Amazon Prime Air是亚马逊正在部分地区测试的无人机快递服务,这种专门针对快递业务而设计的UAV采用复杂的“感应和避免碰撞”技术,以高度自动化的工作方式在低于120米的高空飞行,可在30分钟内将重达2.3公斤的包裹安全地送达客户手中……

Amazon Prime Air是亚马逊正在部分地区测试的无人机快递服务,这种专门针对快递业务而设计的UAV采用复杂的“感应和避免碰撞”技术,以高度自动化的工作方式在低于120米的高空飞行,可在30分钟内将重达2.3公斤的包裹安全地送达客户手中,服务范围在16公里以内。
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图一:Amazon Prime Air服务所使用的无人机型号之一(来源:Amazon)

民用无人机市场预测

无论是亚马逊的专业快递无人机,还是大疆的消费娱乐无人机,都是广泛意义的UAV市场的分支。据市场调研公司Tractica的UAV统计数据显示,全球UAV数量将从现今约8万架增长到2025年的270万架,年销售额高达82亿美元。另据前瞻产业研究院数据,不考虑军用无人机,单就中国民用无人机市场来说,2018年市场规模将超过100亿元,预计到2020年可以增长到600亿元,而到2025年将高达1800亿元。

什么是SWaP?

无人机市场的飞速增长也在驱动着UAV复合材料和航空电子技术的发展。UAV设计的电子部分涉及计算处理、通信、传感、成像和电源管理等。无论采用哪种技术方案,UAV设计都必须应对SWaP的挑战。SWaP代表尺寸(Size)、重量(Weight)和电源(Power)的缩写,是UAV设计要考虑的重要因素。本文将从微处理器、传感器、RF和微波器件,以及电源等技术角度来探讨应对SWaP挑战的方法。

SWaP的首要挑战:系统模块(SOM)

除了计算处理性能和网络通信功能外,UAV设计还对核心处理器系统有稳定性和安全方面的严格要求。做为通用的嵌入式计算平台,NXP QorIQ系列通信处理器已被证明可以满足这些要求。QorIQ微处理器包括基于64位e5500 Power Architecture处理器内核的T系列,以及基于ARM CORTEX A72内核的Layerscape系列,特别适用于低功耗、高处理性能的混合控制和数据应用,比如交换机、路由器和互联网接入设备等。例如,以Teledyne e2v 公司名为Qormino系列的新通用计算平台解决方案,结合强大的PowerPC或ARM的多核微处理器(具高密度DDR4内存)也是理想的嵌入式计算平台,适用于工业控制和航空航天等高可靠性应用。

虽然NXP在微处理器解决方案上为设计工程师提供了完整的参考设计板和软硬件开发平台,但针对像UAV无人机这样的高可靠性嵌入式计算应用,有不少设计经验丰富的服务商在提供更为专业和定制化的系统级模块(SOM)及相应服务,其中包括荷兰的Sintecs公司开发的参考设计板和英国的Teledyne e2v公司的Qormino产品。图二对参考设计板做了尺寸上的对比,内存的整合是显而易见的,从而显示出Qormino在应对SWaP挑战上,克服了尺寸这一首要障碍。

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图二:QorIQ T1040微处理器+4GB存储器的参考设计板尺寸对比(来源:Teledyne e2v)

下面我们以Teledyne e2v开发的QorminoQT1040-4GB系统模块为例来说明UAV设计中的SWaP问题是如何被逐一解决的。Qormino是一种小尺寸、低功耗和具强大处理性能的嵌入式计算系统模块,在44X26mm的内插上集成了QorIQ系列微处理器和4GB DDR存储器,特别适合军用和民用无人机的设计开发。Qormino QT1040-4GB系统模块的性能特点如下表所示:

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图三:Qormino T1040-4GB的功能特性

在软硬件开发环境方面,Qormino受惠于大量来自NXP和第三方的软件和工具。Qormino支持NXP成熟的Linux SDK和业界主流的RTOS外(需通过特定的bootloader和BSP),更简化和加快了UAV这类高性能和高可靠性应用的开发。
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图四:与Qormino配套的完整S/W开发平台(来源:Teledyne e2v)

