Аспекты интеграции микроконтроллеров для беспилотных авиационных систем

Антонов К. Д.,

Шмендюк О. А.

 

Аспекты интеграции микроконтроллеров для беспилотных авиационных систем.

Науч. рук.: Ивашова Е. А., 

преподаватель КГБПОУ «ККРИТ»

Науч. рук.: Казанкова А. А., 

преподаватель КГБПОУ «ККРИТ»

 

В статье рассмотрены аспекты использования микроконтроллеров серии MIK32 «Амур» и STM32 при организации работ для беспилотных авиационных систем в строительстве. Приведены описание и функциональные характеристики указанных микроконтроллеров, а также описаны достоинства и недостатки каждого из них.

 

Актуальность: Необходимость выявления практичного микроконтроллера для бесперебойной работы беспилотных авиационных систем по заявленным функциональным характеристикам.

Цель исследования: Теоретическое обоснование, выявление и изучение ряда функциональных характеристик микроконтроллера серии MIK32 «Амур»».

Объект исследования: микроконтроллер серии MIK32 «Амур».

Предмет исследования: описание и функциональные характеристики к микроконтроллеру серии MIK32 «Амур».

Гипотеза: микроконтроллер серии MIK32 «Амур» является оптимальным выбором для выполнения задач беспилотными авиационными системами в строительстве.

Задачи исследования: 

1. Разработать диагностический инструментарий для проведения исследования;
2. Организовать и провести исследование описания и функциональных характеристик к микроконтроллеру серии MIK32 «Амур».
3. Проанализировать итоги и представить материал исследований.

Методы исследования: 

1. Теоретический: теоретический анализ литературных источников и электронных ресурсов;
2. Эмпирический: анкетирование.

Практическая значимость: заключается в возможности использования полученных данных при организации работ для беспилотных авиационных систем в строительстве, также позволяет минимизировать риски, осуществлять режим экономии и рационального использования материальных ресурсов и времени.

Аспекты применения БАС в строительстве

Беспилотные авиационные системы (БАС) — это одна из самых передовых технологий, активно развивающаяся и применяющаяся во многих отраслях экономики. Внедрение в гражданские отрасли — это не просто технологический тренд, а необходимость, продиктованная потребностями современной экономики и общества. Одно из перспективных и активно развивающихся направлений это строительство. Рассмотрим основные направления применения дронов в данном сегменте:

• строительство и инфраструктура: планирование и контроль строящихся зданий и сооружений;
• топографическая съемка с высокой точностью и минимальными усилиями (построение трехмерных карт, которые будут учтены при проектировании инфраструктурных объектов, например, таких как дороги, а также позволяют учитывать особенности рельефа);
• мониторинг состояния зданий и инфраструктуры (инспекция мостов: выявление трещин и коррозии; мониторинг состояния дорог: выявление повреждений асфальта);
• контроль за строительством (помощь в оценке выполнения работ, проверка соответствия плана и сроков, фиксация изменения на стройплощадке, создание видеоотчетов для анализа прогресса работ).

Роль микроконтроллеров в БАС

Микроконтроллеры обеспечивают выполнение всех задач, связанных с контролем полета, взаимодействием с сенсорами, обработкой данных и управлением моторами в беспилотных авиационных системах.  

Микроконтроллеры отвечают за контроль скорости и ориентации, управление энергопотреблением, сбор и обработка данных с датчиков, а также реализация алгоритмов навигации и стабилизации полета. Благодаря своей высокой энергоэффективности и возможности работы в реальном времени, они обеспечивают точную и быструю реакцию на изменения окружающей среды и команды оператора. Без микроконтроллеров невозможно представить бесперебойную работу БВС, особенно в сложных условиях, где важно поддерживать стабильность полета и обеспечивать выполнение задач автономно.

Описание и функциональные характеристики МИК32 Амур

Микроконтроллеры серии MIK32 «Амур» представляют собой отечественные решения для встраиваемых систем, разработанные специально для использования в приложениях с высокими требованиями к энергоэффективности и производительности. 

