如何使用 SiP 無人機控制器快速提升無人機效能並延長飛行時間

電池供電式無人機的使用率日益增加，無人機製造商在競爭壓力下，必須在設計上提升無人機的功能和效能，同時將功耗減至最低以延長飛行時間。為了滿足市場需求，設計人員在無人機中加入更精確和準確的加速計及陀螺儀，並升級相關的韌體，以便善用更先進感測器的功能。此外，無人機的實體功能也得以擴充，其中包括載運包裹和設備，這就需要改善穩定性和空氣煞制動常式，才能應付增加的重量。

設計人員面臨的問題是，無人機重量及運算要求的增加會導致功耗增多，這又會縮短給定電池尺寸相應的飛行時間。此外，更多的特點、功能和相關的電子元件，也會增加開發時間和測試成本。

解決之道就是提高整合度。本文將介紹 Octavo Systems 的系統級封裝 (SiP) 解決方案，這款產品基本上是一個小型的無人機電腦。文中將說明如何使用這個自足式解決方案的功能來節省大量空間，以減輕重量的方式來延長飛行時間，同時精簡物料清單 (BOM)、減少庫存、縮短開發時間以及降低測試成本。

無人機技術

無人機的應用不斷擴充，從用於拍攝家庭照片或友誼賽的小型消費型空拍機，一路延伸到扮演更具挑戰性的角色，例如交付快遞包裹、追蹤牧場牲畜、監控農場農作、環保人士監測海岸變化，以及急救人員執行搜救工作等。無論是何種應用，在選擇無人機時最重要的考量因素之一就是電池續航力，這關乎飛行時間的長短。

電池續航力顯然與無人機的重量有關，因此無人機在電力驅動飛行時產生的應力和應變下，會儘可能使用能夠維持飛行器的架構不變最輕的材料。從結構的完整性，到無人機的電子控制元件，全都需要將輕量化納入考量。

為了獲得適當的飛行動力，無人機必須平均分配機架和機載電子元件的重量，讓無人機能適當地維持平衡。電子元件越小，就越容易讓無人機達到重量平衡。理想情況下，重心會位於飛行器的實體中心點。一旦重量失衡，無論程度有多小，都必須透過調整螺旋槳速率進行補償，而這些調整將隨著時間拉長消耗更多電力，浪費使用者寶貴的飛行時間。

消費型和多數的商用型無人機，均使用 Wi-Fi 技術進行控制和傳輸資料。無人機的飛行距離越遠，Wi-Fi 無線電就必須輸出更多電力，如此才能讓無人機與控制器保持連線，而這樣會消耗更多的電池電力。

無人機感測器與處理

無人機製造商力圖減輕系統重量並降低成本的同時，使用者卻渴望擁有更豐富的功能和更卓越的效能，這便使得無人機及其韌體變得更加複雜。這種情況會增加板載電子元件的數量和重量，同時會影響無人機的平衡。

例如，無人機通常使用各種微機電系統 (MEMS) 及其他感測器來維持飛行穩定，同時監控路線和速度 (圖 1)。全球定位系統 (GPS) 模組可用於判斷飛行器的位置和方向；陀螺儀可用於測量俯仰和偏航；加速計可用於測量無人機加速度和衝擊力；氣壓計可用於測量氣壓，有助於判斷在目前大氣狀況下最佳的螺旋槳旋轉速度 (空氣壓力越小，轉子速度必須越快，空氣壓力越大，轉子速度必須越慢)；攝影機和接近感測器則用於偵測及避免障礙物。同時，出於安全考量，可以使用多個備用感測器。

圖 1：新式四槳無人機配備多種 MEMS 感測器，其中至少有一台攝影機，一片用於微控制器韌體或儲存相片的外部記憶卡，以及多個用於螺旋槳的馬達驅動器。(圖片來源：Octavo Systems)

每個感測器的輸出都會饋送至操作無人機的微控制器。微控制器必須處理這些感測器的所有輸入，並用來為驅動螺旋槳的高耗電式無刷直流 (BLDC) 馬達，決定出最有效率的供電方法。不過，隨著感測器技術逐年進步，無人機製造商不斷在最新款的無人機上整合最新、最準確及最精準的感測器。這就需要採用更複雜的韌體，才能利用這些感測器的增強功能。此外，飛行控制韌體也在不斷進步，對於自足式無人機而言，更是如此。為了實現這一切改進功能，不僅需要擴充韌體的數量，還需要更強的處理能力和更多的記憶體，才能夠準確地處理資料。

