Droner har vist sig at være fremragende værktøjer til overvågning i mange brancher. Med avancerede sensorer og kameraer spiller de en vigtig rolle inden for redning i katastrofesituationer, politiovervågning, i landbruget til landinspektion og mange andre steder. Afhængigt af formålet kan data opsamles og analyseres enten senere eller ombord i dronen for real-time beslutninger under en given opgave
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 4 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Teknisk artikel fra Congatec
Droner kan udføre utallige opgaver, men de skal konfigureres fleksibelt – ofte med forskellige såkaldte payloads. Kystvagten bruger for eksempel RF-payloads for at opfange maritime nødsignaler. Multispektrale sensorer, der samtidigt kan opfange fem uafhængige farvebånd, er perfekte til analyser i landbruget. Og hydrospektrale sensor-payloads kan let identificere skadelig opbygning af alger i søer eller fjorde. Massive LiDAR-billedsæt er glimrende til 3D-modellering af landskaber, hvilket i høj grad hjælper bygningsindustrierne.
Dedikerede payload-systemer er ofte baseret på standard designprincipper, der tager alle opgaver i betragtning. Med disse systemer er det muligt at montere de ønskede payloads på sekunder på de forskellige droner, som måske har lige så forskellige krav til flyveopgaverne. Visse opgaver kræver måske vertikale take-offs med behov for stor manøvredygtighed, mens andre droner opfører sig mere som konventionelle fly – endda i visse tilfælde med pontoner til landing på vand.
Hvis de individuelle komponenter i de aktuelle payload-bokse også er designede med modularitet for øje, giver det brugerne muligheden for lynhurtige konfigurationsændringer, så man kan realisere de rigtige systemer til de givne opgaver. Der er dog flere faktorer, man skal tænke på – især hvis de ønskede payloads skal kunne flyves ind i potentielt farlige områder.
Generelle designudfordringer for payloads
Design af payload-bokse er udfordrende, da krav til både robusthed og ydelse harmonerer skidt med lav vægt, lavt forbrug og pris (også kendt som SWaP-C begrænsninger). Den embeddede elektronik i det lukkede system skal kunne modstå udvidede temperaturområder mellem -40°C og +85°C, da de enkelte payloads selv kan blive meget varme ved sommerbrug.
Til såvel styring af dronen samt databehandling og -lagring skal man bruge en kraftig embedded computerplatform, især hvis opgaverne skal udføres i real-time. Desuden skal man kunne konnektere sig til de centrale styringer via satellitkommunikation.
Da størrelse er strengt begrænset og energiforbruget skal være så lavt som muligt, så skal dronedesignere ideelt bruge en højtydende computerplatform til at få de modstridende designkrav til at mødes. Det skal helst også være i form af et standardprodukt, der sikrer indbyrdes kompatibilitet mellem eksempelvis kamera og andre payloads. Desuden skal platformen også matche et specifikt interface, databehandlingen og memory-kravene bedst muligt. Designere har altså brug for en høj designfleksibilitet og skalérbarhed, da nye payload-teknologier hele tiden udvikler sig og kræver opgraderinger af kernerne. Løsningen er kort fortalt en Computer-on-Module (COM).
Det fine ved COMs er, at de kan leveres som hyldevarer og som en slags applikationsklare superkomponenter. I én samlet funktionsvalideret pakke giver COMs alle de kritiske komponentblokke og interfaces i en embedded computer. OEM-virksomheder kan købe COMs med alle de nødvendige board support-pakker (BSP) inklusive drivere og softwareværktøjer parat til brug. Valgfrit tilbehør som skræddersyede køleløsninger og evaulerings carrier boards er som regel også en del af udbuddet. Det letter samlet design-in processen ganske betydeligt, mindsker designrisici og forbedrer time-to-market uden nogen form for trade-offs i designfleksibiliteten.
Åbne COM-standarder
Med godkendelsen af COM-HPC 1.2-specifikationen af COM-HPC Mini-formatet har PICMG udvidet ydelsesmulighederne i de eksisterende COM Express Mini-moduler betydeligt om end i en meget mere kompakt formfaktor. Det nye modul opfylder dermed i høj grad de konstant større krav, som designere af droner stiller.
COM-HPC Mini har desuden langt flere interfaces, end COM Express Mini kan understøtte. De omfatter USB 3.2 med 20Gbit/s, USB 4.0 med 40Gbit/s, PCIe Gen 5/6 med op til 16 stier, NVMe og meget mere. Med en high-speed konnektor på 400 pins supporterer COM-HPC Mini dataoverførsler på mere end 32Gbit/s, hvilket rigeligt supporterer PCIe Gen 5.0 og endda Gen 6.0. Sammenlignet med COM Express Basic eller Compact, der begge har 440 pins, er der 90 procent af kapaciteten fra fuldt specificerede Type 6 client-moduler eller edge-servermoduler (Type 7) til rådighed. Alle, der ikke behøver den fulde 100 procents kapacitet, kan dermed let skifte.
