НТУ «Сириус»: Разработка унифицированной аппаратно-программной платформы БПЛА с разделяемой архитектурой ядра и несущей части

Цель проекта: 

Создание универсальной модульной платформы БПЛА с разделяемой архитектурой и тестирование возможностей многоядерного микроконтроллера Baikal-U1000 в качестве высокопроизводительного вычислительного ядра. Проект нацелен на замену разнородного парка узкоспециализированных дронов единой унифицированной экосистемой.

Описание задачи: 

  • Разработка схемотехники вычислительного модуля с физической и гальванической изоляцией логики от силовых цепей распределения питания.
  • Проектирование унифицированного гибридного электромеханического интерфейса (на базе USB Type-C) для быстрой замены функциональных корпусов.
  • Тестирование аппаратных возможностей платформы Baikal-U1000 для реализации алгоритмов автоконфигурирования («Plug & Fly»).

Ключевые особенности реализации: 

  1. Используемый микроконтроллер: o Baikal-U1000
  2. Алгоритмы/программное обеспечение:
    1. ОСРВ (FreeRTOS) для жесткого разделения логики стабилизации от драйверов периферийных устройств.
    1. Динамическая загрузка профилей управления (PID-коэффициентов, матриц микширования) из базы данных.
    1. Компиляция и отладка велись с использованием кросс-тулчейнов (GCC, CMake, OpenOCD).
  3. Аппаратная часть:
    1. Вычислительное ядро с полетным контроллером, IMU-сенсором и модулем навигации в защищенном модуле.  o         Недорогие сменные силовые корпуса (рама, моторы, аккумулятор), выступающие в роли «расходного материала» при авариях
  4. Образовательный или промышленный контекст: 

                              o           Проект разрабатывается совместно с ФГБОУ ВО «Югорский

государственный университет», г. Ханты-Мансийск для промышленного и коммерческого применения: мониторинг посевов в сельском хозяйстве, инспекция трубопроводов и ЛЭП в ТЭК. Основная ценность для бизнеса заключается в снижении капитальных и операционных затрат.

Результаты: 

  • На текущий момент проект имеет незаконченный статус в части первоначального технического задания: до серийных разработок и финальных летных тестов на базе Baikal-U1000 дойти не удалось. Была успешно валидирована концепция унифицированных интерфейсов сопряжения и разработана архитектура ПО для «горячей» замены корпусов.

Выводы: 

  • В ходе опытно-конструкторских работ микроконтроллер Baikal-U1000 продемонстрировал высокий вычислительный потенциал. Однако специфика нашего проекта требует создания вычислительного ядра в виде компактного герметичного модуля с жестким ограничением по массе до 150 граммов. Высокая производительность архитектуры Baikal-U1000 сопровождается соответствующим тепловыделением и повышенными требованиями к подсистеме питания. Эти параметры оптимальны для более крупных систем с возможностью активного теплоотвода, но представляют конструктивную сложность для закрытых малогабаритных сборок.
  • Мы рассматриваем решения линейки Baikal как перспективные для применения в более тяжелых беспилотных комплексах (свыше 30 кг) или наземных станциях управления, где вычислительная мощность является приоритетом, а ограничения по массе и теплоотводу не столь критичны.

Перспективы: 

  • Завершение адаптации схемотехники и программного обеспечения под импортозамещенный микроконтроллер. Проведение стендовых испытаний на виброустойчивость узла сопряжения и последующие натурные летные испытания платформы на гетерогенных носителях для вывода продукта на рынок коммерческих БАС.

Рис. 1 – Модель прототипа в 3D-визуализации

Рис. 2 – 3D-визуализация гибридного электромеханического интерфейса на базе USB Type-C