Amazon Prime Air是亞馬遜正在部分地區(qū)測試的無人機(jī)快遞服務(wù)，這種專門針對快遞業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的UAV采用復(fù)雜的“感應(yīng)和避免碰撞”技術(shù)，以高度自動(dòng)化的工作方式在低于120米的高空飛行，可在30分鐘內(nèi)將重達(dá)2.3公斤的包裹安全地送達(dá)客戶手中，服務(wù)范圍在16公里以內(nèi)。
圖一：Amazon Prime Air服務(wù)所使用的無人機(jī)型號(hào)之一（來源：Amazon）
民用無人機(jī)市場預(yù)測
無論是亞馬遜的專業(yè)快遞無人機(jī)，還是大疆的消費(fèi)娛樂無人機(jī)，都是廣泛意義的UAV市場的分支。據(jù)市場調(diào)研公司Tractica的UAV統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球UAV數(shù)量將從現(xiàn)今約8萬架增長到2025年的270萬架，年銷售額高達(dá)82億美元。另據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，不考慮軍用無人機(jī)，單就中國民用無人機(jī)市場來說，2018年市場規(guī)模將超過100億元，預(yù)計(jì)到2020年可以增長到600億元，而到2025年將高達(dá)1800億元。
什么是SWaP？
無人機(jī)市場的飛速增長也在驅(qū)動(dòng)著UAV復(fù)合材料和航空電子技術(shù)的發(fā)展。UAV設(shè)計(jì)的電子部分涉及計(jì)算處理、通信、傳感、成像和電源管理等。無論采用哪種技術(shù)方案，UAV設(shè)計(jì)都必須應(yīng)對SWaP的挑戰(zhàn)。SWaP代表尺寸(Size)、重量(Weight)和電源(Power)的縮寫，是UAV設(shè)計(jì)要考慮的重要因素。本文將從微處理器、傳感器、RF和微波器件，以及電源等技術(shù)角度來探討應(yīng)對SWaP挑戰(zhàn)的方法。
SWaP的首要挑戰(zhàn)：系統(tǒng)模塊(SOM)
除了計(jì)算處理性能和網(wǎng)絡(luò)通信功能外，UAV設(shè)計(jì)還對核心處理器系統(tǒng)有穩(wěn)定性和安全方面的嚴(yán)格要求。做為通用的嵌入式計(jì)算平臺(tái)，NXP QorIQ系列通信處理器已被證明可以滿足這些要求。QorIQ微處理器包括基于64位e5500 Power Architecture處理器內(nèi)核的T系列，以及基于ARM CORTEX A72內(nèi)核的Layerscape系列，特別適用于低功耗、高處理性能的混合控制和數(shù)據(jù)應(yīng)用，比如交換機(jī)、路由器和互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備等。例如，以Teledyne e2v 公司名為Qormino系列的新通用計(jì)算平臺(tái)解決方案，結(jié)合強(qiáng)大的PowerPC或ARM的多核微處理器(具高密度DDR4內(nèi)存)也是理想的嵌入式計(jì)算平臺(tái)，適用于工業(yè)控制和航空航天等高可靠性應(yīng)用。
雖然NXP為設(shè)計(jì)工程師在微處理器解決方案上提供了完整的參考設(shè)計(jì)板和軟硬件開發(fā)平臺(tái)，但針對像UAV無人機(jī)這樣的高可靠性嵌入式計(jì)算應(yīng)用，有不少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富的服務(wù)商在為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供更為專業(yè)和定制化的系統(tǒng)級(jí)模塊(SOM)及相應(yīng)服務(wù)，其中包括荷蘭的Sintecs公司開發(fā)的參考設(shè)計(jì)板和法國的Teledyne e2v公司的Qormino產(chǎn)品。圖二對參考設(shè)計(jì)板做了尺寸上的對比。由于可見的內(nèi)存模塊整合，Qormino擁有巨大的尺寸優(yōu)勢。這表明Qormino在應(yīng)對SWaP挑戰(zhàn)上，克服了尺寸這個(gè)首要障礙。
圖二：QorIQ T1040微處理器+4GB存儲(chǔ)器的參考設(shè)計(jì)板尺寸對比（來源：Teledyne e2v）
下面我們以Teledyne e2v開發(fā)的QorminoQT1040-4GB系統(tǒng)模塊為例來說明UAV設(shè)計(jì)中的SWaP問題是如何被逐一解決的。Qormino是一種小尺寸、低功耗和具強(qiáng)大處理性能的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)模塊，在44X26mm的內(nèi)插上集成了QorIQ系列微處理器和4GB DDR存儲(chǔ)器，特別適合軍用和民用無人機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)。Qormino QT1040-4GB系統(tǒng)模塊的性能特點(diǎn)如下表所示：
圖三：Qormino T1040-4GB的功能特性
在軟硬件開發(fā)環(huán)境方面，Qormino受惠于大量來自NXP和第三方的軟件和工具。Qormino支持NXP成熟的Linux SDK和業(yè)界主流的RTOS外(需通過特定的bootloader和BSP)，更簡化和加快了UAV這類高性能和高可靠性應(yīng)用的開發(fā)。
圖四：與Qormino配套的完整S/W開發(fā)平臺(tái)（來源：Teledyne e2v）
