámara, grabación de datos de vuelo, registros de eventos y registros de sensores MEMS.

La memoria adicional para los núcleos del procesador incluye 256 Kbytes de RAM del sistema y 384 Kbytes de RAM del microcontrolador. También hay 4 Kbytes de RAM con batería y 3 Kbytes de memoria programable de una sola vez (OTP) disponibles para la personalización del dispositivo, como el número de serie de un avión teledirigido o los paquetes de opciones.

Figura 3: El OSD32MP157C-512M de Octavo Systems es una computadora altamente integrada en un solo dispositivo, apropiada para sistemas de drones de alto rendimiento. (Fuente de la imagen: Octavo Systems)

Las interfaces de memoria de programas flash externos incluyen dos interfaces QSPI y una interfaz flash NAND externa de 16 bits con soporte para código de corrección de errores de 8 bits (ECC). Esto permite un fácil acceso a la memoria flash externa mientras se protege contra la corrupción de la memoria o la manipulación.

Se pueden utilizar dos interfaces USB 2.0 de alta velocidad para la configuración y depuración del dispositivo, y también para la memoria flash USB externa si se necesita un almacenamiento de datos adicional.

La DRAM DDR3L de alta velocidad de 512 megabytes (Mbytes) se utilizan como memoria de programa para los núcleos integrados de Cortex. La DRAM puede ser cargada en el arranque desde cualquiera de las interfaces de memoria flash externa. Esto proporciona suficiente memoria de programa para un firmware de datos de vuelo de alto rendimiento. La memoria del programa puede ser ejecutada en cualquiera de las interfaces de memoria externa, pero el firmware siempre se ejecutará significativamente más rápido al agotarse la DRAM.

La EEPROM de 4 Kbytes pueden usarse para almacenar datos de calibración del sensor, constantes de control de vuelo y datos de registro de vuelo. Una función de protección de la memoria evita que se escriban inadvertidamente en la EEPROM protegida.

Varios elementos de seguridad aseguran la seguridad del sistema. Un módulo Arm TrustZone junto con el soporte de encriptación AES-256 y SHA-256 puede utilizarse para asegurar la integridad del firmware durante las actualizaciones, así como para encriptar los datos en la tarjeta flash externa. El OSD32MP157C-512M soporta un arranque seguro para la seguridad del firmware y un reloj seguro en tiempo real (RTC) para evitar la manipulación de la base de tiempo del dron.

Una amplia variedad de puertos seriales incluyen seis SPI, seis I²C, cuatro UART, y cuatro interfaces USART que pueden conectarse a sensores MEMS y módulos GPS. Dos convertidores analógico-digitales (ADC) independientes de 22 canales y 16 bits permiten la interconexión con sensores analógicos como termistores y sensores de velocidad del viento, que también pueden realizar la detección de corriente y el control de motores en bucle cerrado. Tres interfaces I²S permiten la interconexión con dispositivos de audio como altavoces o timbres. La interfaz de la cámara permite una conexión sencilla a la mayoría de los módulos de cámara RGB.

El OSD32MP157C-512M también integra todos los componentes discretos necesarios para el sistema, incluyendo resistencias, capacitores, inductores y perlas de ferrita. Esto permite utilizar un mínimo de componentes externos discretos para construir un sistema de drones.

Para el control de motores PWM, el OSD32MP157C-512M incluye dos temporizadores de control de motores avanzados de 16 bits, quince temporizadores de 16 bits y dos temporizadores de 32 bits. Esto proporciona suficientes señales PWM para controlar los motores de hélice BLDC con un alto grado de precisión, así como cualquier actuador, p. ej., motores de posicionamiento de cámaras o brazos robóticos.

