ПРЕСС-ЦЕНТР

Переход на быстрые последовательные соединения увеличивает производительность полезной нагрузки беспилотных платформ

МКА: мир ВКТ 1/2009

Тим Классен (Tim Klassen), GE Fanuc Embedded Systems

Специфика небольших БПЛА накладывает жёсткие ограничения на размеры, вес и энергопотребление. Благодаря таким новым формфакторам, как VPX 3U, разработчики могут значительно увеличивать функциональность своих систем без выхода за эти ограничения.

В последние годы беспилотные летательные аппараты становятся всё более популярными в различных секторах аэрокосмической отрасли. Особенно большие масштабы это явление приобрело в оборонных приложениях. Сегодня в зону действия БПЛА попадает весьма широкий спектр прикладных задач, начиная от дальних 30-часовых полётов и заканчивая ультракороткими тактическими миссиями аппаратов, запускаемых с плеча. Наземные и водные беспилотники развиваются параллельно с воздушными и в некоторых отношениях даже опережают их. Как и следовало ожидать, требования к полезной нагрузке беспилотных аппаратов растут, и притом чрезвычайно быстрыми темпами. Необходимость прогресса по таким ключевым параметрам, как производительность, защищённость, тепловыделение, гибкость и физические размеры, нередко приводит к появлению взаимоисключающих требований, что значительно осложняет разработку конечных систем. В разрешении подобных конфликтов могут помочь новые подходы.

На рис. 1 изображен популярный европейский БПЛА Sperwer, в электронно-оптической системе которого используются технологии компании GE Fanuc. Плата, разработанная специалистами GE Fanuc, обеспечивает для Sperwer поддержку функций обнаружения цели и видеослежения. В настоящее время на борту данного беспилотника стоит относительно старый продукт, реализованный в конструктиве VME 3U.

Рис. 1. В электронно-оптической системе популярного европейского БПЛА Sperwer используется плата компании GEFanuc, которая обеспечивает для Sperwer поддержку функций обнаружения цели и видеослежения

Старый путь

Традиционное вышеупомянутые проблемы удаётся эффективно решать на «поэлементной» основе, то есть путём подбора отдельных системных элементов (комплектующих) специально под конкретные прикладные требования. Как правило, поставщики встраиваемых компьютерных продуктов не знают топографии будущей системы. Чтобы создать законченное решение, способное играть роль полезной нагрузки для БПЛА, интегратору приходится взаимодействовать не с одним, а с несколькими поставщиками, изучать их спецификации и выбирать подходящие изделия.

Роль элементов проектируемой системы играют корпуса, блоки питания, одноплатные компьютеры, модули ввода-вывода, сопроцессорные модули и т.д. Чтобы обеспечить выполнение требований, диктуемых спецификой конкретного круга задач, интегратор должен тщательно выбирать изделия, что в общем случае предполагает общение с несколькими источниками. Кроме того, «поэлементный» подход, сопряжённый с использованием изделий разных поставщиков, предполагает тщательную диагностику и тестирование уже собранной системы.

В прошлом этот метод работал хорошо во многих реальных ситуациях. Однако системные элементы становятся всё более сложными, и всё чаще бывает так, что, если один встраиваемый компьютерный продукт никогда не тестировался с другим, гарантировать корректность их совместной работы не может никто. Например, графический сопроцессор одного поставщика может запросто оказаться несовместимым с одноплатным компьютером другого поставщика (в связи с отсутствием соответствующего драйвера или по какой-либо другой причине).