1. Архитектура и поддерживаемые интерфейсы:

• 32-битное ядро RISC-V обеспечивает высокую производительность при минимальном энергопотреблении (выполнение команд с низкой задержкой в режиме реального времени – управление полетом); 
• тактовая частота – 32 МГц;
• стандартные интерфейсы: UART, SPI, I2C, CAN позволяют интегрироваться с периферийными устройствами – сенсорами контроллеров моторов и модулей связи.

1. Память и периферийные устройства

• встроенная флеш-памятью от 64 до 256 КБ;
• ОПЗУ (Однократно программируемая ПЗУ) – 256 бит;
• ОЗУ — 16 КБ;
• ПЗУ (EEPROM) – 8 КБ;
• подключаемая внешняя память программ (QSPI Flash) – до 16 МБ;
• кэш память внешней шины памяти программ – 1 кБ;
• поддерживаемые частоты опорного тактового сигнала 1-32 МГц; [1]
• поддержка АЦП (аналого-цифровые преобразователи: 12 бит, 8 каналов, частота дискретизации до 1 МГц) и ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи: 12 бит, 2 канала, частота дискретизации до 1 МГц) для работы с аналоговыми сигналами – сигналы от датчиков или моторов.

1. Особенности:

• аппаратная поддержка крипто-алгоритмов ГОСТ 34.12–2018 и AES128;
• рабочие температуры -40…+85ºC. [2].

Микроконтроллеры MIK32 «Амур» находят широкое применение в беспилотных авиационных системах благодаря своим характеристикам, которые делают их идеальными для задач управления полетом, обработки данных с датчиков и взаимодействия с периферийными устройствами.

1. Управление двигателями с помощью ШИМ (широтно-импульсная модуляция) контроллерами – точная регулировка скорость вращения моторов, обеспечивая плавное управление и стабильность полета в условиях сильного ветра, так и для стабильного полета при изменении нагрузок.
2. Работа с сенсорами (эффективный сбор и обработка информации о положении, скорости, высоте и других параметрах БВС).
3. Управление периферией (взаимодействие с камерой, системами связи и обнаружения препятствий, возможность работы с CAN-интерфейсом особенно полезна для сложных систем, где требуется координация множества компонентов).

Таким образом, микроконтроллеры MIK32 «Амур» представляют собой надежное и эффективное решение для управления БАС, предлагая высокую энергоэффективность и адаптацию к сложным условиям эксплуатации. Эти микроконтроллеры продолжают завоевывать популярность благодаря своей гибкости, производительности и поддержке современных инструментов разработки.

 

Описание и функциональные характеристики микроконтроллеров STM32

Микроконтроллеры STM32, разработанные компанией STMicroelectronics, представляют собой одну из самых популярных и широко используемых платформ в сфере разработки встраиваемых систем. 

Основные модели микроконтроллеров STM32 делятся на несколько серий: STM32F (самая популярная линейка, предлагает оптимальный баланс между производительностью и энергопотреблением, широко применяется в БАС для управления полетом, обработки данных и работы с периферийными устройствами), STM32L (низкое энергопотребление, особенно полезны в автономных БАС), STM32H (высокая производительность, подходят для БАС, выполняющих навигацию, обработку изображений и управления полетом в сложных условиях), STM32G (новая серия, предлагается как решение для задач, требующих быстрой реакции на внешние воздействия, таких как управление и обработка сигналов от датчиков в реальном времени).

1. Архитектура и поддерживаемые интерфейсы:

• 32-битное ядро ARM Cortex-M;
• тактовая частота от 32 МГц (например, в STM32L0) до 550 МГц (в STM32H7);
• широкий спектр периферийных интерфейсов: UART, SPI, I2C, CAN, USB, Ethernet.

