Amazon Prime Air是亞馬遜正在部分地區(qū)測試的無人機快遞服務，這種專門針對快遞業(yè)務而設計的UAV采用復雜的“感應和避免碰撞”技術，以高度自動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2.3公斤的包裹安全地送達客戶手中，服務范圍在16公里以內(nèi)。
圖一：Amazon Prime Air服務所使用的無人機型號之一（來源：Amazon）
民用無人機市場預測
無論是亞馬遜的專業(yè)快遞無人機，還是大疆的消費娛樂無人機，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，單就中國民用無人機市場來說，2018年市場規(guī)模將超過100億元，預計到2020年可以增長到600億元，而到2025年將高達1800億元。
什么是SWaP？
無人機市場的飛速增長也在驅動著UAV復合材料和航空電子技術的發(fā)展。UAV設計的電子部分涉及計算處理、通信、傳感、成像和電源管理等。無論采用哪種技術方案，UAV設計都必須應對SWaP的挑戰(zhàn)。SWaP代表尺寸(Size)、重量(Weight)和電源(Power)的縮寫，是UAV設計要考慮的重要因素。本文將從微處理器、傳感器、RF和微波器件，以及電源等技術角度來探討應對SWaP挑戰(zhàn)的方法。
SWaP的首要挑戰(zhàn)：系統(tǒng)模塊(SOM)
除了計算處理性能和網(wǎng)絡通信功能外，UAV設計還對核心處理器系統(tǒng)有穩(wěn)定性和安全方面的嚴格要求。做為通用的嵌入式計算平臺，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)應用，比如交換機、路由器和互聯(lián)網(wǎng)接入設備等。例如，以Teledyne e2v 公司名為Qormino系列的新通用計算平臺解決方案，結合強大的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算平臺，適用于工業(yè)控制和航空航天等高可靠性應用。
雖然NXP為設計工程師在微處理器解決方案上提供了完整的參考設計板和軟硬件開發(fā)平臺，但針對像UAV無人機這樣的高可靠性嵌入式計算應用，有不少設計經(jīng)驗豐富的服務商在為系統(tǒng)設計師提供更為專業(yè)和定制化的系統(tǒng)級模塊(SOM)及相應服務，其中包括荷蘭的Sintecs公司開發(fā)的參考設計板和法國的Teledyne e2v公司的Qormino產(chǎn)品。圖二對參考設計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在應對SWaP挑戰(zhàn)上，克服了尺寸這個首要障礙。
圖二：QorIQ T1040微處理器+4GB存儲器的參考設計板尺寸對比（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設計中的SWaP問題是如何被逐一解決的。Qormino是一種小尺寸、低功耗和具強大處理性能的嵌入式計算系統(tǒng)模塊，在44X26mm的內(nèi)插上集成了QorIQ系列微處理器和4GB DDR存儲器，特別適合軍用和民用無人機的設計開發(fā)。Qormino QT1040-4GB系統(tǒng)模塊的性能特點如下表所示：
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用的開發(fā)。
圖四：與Qormino配套的完整S/W開發(fā)平臺（來源：Teledyne e2v）
Qormino系列通用計算平臺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設計需求，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計出高端的無人機。
Qormino QT1040-4GB嵌入式計算方案可為UAV設計帶來如下益處：
1. 計算加速
? 創(chuàng)新的數(shù)據(jù)路徑加速結構(DPAA)技術可有效管理數(shù)據(jù)流，平衡計算負荷到指定的內(nèi)核；
? AltiVec技術采用復雜的算法對密集的矢量數(shù)據(jù)進行加速處理，從而大大提升雷達和成像等信號的并行處理性能；
? 板上集成的4GB DDR4存儲器可以支持高達1600MT/s的數(shù)據(jù)傳輸率，而且有效解決了分離存儲器的接口和時序偏差問題。
2. 硬件虛擬化
? 同時支持多個OS工作；
? 三級指令：用戶、管理員和超級管理員，以協(xié)調(diào)多個虛擬機(VM)運行；
? 處理器分區(qū)以保證系統(tǒng)冗余。
3. 高級通信互聯(lián)支持
? 內(nèi)置多個航空和軍事系統(tǒng)所需的外設接口，包括ARINC 429；
? 8個5 Gbps Serdes總線支持超高速雙向鏈接；
? 4個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
? 專有的半導體生命周期管理（SLiM）服務可為UAV開發(fā)商提供長達15年的元器件供應保障；
? 經(jīng)過驗證的原廠元器件的集中管理和安全供應；
? 有效防止元器件仿冒，降低系統(tǒng)失效風險。
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要實現(xiàn)及時有效的感應和避免碰撞，就需要很多傳感器來采集飛行數(shù)據(jù)和提供及時的運行反饋，包括氣流傳感器、慣性測量傳感器、傾斜傳感器、磁感應器，以及引擎進氣感應器等。笨重的傳感器不但增加UAV整機的重量，而且會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)航能力也有負面影響。所有這些問題都驅使傳感器供應商開發(fā)更低功耗、微小輕便的傳感器以應對UAV設計提出的這一挑戰(zhàn)。
天線陣列、RF/微波器件
UAV設計的無線通信功能主要是在無人機與地面控制站之間收發(fā)信息，以及通過衛(wèi)星定位進行安全導航和與其它空中飛行物進行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，同時也可以降低信號傳輸功耗、提高數(shù)據(jù)傳輸率和擴大通信范圍。
UAV設計對高性能、高效率和小尺寸的嚴格要求也驅動著RF和微波器件的技術發(fā)展，從傳統(tǒng)的分離封裝轉向與數(shù)字技術的混合，比如開發(fā)GaN固態(tài)功率放大器，甚至在一個封裝上集成二極管開關、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)，設計人員關心的是尺寸（S）、重量（W）、功率密度（P）、功率重量比、效率、熱管理、靈活性和復雜性。 體積小、重量輕、功率密度高（SWaP）可以讓無人機攜帶更多的有效載荷，飛行和續(xù)航時間更長，并完成更多的任務。高靈活性和低復雜度可以使電源系統(tǒng)設計更加容易。
根據(jù)子系統(tǒng)的負載要求，無人機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和運行數(shù)天的無人機的理想選擇。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。
結語
以亞馬遜和大疆為首的UAV領導企業(yè)帶動了民用無人機市場的快速發(fā)展，強勁的市場需求和激烈競爭也對UAV設計提出了很高的要求，我們可以簡單地歸納為SWaP。本文以來自Teledyne e2v的Qormino系列嵌入式通用計算平臺解決方案為例探討了如何應對SWaP的挑戰(zhàn)，同時也大致介紹了其它UAV功能模塊為應對SWaP而做出的技術創(chuàng)新。希望本文對UAV設計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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