A megbízható kézbesítődrónok fejlesztése a megbízható avionikával kezdődik

A drónokkal történő csomagkézbesítés izgalmas, kimondottan a „startup-vállalkozások” érdeklődési körébe illő, feljövőben levő szakterület. A fejlődést azonban fékezik a normál kereskedelmi repülőeszközökével azonos
szigorúságú légügyi hatósági előírások a személy- és vagyonbiztonság érdekében. Ha a tervező célszerűen választ alkatrészt a repülési elektronika (az avionika) felépítéséhez, számos kihívásnak tud megfelelni.

A drónokkal történő, kereskedelmi célú kézbesítési üzletág népszerűsége gyorsan növekszik, amely felkelti mind a hagyományos kézbesítőszolgáltatók, mind pedig a személyzet nélküli légijárművek (Unmanned Aerial Vehicles – UAV, népszerű nevükön drónok) kezdő gyártóinak érdeklődését. Az első akadály, amivel a kezdő drónfejlesztő vállalkozások találkoznak, a gyártásukra és kereskedelmi felhasználásukra vonatkozó szigorú rendelkezések tömege. Ha a fejlesztők az ezekben foglalt követelményeket mindjárt a tervezési folyamat elején figyelembe veszik, az sokkal biztonságosabb és költséghatékonyabb, mintha a tervezés későbbi stádiumaiban próbálnának módosításokat végrehajtani az előírások teljesítése érdekében. A kereskedelmi célú drónok folytatólagos elfogadása egyre növekvő mértékben támaszkodik a helyszínen programozható logikai áramkörök (Field Programmable Gate Array – FPGA) használatára, amely egyrészt lehetővé teszi a szabályozási követelményekhez való folyamatos alkalmazkodást, másrészt megoldást kínál a méretekre, az energiafogyasztásra és a megbízhatóságra, a nagy magasságú repülés közbeni sugárzások okozta működési zavarokkal, valamint az egyre szélesebb körű kiberfenyegetésekkel szembeni ellenállóképességre vonatkozó elvárások kielégítésére.

A drónértékesítések gyors növekedése

Az UAV-ok – másnéven drónok – iránt nagyjából a legutóbbi évtizedben jelentkezett egyre növekvő érdeklődés. Eredetileg katonai alkalmazásokra tervezték ezeket, és az első, személyzet nélküli, távirányított repülőgépről – meglepő módon – már 102 évvel ezelőttről is találunk beszámolókat. A drónok fejlesztése és a katonai eszközként való felhasználása a 20. században tett szert igazán nagy jelentőségre. A szórakoztató- és hobbicélú drónok iránti kereslet a 2000-es évek elején erősödött meg és keltett növekvő piaci érdeklődést, a Federal Aviation Administration (FAA, az USA légügyi hatósága) pedig 2006-ban kezdett hivatalosan kibocsátani drónengedélyeket kereskedelmi (professzionális) használatra (1. ábra). Jelenleg a dróneladásokat 12 milliárd USD-re prognosztizálják, ebből a kereskedelmi célú drónok 2021-es értékesítése várhatóan meghaladja majd a 20 millió USD-t.

1. ábra A kereskedelmi kézbesítődrónok autópálya-sebességgel (100-115 km/h) közlekedhetnek