不斷擴充的電子元件和功能性為工程師們帶來了挑戰，他們必須構建小尺寸低功率的解決方案來滿足更高的需求，同時又能將開發和測試成本維持在最低水準。

SiP 無人機裝置

若要增加功能性，解決方案是提高電子元件的整合度。為此，Octavo Systems 開發了 OSD32MP15x 系列，這是採用單一封裝的無人機導向型自足式電腦系統。以 OSD32MP157C-512M-BAA 為例，這是一款功能強大的裝置，在單個 18 mm x 18 mm 球柵陣列 (BGA) 封裝中包含上百個離散的獨立式晶粒元件 (圖 2)。

圖 2：Octavo Systems 的 OSD32MP157C-512M-BAA 是一個完整的無人機系統，在單個 18 mm x 18 mm 封裝中包含上百個離散的晶粒元件。(圖片來源：Octavo Systems)

OSD32MP157C-512M-BAA 配備兩個 Arm® Cortex®-A7 核心，執行頻率為 800 MHz (圖 3)。對於效能要求極高的無人機來說，此元件具有足夠的處理能力，能在無縫處理感測器資料的同時，將不斷變化的精確脈寬調變 (PWM) 訊號發送至四個供電給 BLDC 螺旋槳馬達的驅動器。每個 Cortex-A7 核心具有 33 KB 的 L1 指令快取記憶體和 32 KB 的 L2 資料快取記憶體。這些核心共用 256 KB 的 L2 快取記憶體。飛行控制韌體可以採用遞歸演算法，如此數量的快取記憶體能大幅加速導航以及感應器融合處理。

此外，封裝中還有第三個處理器，採用具備浮點單元 (FPU)，且執行頻率為 209 MHz 的 Arm Cortex-M4，可用於管理攝影機、監控電池以及控制 Wi-Fi 通訊等輔助性處理工作。三個 eMMC/SD 卡介面可用於連接至外部快閃記憶卡，例如 microSD 記憶體。在載入韌體至 SiP，以及儲存攝影機相片與影片、飛行資料記錄、事件記錄和 MEMS 感測器記錄時，這項功能非常有用。

處理器核心的額外記憶體包括 256 KB 的系統 RAM 和 384 KB 的微控制器 RAM。此外，還有 4 KB 的電池備援型 RAM 和 3 KB 的一次性可編程 (OTP) 記憶體，可供進行裝置客製化，例如無人機序號或選擇性封裝。

圖 3：Octavo Systems 的 OSD32MP157C-512M 是單一裝置中高度整合的電腦，適用於高效能無人機系統。(圖片來源：Octavo Systems)

外部快閃程式記憶體介面包含兩個 QSPI 介面，以及一個 16 位元外部 NAND 快閃記憶體介面，後者可支援 8 位元錯誤修正碼 (ECC)。如此便可輕鬆地存取外部快閃記憶體，同時能防止記憶體受損或遭到竄改。

兩個 USB 2.0 高速介面可用於裝置設定和偵錯，也可在需要額外的資料儲存空間時，作為外部 USB 快閃記憶體使用。

512 MB 高速 DDR3L DRAM 可用作板載 Cortex 核心的程式記憶體。啟動時，DRAM 可從任何外部快閃記憶體介面載入。如此便可為高效能飛行資料韌體提供足夠的程式記憶體。程式記憶體可從任何外部記憶體介面執行，但韌體從 DRAM 執行的速度會明顯更快。

4 KB EEPROM 可用於儲存感測器校準資料、飛行控制常數和飛行記錄資料。記憶體保護功能可防止意外寫入受保護的 EEPROM。

數種安全功能可確保系統的安全。Arm TrustZone 模組及對 AES-256 和 SHA-256 加密的支援功能，可用於確保更新期間的韌體完整性，以及外部快閃記憶卡中的資料加密。OSD32MP157C-512M 支援安全啟動來確保韌體安全性，並提供安全的即時時脈 (RTC)，以防止無人機的時基遭到竄改。