Защищённые системы

Отсутствие гарантий корректной совместной работы – это ещё полбеды. Другая проблема, связанная с «поэлементно» собираемыми системами, заключается в необходимости обеспечения её соответствия условиям эксплуатации в целевом приложении. Для этого выбираемые продукты должны удовлетворять эксплуатационным требованиям не только по отдельности, но и в комбинации. Комбинации из изделий, приобретаемых у разных поставщиков (или у одного поставщика с несогласованным продуктовым предложением), могут обладать новыми свойствами, снижающими устойчивость всей системы к воздействию неблагоприятных внешних факторов. Например, если после установки PMC-модуля на одноплатный компьютер горячий компонент мезонина окажется напротив горячего компонента носителя, в системе появится зона повышенного тепловыделения, с которой штатные средства охлаждения шасси могут и не справиться, притом что по отдельности все используемые элементы будут соответствовать всем требованиям по условиям эксплуатации.

Да и сами требования в наши дни становятся всё более жёсткими и противоречивыми. Одна и та же система должна обладать как можно большей вычислительной мощью, но иметь при этом как можно меньшие размеры и вес. Характер взаимного влияния разных элементов также усложняется. В результате производители встраиваемых изделий, которые ранее поставляли лишь комплектующие, начинают предлагать готовые полнофункциональные подсистемы. Особенно ярко данная тенденция проявляется в секторе беспилотных летательных аппаратов, который на текущий момент является, возможно, одним из наиболее требовательных рынков для оборонных компьютерных продуктов. Виной тому – жёсткие ограничения, накладываемые спецификой подобных платформ на такие характеристики, как тепловыделение, вес и размеры. Использование готовых подсистем снижает риски и позволяет более эффективно использовать инженерные ресурсы самих поставщиков, которые лучше знают, как различные узлы взаимодействуют между собой. Поручив поставщикам решение всех проблем, связанных с совместимостью, интеграцией и тестированием, генеральный подрядчик может сосредоточиться на решении высокоуровневых стратегических вопросов.

В качестве примера подсистемы, спроектированной специально для беспилотных приложений, можно назвать защищённый дисплейный компьютер MAGIC1 компании GE Fanuc (рис. 2а), выбранный для использования в одной из ключевых европейских БПЛА-программ. Данное решение заключено в жёсткий корпус и построено на базе объединительной панели стандарта VPX, допускающей адаптацию под конкретные приложения. Базовая комплектация включает процессор серии Intel Core2 Duo, который работает на частоте 2,16 ГГц и взаимодействует через интерфейс PCI Express 16x с графическим адаптером. Последний имеет двухканальный графический процессор NVIDIA G73, успешно применяющийся в десктопных игровых видеокартах класса High End (рис. 2б).

Рис. 2. Защищённый дисплейный компьютер MAGIC1 компании GEFanuc, заключён в жёсткий корпус и построен на базе объединительной панели стандарта VPX, допускающей адаптацию под конкретные приложения

VPX 3U: формфактор для небольших БПЛА

Конструктив VPX 3U особенно хорош для небольших БПЛА. Высота 3U позволяет минимизировать размеры и вес, стандарт же VPX способен обеспечить необходимую вычислительную мощь. Разъём, посредством которого VPX-платы подключаются к объединительной панели, проектировался специально для высокочастотных последовательных технологий внутрисистемной передачи данных, таких как PCI Express и Serial RapidIO. По сравнению со стандартом VME плотность контактов в разъёме объединительной панели существенно увеличилась, при этом изделия VPX 3U обеспечивают лучшую целостность сигналов, нежели платы CompactPCI 3U.

Кроме того, стандарт VPX допускает большее тепловыделение на шасси, что позволяет получать больше производительности в одном корпусе. Может показаться, что применительно к БПЛА повышение производительности с одновременным увеличением рассеиваемой мощности неактуально, однако реальность такова, что возможность реализации дополнительной функциональности без дополнительных корпусов, блоков питания, средств отвода тепла и т.п. оказывается зачастую более ценным преимуществом, чем возможность уменьшения тепловыделения до минимально возможной величины. Уменьшая число критических элементов, разработчик небольшой беспилотной платформы может получить ощутимую экономию.