Suministro del OSD32MP15x

El OSD32MP157C-512M solo requiere una única fuente de alimentación de 2.8 a 5.5 voltios, lo que lo hace apropiado para las baterías estándar de iones de litio de 3.7 voltios. Un chip de gestión de energía interna proporciona los voltajes necesarios para todos los componentes internos separados. Con ambos núcleos del Cortex-A7 y el Cortex-M4 funcionando a la máxima velocidad del reloj y todos los periféricos operando, el OSD32MP157C-512M consumirá un máximo de 2 amperios (A). Debido al alto nivel de integración y a las numerosas opciones operativas, no se puede estimar un escenario típico de consumo de corriente, dejando al desarrollador la tarea de determinar cuál será el consumo de corriente para una aplicación concreta.

El OSD32MP157C-512M tiene un menor consumo de corriente en comparación con la misma funcionalidad implementada usando componentes discretos en una placa de circuito. Esto se debe en gran medida al hecho de que el uso de un solo troquel en un SiP empaquetado estrechamente en lugar de componentes empaquetados reduce drásticamente la corriente de fuga, y también reduce la pérdida de energía en la resistencia de la placa de circuito impreso.

La clasificación de las descargas electrostáticas (ESD) de la familia OSD32MP15x es de ±1000 voltios en el modelo de cuerpo humano (HBM) y de ±500 voltios en el modelo de dispositivo cargado (CDM). Por esta razón, el dispositivo debe ser manejado con extremo cuidado. Se recomienda encarecidamente que los dedos no toquen nunca los puntos de contacto de la rejilla de la bola y que el dispositivo solo se maneje por los bordes, y sólo cuando sea necesario. La familia de dispositivos de SiP OSD32MP15x también es sensible a la humedad. Se recomienda sellar la electrónica del dron, lo que también es una buena idea para la electrónica del dron en general, ya que pueden entrar en contacto con una alta humedad, vapor de agua, nubes o lluvia.

Para los drones de mayor rendimiento, Octavo Systems ofrece el dispositivo OSD3358-1G-ISM SiP. Ofrece una funcionalidad similar a la del OSD32MP157, pero tiene un Cortex-A8 dual de 1 gigahercio (GHz) más potente con una DRAM de gigabyte (Gbyte) en un paquete BGA de 21 mm x 21 mm. Debido al alto rendimiento de los dos núcleos Cortex-A8, no incluye el procesador adicional de Cortex-M4.

Desarrollo del SiP de Octavo

Para el desarrollo del código, Octavo proporciona la placa de la plataforma de prototipado flexible OSD32MP1-BRK (Figura 4). La placa contiene un OSD32MP157C-512M SiP y cabezales de expansión para conectar a 106 de las E/S digitales y señales periféricas externas.

Figura 4: El OSD32MP1-BRK de Octavo es una plataforma de prototipos flexible para la familia de dispositivos de drones de SiP OSD32MP15x. Tiene una ranura para una tarjeta microSD y un puerto micro USB para el desarrollo y la depuración. (Fuente de la imagen: Octavo Systems)

Una ranura para tarjetas microSD permite a la tarjeta de desarrollo cargar memoria de programa flash externa en la DRAM del OSD32MP517-512M. Un puerto micro USB se utiliza para el desarrollo y la depuración del firmware y también proporciona energía a la placa. Los interruptores de modo de arranque determinan si el dispositivo arrancará desde la tarjeta microSD o desde cualquiera de las interfaces de memoria externa disponibles en los cabezales de expansión.

Conclusión:

A medida que los fabricantes de aviones teledirigidos continúan mejorando las capacidades de sus sistemas, los desarrolladores se enfrentan a un reto cada vez mayor para proporcionar esas capacidades y, al mismo tiempo, reducir al mínimo el consumo de energía y el costo a fin de ofrecer la mejor experiencia al usuario final.

Como se muestra, los ordenadores de un solo dispositivo, los drones de SiP de alto rendimiento proporcionan un nivel de integración muy alto. Esto simplifica el proceso de diseño, al tiempo que hace que el drone sea más ligero y más fácil de equilibrar, reduciendo así el consumo de corriente y ampliando el tiempo de vuelo, un requisito muy valorado por los usuarios finales.