Qormino系列通用计算平台解决方案除了支持以上提到的NXP QorlQ T1040 PowerPC处理器内核外,也可以根据客户要求提供基于ARM Cortex A-72内核的NXP LS1046处理器。对于需要不同处理器和内存容量的UAV设计需求,Teledyne e2v能开发特定的解决方案。总之,Qormino系列的灵活方案可以帮助客户设计出高端的无人机。
Qormino QT1040-4GB嵌入式计算方案可为UAV设计带来如下益处:

1. 计算加速

◦ 创新的数据路径加速结构(DPAA)技术可有效管理数据流,平衡计算负荷到指定的内核;
◦ AltiVec技术采用复杂的算法对密集的矢量数据进行加速处理,从而大大提升雷达和成像等信号的并行处理性能;
◦ 板上集成的4GB DDR4存储器可以支持高达1600MT/s的数据传输率,而且有效解决了分离存储器的接口和时序偏差问题。

2. 硬件虚拟化

◦ 同时支持多个OS工作;
◦ 三级指令:用户、管理员和超级管理员,以协调多个虚拟机(VM)运行;
◦ 处理器分区以保证系统冗余。

3. 高级通信互联支持

◦ 内置多个航空和军事系统所需的外设接口,包括ARINC 429;
◦ 8个5 Gbps Serdes总线支持超高速双向链接;
◦ 4个v2.0 PCI express控制器可与外部ASIC或FPGA配合工作。

4. 高可靠性和使用寿命管理

◦ 专有的半导体生命周期管理(SLiM)服务可为UAV开发商提供长达15年的元器件供应保障;
◦ 经过验证的原厂元器件的集中管理和安全供应;
◦ 有效防止元器件仿冒,降低系统失效风险。

SWaP的其它挑战:传感器、RF/微波器件以及电源管理

传感器

UAV要实现及时有效的感应和避免碰撞,就需要很多传感器来采集飞行数据和提供及时的运行反馈,包括气流传感器、惯性测量传感器、倾斜传感器、磁感应器,以及引擎进气感应器等。笨重的传感器不但增加UAV整机的重量,而且会造成飞行不平衡和不稳定等诸多问题,其功耗对电源供电和续航能力也有负面影响。所有这些问题都驱使传感器供应商开发更低功耗、微小轻便的传感器以应对UAV设计提出的这一挑战。

天线阵列、RF/微波器件

UAV设计的无线通信功能主要是在无人机与地面控制站之间收发信息,以及通过卫星定位进行安全导航和与其它空中飞行物进行M2M通信。在无线信道两端采用天线阵列有助于波束定向控制,同时也可以降低信号传输功耗、提高数据传输率和扩大通信范围。

UAV设计对高性能、高效率和小尺寸的严格要求也驱动着RF和微波器件的技术发展,从传统的分离封装转向与数字技术的混合,比如开发GaN固态功率放大器,甚至在一个封装上集成二极管开关、GaAs低噪声放大器、GaN-on-Si 功率放大器等器件。为满足UAV客户对SWaP和成本的苛求,有些RF/微波器件供应商还开发出了RF BGA封装器件。

电源管理

对于UAV电源系统,设计人员关心的是尺寸(S)、重量(W)、功率密度(P)、功率重量比、效率、热管理、灵活性和复杂性。 体积小、重量轻、功率密度高(SWaP)可以让无人机携带更多的有效载荷,飞行和续航时间更长,并完成更多的任务。高灵活性和低复杂度可以使电源系统设计更加容易。

根据子系统的负载要求,无人机有几种可供选择的电源,其中锂离子电池是一种常用的电源,由于体积小和成本较低,是100W和运行数天的无人机的理想选择。对于特殊用途的UAV,可能还需要考虑电源包装、使用寿命、温度范围,以及工作环境的要求等。

结语

以亚马逊和大疆为首的UAV领导企业带动了民用无人机市场的快速发展,强劲的市场需求和激烈竞争也对UAV设计提出了很高的要求,我们可以简单地归纳为SWaP。本文以来自Teledyne e2v的Qormino系列嵌入式通用计算平台解决方案为例探讨了如何应对SWaP的挑战,同时也大致介绍了其它UAV功能模块为应对SWaP而做出的技术创新。希望本文对UAV设计工程师和爱好者有一定帮助。若您有什么想法和建议,欢迎和我们分享。

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