Qormino系列通用計(jì)算平臺(tái)解決方案除了支持以上提到的NXP QorlQ T1040 PowerPC處理器內(nèi)核外，也可以根據(jù)客戶要求提供基于ARM Cortex A-72內(nèi)核的NXP LS1046處理器。對于需要不同處理器和內(nèi)存容量的UAV設(shè)計(jì)需求，Teledyne e2v能開發(fā)特定的解決方案?？傊?，Qormino系列的靈活方案可以幫助客戶設(shè)計(jì)出高端的無人機(jī)。
Qormino QT1040-4GB嵌入式計(jì)算方案可為UAV設(shè)計(jì)帶來如下益處：
1. 計(jì)算加速
? 創(chuàng)新的數(shù)據(jù)路徑加速結(jié)構(gòu)(DPAA)技術(shù)可有效管理數(shù)據(jù)流，平衡計(jì)算負(fù)荷到指定的內(nèi)核；
? AltiVec技術(shù)采用復(fù)雜的算法對密集的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行加速處理，從而大大提升雷達(dá)和成像等信號(hào)的并行處理性能；
? 板上集成的4GB DDR4存儲(chǔ)器可以支持高達(dá)1600MT/s的數(shù)據(jù)傳輸率，而且有效解決了分離存儲(chǔ)器的接口和時(shí)序偏差問題。
2. 硬件虛擬化
? 同時(shí)支持多個(gè)OS工作；
? 三級(jí)指令：用戶、管理員和超級(jí)管理員，以協(xié)調(diào)多個(gè)虛擬機(jī)(VM)運(yùn)行；
? 處理器分區(qū)以保證系統(tǒng)冗余。
3. 高級(jí)通信互聯(lián)支持
? 內(nèi)置多個(gè)航空和軍事系統(tǒng)所需的外設(shè)接口，包括ARINC 429；
? 8個(gè)5 Gbps Serdes總線支持超高速雙向鏈接；
? 4個(gè)v2.0 PCI express控制器可與外部ASIC或FPGA配合工作。
4. 高可靠性和使用壽命管理
? 專有的半導(dǎo)體生命周期管理（SLiM）服務(wù)可為UAV開發(fā)商提供長達(dá)15年的元器件供應(yīng)保障；
? 經(jīng)過驗(yàn)證的原廠元器件的集中管理和安全供應(yīng)；
? 有效防止元器件仿冒，降低系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)。
SWaP的其它挑戰(zhàn)：傳感器、RF/微波器件以及電源管理
傳感器
UAV要實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的感應(yīng)和避免碰撞，就需要很多傳感器來采集飛行數(shù)據(jù)和提供及時(shí)的運(yùn)行反饋，包括氣流傳感器、慣性測量傳感器、傾斜傳感器、磁感應(yīng)器，以及引擎進(jìn)氣感應(yīng)器等。笨重的傳感器不但增加UAV整機(jī)的重量，而且會(huì)造成飛行不平衡和不穩(wěn)定等諸多問題，其功耗對電源供電和續(xù)航能力也有負(fù)面影響。所有這些問題都驅(qū)使傳感器供應(yīng)商開發(fā)更低功耗、微小輕便的傳感器以應(yīng)對UAV設(shè)計(jì)提出的這一挑戰(zhàn)。
天線陣列、RF/微波器件
UAV設(shè)計(jì)的無線通信功能主要是在無人機(jī)與地面控制站之間收發(fā)信息，以及通過衛(wèi)星定位進(jìn)行安全導(dǎo)航和與其它空中飛行物進(jìn)行M2M通信。在無線信道兩端采用天線陣列有助于波束定向控制，同時(shí)也可以降低信號(hào)傳輸功耗、提高數(shù)據(jù)傳輸率和擴(kuò)大通信范圍。
UAV設(shè)計(jì)對高性能、高效率和小尺寸的嚴(yán)格要求也驅(qū)動(dòng)著RF和微波器件的技術(shù)發(fā)展，從傳統(tǒng)的分離封裝轉(zhuǎn)向與數(shù)字技術(shù)的混合，比如開發(fā)GaN固態(tài)功率放大器，甚至在一個(gè)封裝上集成二極管開關(guān)、GaAs低噪聲放大器、GaN-on-Si 功率放大器等器件。為滿足UAV客戶對SWaP和成本的苛求，有些RF/微波器件供應(yīng)商還開發(fā)出了RF BGA封裝器件。
電源管理
對于UAV電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員關(guān)心的是尺寸（S）、重量（W）、功率密度（P）、功率重量比、效率、熱管理、靈活性和復(fù)雜性。 體積小、重量輕、功率密度高（SWaP）可以讓無人機(jī)攜帶更多的有效載荷，飛行和續(xù)航時(shí)間更長，并完成更多的任務(wù)。高靈活性和低復(fù)雜度可以使電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加容易。
根據(jù)子系統(tǒng)的負(fù)載要求，無人機(jī)有幾種可供選擇的電源，其中鋰離子電池是一種常用的電源，由于體積小和成本較低，是100W和運(yùn)行數(shù)天的無人機(jī)的理想選擇。對于特殊用途的UAV，可能還需要考慮電源包裝、使用壽命、溫度范圍，以及工作環(huán)境的要求等。
結(jié)語
以亞馬遜和大疆為首的UAV領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)帶動(dòng)了民用無人機(jī)市場的快速發(fā)展，強(qiáng)勁的市場需求和激烈競爭也對UAV設(shè)計(jì)提出了很高的要求，我們可以簡單地歸納為SWaP。本文以來自Teledyne e2v的Qormino系列嵌入式通用計(jì)算平臺(tái)解決方案為例探討了如何應(yīng)對SWaP的挑戰(zhàn)，同時(shí)也大致介紹了其它UAV功能模塊為應(yīng)對SWaP而做出的技術(shù)創(chuàng)新。希望本文對UAV設(shè)計(jì)工程師和愛好者有一定幫助。若您有什么想法和建議，歡迎和我們分享。
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