各種序列埠包括六個 SPI、六個 I²C、四個 UART 和四個 USART 介面，這些介面可以連接到 MEMS 感測器和 GPS 模組。兩個獨立的 22 通道 16 位元類比數位轉換器 (ADC) 可介接到類比感測器，例如熱敏電阻和風速感測器等，而這些感測器也可以執行電流感測和封閉迴路馬達控制。三個 I²S 介面可介接到音訊裝置，例如揚聲器或蜂鳴器等。攝影機介面可輕鬆連接到大多數 RGB 攝影機模組。

此外，OSD32MP157C-512M 還整合系統所需的所有離散元件，包括電阻、電容、電感和鐵氧體磁珠。如此便可使用最少的外部離散元件來建置無人機系統。

針對 PWM 馬達控制，OSD32MP157C-512M 包括兩個 16 位元進階馬達控制計時器、十五個 16 位元計時器和兩個 32 位元計時器。這樣能提供足夠的 PWM 訊號，以高準確度來控制 BLDC 螺旋槳馬達，以及攝影機定位馬達或機械手臂等任何致動器。

對 OSD32MP15x 供電

OSD32MP157C-512M 只需要單個 2.8 V 至 5.5 V 電源供應器，因此適合使用標準的 3.7 V 鋰離子電池。內部電源管理晶片可提供所有獨立內部元件必須使用的電壓。當 Cortex-A7 核心和 Cortex-M4 均以最大時脈速度運作，而且所有周邊裝置均在運作時，OSD32MP157C-512M 最多會消耗 2 A 的電流。由於整合程度很高，而且運作選項眾多，因此無法估計一般的電流消耗情境，只能讓開發人員自行決定特定應用的電流消耗。

相較於在電路板上使用離散元件達到相同功能性，OSD32MP157C-512M 的電流消耗更低。主要原因是其採用密集型 SiP 中的單晶粒，而不是封裝的元件，這不僅大幅減少漏電流，也會降低電路板走線阻抗的功率損耗。

在 OSD32MP15x 系列中，靜電放電 (ESD) 額定值為人體放電模式 (HBM) 下 ±1000 V，以及充電裝置模式 (CDM) 下 ±500 V。因此，必須格外小心處理裝置。強烈建議勿用手指碰觸球柵觸點，即使必須處理，也僅可在裝置邊緣操作。此外，OSD32MP15x 系列的 SiP 元件對濕度也很敏感。建議對無人機電子元件進行密封，一般而言，這些元件也最好如此處理，以防接觸到高濕度、水蒸氣、雲層或雨水。

對於效能更卓越的無人機，Octavo Systems 提供 OSD3358-1G-ISM SiP 裝置。此產品的功能性類似於 OSD32MP157，但採用 21 mm x 21 mm 的 BGA 封裝，提供更強大的 1 GHz Cortex-A8 雙核心以及 1 GB 的 DRAM。由於兩個 Cortex-A8 核心的效能高，因此未包含額外的 Cortex-M4 處理器。

Octavo SiP 開發

在程式碼開發方面，Octavo 提供靈活的 OSD32MP1-BRK 原型開發平台板 (圖 4)。此開發板包含 OSD32MP157C-512M SiP 和擴充排針座，可用於連接至 106 個數位 I/O 和外接周邊裝置訊號。

圖 4：Octavo OSD32MP1-BRK 是一個靈活的原型開發平台，適用於 OSD32MP15x 系列 SiP 無人機裝置。此板有一個用於 microSD 卡的插槽，以及一個用於開發和偵錯的 micro USB 連接埠。(圖片來源：Octavo Systems)

藉助 microSD 卡槽，開發板可將外部快閃程式記憶體載入 OSD32MP517-512M 的 DRAM 中。micro USB 連接埠可用於開發與韌體除錯，也可為開發板供電。啟動模式開關可決定裝置的啟動方式，亦即從 microSD 卡，還是從擴充排針座上可用的任何外部記憶體介面啟動。

結論

隨著無人機製造商不斷改進系統功能，開發人員越來越難以最低的功耗和成本來提供這些功能，因而無法提供最佳的一般使用者體驗。

如本文所述，單一裝置高效能 SiP 無人機電腦帶來了極高的整合性。這不僅簡化了設計過程，同時使無人機更輕、更易於平衡，進而降低電流消耗並延長飛行時間，後者是一般使用者極為重視的要求。