Ydelse og konnektivitet er dog ikke de eneste designkriterier, der overbeviser. Vigtigere endnu er nok, at COM-HPC Mini – på samme måde som COM Express Mini – er en producentuafhængig standard, designet til at levere den samme ydelse som i kommercielle high-end processorer til industrielle applikationer gennem brug af de embeddede roadmaps fra processorleverandører som Intel eller AMD. Disse moduler sikrer yderst fleksible designs, der gør individuel kundetilpasning mulig på meget kort tid, da de rummer en applikationsklar computerkerne på en standardiseret formfaktor i kreditkortstørrelse. Alle moduler har de samme interfaces på de samme pins, så udskiftning er let. Denne fleksibilitet hjælper til både skalérbarhed og opgraderinger til de næste processorgenerationer. Man skal sådan set bare udskifte modulet.
COM for fleksibilitet og skalérbarhed
De kundespecifikke interfaces er implementeret på modulernes carrier boards. Det kræver godt nok et kundespecificeret carrier board, som kan medføre NRE-omkostninger (non-recurring engineering). Designet af disse print er dog en langt mindre kompleks opgave end at konstruere en fuldt kundespecifik single-board computer (SBC), og alle de påkrævede logikimplementeringer, der kommer som en værditilvækst fra udbydere af Computer-on-Modules, bliver dermed en standardservice.
Somme tider er der ikke engang brug for et kundespecifikt carrier board. En økosystem-partner til Congatec har været i stand til at bruge et kommercielt tilgængeligt (COTS) COM Express Type 10 kompatibelt carrier board til sine droner. Det er en klar fordel, da disse carriers er frit tilgængelige med leverance inden for få dage efter bestilling. Brugen af et kommercielt carrier board giver en platform, der øjeblikkeligt er klar til brug, da det allerede er verificeret til brug sammen med det foretrukne modul.
Én grund til at vælge et sådant specifikt carrier board var for kunden, at det havde præcis det samme footprint (84mm x 55mm) som COM Express Mini-modulet. Det har været ideelt til de pladskritiske applikationer i dronerne. Carrier boardet var desuden designet til hårde miljøer og til krævende forhold, ligesom det supporterer udvidede temperaturområder mellem -40°C og +85°C.
Fremtiden med COM-HPC Mini
I dag bliver en række forskellige ydelsesniveauer af Congatecs COM Express-moduler anvendt i droner til at udføre beregningsopgaver som behandling af opsamlede data og håndtering af satellitkommunikation med de centrale operatører. Den modulære tilgang har givet dronedesignere muligheden for at opdatere alle payload-processorer på sekunder ved blot at udskifte modulet.
Med de nye COM-HPC Mini-moduler kan man forestille sig, at en økosystempartner ville kunne lancere det samme carrier board med identiske interfaces i forskellige konstellationer. I det tilfælde ville en droneproducent kunne opgradere til nye COM-HPC ydelsesniveauer ved blot at vælge frit mellem hyldevarer. Det ville da være ganske imponerende?
Kun carrier boardet skal på nuværende tidspunkt tilpasses til den nye COM-HPC 1.2-standard. Alle komponenter vil kunne forblive uændrede, hvis ydelseskravene ikke ændrer sig. De NRE-omkostninger, det alligevel medfører, er dog meget overskuelige og langt mindre, end hvad et fuldt kundespecifikt kundedesign ville kræve. Da COM Express Mini og de eksisterende COTS-carriers har et lidt mindre footprint end den nye COM-HPC-standard på 95mm x 70mm, er det ikke muligt at opnå en eksakt kongruens. Men med afsæt i Pareto-princippet ville 80 procent af COM Express Mini-carriers verden over kunne tilpasses. Den langsigtede designsikkerhed vil derfor altid været garanteret, selv når applikationen er en anden end en standard formfaktor.
Billedtekster:
1: Droner til situationsbetinget overvågning kan have forskellige designs afhængigt af opgaver samt mulighederne for take-off og landing. (Foto: Colicaranica|Dreamstime.com).
2: Den nye COM-HPC Mini-formfaktor giver droner et helt nyt niveau af ydelse. På et kun ubetydeligt større (95mm x 70mm) footprint har boardet 400 pins til et carrier board – forrygende 81 procent mere end for COM Express Mini eller andre formfaktorer som SMARC eller Qseven.
3: Med adgangen til Congatecs COM-HPC Mini-moduler planlægger flere økosystempartnere lanceringer af ”form-fit-funktion” carrier boards.