1. Память и периферийные устройства

• встроенная флеш-память от 128 байт до 1 КБ;
• ОПЗУ (Однократно программируемая ПЗУ, OTP) — от 128 до 512 байт;
• ОЗУ – от 4 КБ до 1,4 МБайт;
• ПЗУ – от 16 КБ до 2 МБ;
• подключаемая внешняя память – до 32 МБ;
• кэш память внешней шины памяти программ – до 128 КБ;

• поддерживаемые частоты опорного тактового сигнала 1 — 480 МГц; 
• поддержка АЦП (аналого-цифровые преобразователи: 12 бит, до 20 каналов, частота дискретизации до 1 МГц) и ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи: 12/16 бит, 2 канала, частота дискретизации до 1 МГц) для работы с аналоговыми сигналами – сигналы от датчиков или моторов.

1. Особенности:

• рабочие температуры: 0…+70ºC, расширенная версия -40…+85ºC;
• серия STM32L может работать в режимах глубокого сна с энергопотреблением менее 1 мкА, что делает ее идеальной для приложений с длительными периодами ожидания или для БВС, где требуется минимизация расхода энергии.

Важной особенностью является поддержка широтно-импульсной модуляции (PWM), которая используется для управления электродвигателями БВС. [3].

Рассмотрим, как STM32 используются в БАС для выполнения различных задач:

1. Управление полетом (использование ШИМ-сигналов для обеспечения плавности полета и маневренности, также микроконтроллеры обрабатывают данные от датчиков ориентации (гироскопов и акселерометров);
2. Обработка данных с датчиков (GPS, барометры, датчики высоты, лидары или камеры);
3. Навигация (интеграция с GPS и ГЛОНАСС модулями);
4. Интеллектуальная обработка сигналов (возможность выполнения параллельных вычислений и обработки больших объемов данных в реальном времени).

Таким образом, микроконтроллеры STM32 обеспечивают широкие возможности для разработки и управления беспилотными авиационными системами. Их производительность, энергоэффективность и гибкость делают их популярным выбором для множества приложений в области управления полетами, обработки данных и автономной навигации.

Сравнение микроконтроллеров

Выбор микроконтроллера для беспилотных авиационных систем зависит от нескольких ключевых факторов, таких как производительность, энергопотребление, поддержка периферийных устройств и особенности конкретного проекта. Микроконтроллеры MIK32 «Амур» и STM32 предлагают свои преимущества в зависимости от целей и требований проекта.

1. Производительность

Если проект требует высокой производительности для выполнения сложных вычислений, обработки данных с большого количества сенсоров или выполнения задач в реальном времени, лучшим выбором станут микроконтроллеры STM32, особенно серии STM32H. Эти микроконтроллеры работают на частотах до 480 МГц и способны выполнять сложные задачи, такие как обработка видео, навигация и работа с системами на основе искусственного интеллекта.

Для средних задач с умеренными требованиями к вычислительной мощности, таких как управление моторами и сбор данных с сенсоров, MIK32 «Амур» может стать хорошим выбором. Он предлагают достаточную производительность для выполнения стандартных задач управления и стабилизации полета при более низкой стоимости.

1. Энергопотребление

Для беспилотных аппаратов с ограниченными ресурсами или длительными миссиями, где важна экономия энергии, стоит выбирать микроконтроллеры с низким энергопотреблением. Здесь подойдут модели STM32L, которые оптимизированы для задач с низким энергопотреблением. Они идеально подходят для БВС, работающих от батарей в автономном режиме.

MIK32 «Амур» также обеспечивает хорошую энергоэффективность, что делает его подходящим для систем, где требуется продолжительная работа без подзарядки. Особенно это актуально для БАС, используемых в мониторинге.

1. Поддержка периферийных устройств

STM32 предлагает широкий спектр поддерживаемых интерфейсов, включая USB, CAN, Ethernet, UART, SPI и другие. Это делает STM32 идеальным выбором для сложных систем, требующих подключения множества периферийных устройств, таких как камеры, лидары, системы связи и двигатели.

MIK32 «Амур» поддерживает все основные интерфейсы, такие как UART, SPI, I2C, что достаточно для большинства стандартных задач управления БВС. Однако при необходимости работы с более сложными периферийными устройствами (например, высокоскоростными интерфейсами) STM32 может быть предпочтительнее.