Определившись с системной архитектурой, необходимо выбрать комплектующие. Сам по себе стандарт VPX очень хорош, но как на рынке VPX обстоят дела с модулями? К счастью, с момента своего появления в 2006 году системная архитектура VPX успела завоевать признание большинства компаний, поставляющих встраиваемые компьютерные изделия для оборонных заказчиков. Иными словами, вокруг VPX уже сформирована развитая продуктовая инфраструктура. Сегодня для VPX-систем доступны не только разнообразные ЦП-модули на базе процессоров PowerPC и Intel, но и многопроцессорные платы, платы цифровой обработки сигналов, коммутаторы, видеоадаптеры, накопители и PMC-мезонины, что открывает перед выбравшими VPX разработчиками широкие возможности для творчества.

Захват и передача видео

В упоминавшейся выше БПЛА-программе, как и во многих других проектах по разработке беспилотных платформ, одним из обязательных требований к компьютерной начинке является возможность захвата и передачи видео. Поддержка записи видеоданных и/или передачи видеоизображений на удалённые наземные станции нужна сегодня многим летающим беспилотникам. А в некоторых ситуациях бортовые компьютеры БПЛА даже должны осуществлять сложную обработку изображений с целью самостоятельного анализа ситуации и принятия решений. В рассматриваемой программе данная функциональность была реализована на базе платформы MAGIC1 с привлечением универсального обрабатывающего модуля – PMC-мезонина, оснащённого вентильной матрицей FPGA и интерфейсами ввода-вывода видео. Для достижения необходимой производительности в системе используются два таких модуля. Один мезонин осуществляет захват видео, его сжатие кодеком MPEG-4 и передачу по нисходящему IP-каналу, что позволяет наземным службам видеть происходящее в реальном времени, второй же модуль производит специализированную обработку видеоизображений из другого потока, благодаря чему БПЛА может самостоятельно анализировать ситуацию и принимать решения.

Для разработчиков небольших БПЛА очень важна возможность использования одних и тех же аппаратных средств при создании разных узлов (с соответствующими модификациями программного и микропрограммного обеспечения). Системы, устроенные подобным образом, требуют меньшего числа запчастей и меньших затрат на поддержку и обслуживание. Эффективность интеграции при этом также повышается, поскольку когда одно и то же устройство может использоваться в разных частях системы, число подлежащих контролю параметров уменьшается. Особенно большие преимущества подобная гибкость даёт при проектировании беспилотных летательных аппаратов на основе реконфигурируемых обрабатывающих элементов. На рис. 3 показаны две разные конфигурации одного и того же продукта, предназначенные для решения двух разных классов задач на борту одного БПЛА.

Рис. 3. Две конфигурации одного и того же продукта, предназначенные для решения двух разных классов задач на борту одного БПЛА: для кодирования видео (вверху) и для обработки видео по специализированным алгоритмам (внизу)

Обсуждаемая БПЛА-программа может дать хорошее представление о последних тенденциях в области проектирования полезной нагрузки для беспилотных платформ. Во-первых, в ней имеет место использование ресурсов поставщика встраиваемых компьютерных продуктов, который сам создаёт законченные полнофункциональные подсистемы, оказывая тем самым большую услугу системному интегратору. Во-вторых, чтобы получать такую производительность, которая требуется современным беспилотникам, разработчики прибегают к передовым технологиям – в нашем случае это системная архитектура VPX, процессор Intel Core2 Duo и графический процессор NVIDIA G73. Формфактор VPX 3U, в частности, позволяет создавать действительно высокопроизводительные конечные решения в небольших лёгких корпусах, что до появления стандарта VPX было невозможно. В-третьих, компьютерные решения для современных БПЛА допускают интеграцию сложной дополнительной функциональности (захват и анализ видео), благодаря чему летательные аппараты могут быть не только беспилотными, но и автономными. В свете всего вышесказанного будущее индустрии БПЛА представляется нам вполне безоблачным.