Преимущества и недостатки каждой платформы

Проанализируем ряд преимуществ и недостатков MIK32 «Амур» и STM32, которые оказывают влияние на востребованность для использования в БАС:

1. MIK32 «Амур»

1. Отечественная разработка, адаптированная для работы в сложных климатических условиях;
2. Эффективность и энергоемкость (главное преимущество: благодаря ядру RISC-V и оптимизированным алгоритмам управления энергопотреблением, что делает его подходящим для БВС с ограниченными ресурсами питания);
3. Интеграция с библиотеками и инструментами (поддержка стандартных библиотек для работы с периферией – HAL и CMSIS, также открытая архитектура RISC-V упрощает разработку собственных библиотек);
4. Надежность и устойчивость к внешним воздействиям (низкая температура, высокая влажность и электромагнитные помехи).

Однако у MIK32 «Амур» есть и некоторые недостатки:

1. Меньшая экосистема по сравнению с зарубежными аналогами (т.к. экосистема пока находится на стадии развития, это может ограничить доступность специализированных инструментов и библиотек для разработки);
2. Ограниченная поддержка внешних устройств (требует дополнительной адаптации при разработке сложных систем);

1. STM32

1. Большая экосистема программного обеспечения и поддержка множества инструментов для разработки (STM32CubeMX, STM32CubeIDE);
2. Широкий выбор моделей с различными уровнями производительности, от низкого энергопотребления до высоких вычислительных мощностей;
3. Поддержка множества периферийных устройств и интерфейсов, что делает STM32 универсальным решением для сложных проектов;

У STM32 также есть недостатки:

1. Более высокая стоимость по сравнению с альтернативами;
2. Избыточная производительность для простых задач, что может привести к излишнему энергопотреблению.

При выборе микроконтроллера для БАС важно учитывать множество факторов, таких как требования к производительности, энергопотреблению и поддержке периферийных устройств. STM32 является наиболее универсальным решением для сложных проектов с высокими требованиями к производительности и интерфейсам, тогда как MIK32 «Амур» отлично подойдет для проектов, требующих энергоэффективности и надежности в сложных условиях. 

Результаты проведенного анкетирования:

В рамках разработки проекта было проведено пилотное анкетирование, в котором приняли участие 100 человек в возрасте от 17 до 60 лет. Результаты опроса показали, что 85 из них считают, что использование беспилотных авиационных систем в строительстве является эффективным, 15 – считают, что не является, в процентном соотношении это составляет 85% и 15% соответственно.

Затем опрошенным было предложено оценить важность характеристик микроконтроллеров для работы беспилотных авиационных систем при непосредственном использовании в строительстве и расположить их в порядке убывания значимости. Из 90 человека, посчитавших, что использование беспилотных авиационных систем в строительстве является эффективным, 71 (79%) отметили показатель «Стоимость», 65 (72%) – «Производительность», 61 (68%) – «Независимость от внешнего импорта», 58 (64%) – «Энергопотребление», 49 (54%) – «Устойчивость к внешним воздействиям», 42 (47%) – «Поддержка периферийных устройств», 41 (46%) – «Аппаратная поддержка крипто-алгоритмов по ГОСТ», 34 (38%) – «Отсутствие избыточной эффективности» и 28 (31%) – «Интеграция с библиотеками и инструментами».

Рассмотрев итоги анкетирования, можно сделать вывод, что большинство опрошенных считают эффективным использование беспилотных авиационных систем в строительстве. Самыми популярными характеристики микроконтроллеров для работы БАС были названы стоимость, производительность, независимость от внешнего импорта, устойчивость к внешним воздействиям. Большинство перечисленных характеристик соответствует положительным качествам микроконтроллеров MIK32 «Амур».

 

Таким образом, можно сделать вывод о том, что при выборе микроконтроллера для БАС важно учитывать множество факторов, таких как требования к производительности, энергопотреблению и поддержке периферийных устройств. STM32 является наиболее универсальным решением для сложных проектов с высокими требованиями к производительности и интерфейсам, тогда как MIK32 «Амур» отлично подойдет для проектов, требующих энергоэффективности и надежности в сложных условиях.