Az UPS volt az első jövedelemérdekelt cég az USA-ban, amely sikeresen alkalmazta a drónokat csomagkézbesítési célra. Azzal kezdték, hogy drónos startup cégek széles körű bevonásával légi úton továbbítottak orvostechnikai fogyóeszközöket távoli afrikai segélyközpontok részére. Azóta az UPS az USA légterében is meghonosította ezt a gyakorlatot a FAA által jóváhagyott drónos kézbesítési séma szerint, először vérminták szállítására Észak-Karolina államban. Adódik a kérdés, hogy mi az, amivel a kereskedelmi célú drónokkal végrehajtott kézbesítés többet tud nyújtani annál, amire a felszíni járművek is képesek. A drónok a méreteikre és a 25 kg-ban maximált teljes repülési tömegükre vonatkozó előírások miatt ugyan csak kisebb hasznos terhet szállíthatnak, viszont sokkal jobban manőverezhetők, és nehezen hozzáférhető, valamint távoli helyeket is el tudnak érni. (Megjegyezzük, hogy itt és a továbbiakban az eredeti cikk számadatait metrikus egységekre átszámítva közöljük a szemléletesség kedvéért – A ford. megj.) Ezek a képességek különösen hatékonyak, ha kicsi, de értékes hasznos terhet – mint például orvosi fogyóeszközöket és anyagokat – kell szállítani olyan helyekre, ahova másképpen nehéz lenne eljutni. A kicsi, de hatékony drónok sokkal gyorsabban repülnek, mint azt várhatnánk tőlük. A szabadidős elfoglaltságra használt drónok tipikusan kb. 40 km/h sebességgel repülnek, és alkalmilag legfeljebb 65 km/h-t érhetnek el. A versenycélú drónok akár 160 km/h sebességet is elérhetnek, meghaladva ezzel a FAA jogszabálya által meghatározott maximális sebességet is. A tipikus kereskedelmi drónok utazósebessége 100...115 km/h, nagyjából azonos az autópályákon elérhető sebességgel, de azzal az előnnyel, hogy a sebességet a forgalom nem korlátozza (és nem kell a kiépített utak vonalvezetését követniük – A szerk. megj.). Ráadásul a drónok költséghatékonyabbá is teszik a csomagkézbesítést. A Deutsche Bank adatai alapján a drónos kézbesítés szállítási költsége a hagyományos szállításra vonatkozó 4 USD/km helyett 0,03 USD/km.

A további növekedést gátló akadályok

Az az álom, hogy épp csak megrendelünk valamit, és egy repülő robot perceken belül kézbesíti is azt, csak lassan válik valóra. A jelenkori drónos vállalkozások hajlamosabbak a nagyobb értékű megbízásokra fókuszálni. Azon szigorú előírások hatására, amelyek az UAV-ok használatát szabályozzák az USA területén, sok kezdő drónos cég – bár a székhelyük az USA-ban van – inkább olyan területeken vállalkozik, ahol kevésbé szigorúak a használatot korlátozó jogszabályok (például Afrikában vagy Európában). Ennek egyik példája a Zipline – egy kisvállalkozás –, amelynek székhelye Half Moon Bay (Kalifornia, USA), viszont drónjaival az afrikai Ruanda és Ghana területén hajt végre életmentő küldetéseket.
Már azoknak a szabályoknak a listája is igen terjedelmes, amellyel a FAA a hobbicélú drónok használatát szabályozza, ám a kereskedelmi célú UAV-okra vonatkozó szabályok még ennél is sokkal szigorúbbak. Az összes drónnak, amelyet kereskedelmi célra kívánnak használni, regisztrálva kell lennie a FAA-nál, a kezelőjének pedig távirányítású repülőeszközökre érvényes pilótajogosítvánnyal kell rendelkeznie. A kereskedelmi célú UAV-ok minden avionikai részegységének éppúgy meg kell felelnie a DO-254 és DO-178 irányelveknek, mint a teljes méretű repülőgépeknek. Ezenkívül jelenleg is kidolgozás alatt állnak új szabályozások a kritikus repüléstechnikai alkalmazásokhoz. Ezek közé tartozik például az autonómia, azaz az önálló repülés az operátor látótávolságán kívül, továbbá éjszaka vagy éppen emberek feje felett, és végül a csomag önálló kézbesítése.
Annak, hogy a kézbesítési feladatokat drónokkal is meg lehessen oldani, az a legnagyobb akadálya, hogy a csomag elveszhet, megsérülhet, vagy azt egy kívülálló illetéktelen beavatkozással megszerezheti. Az utóbbit a legkönnyebb elkerülni a tervezési folyamatban érvényesített óvintézkedésekkel. A drónok avionikai rendszereire hatással levő fő tényezők gyakran a vagyonbiztonságot, a feldolgozási teljesítőképességet, az energiafogyasztást, a tömeget és a méreteket is érintő kompromisszumok. Mindezeket a tényezőket egyaránt kezelni lehet a legújabb generációs FPGA-k alkalmazásával.

Az FPGA-k számos dróntervezési probléma megoldásában segíthetnek

A dróntervezőknek kis méretű, energiahatékony és megbízható elektronikai alkatrészekre van szükségük, amelyek eléggé védettek a rosszindulatú beavatkozások fenyegetése ellen. A drónoknak szűkös energia-, méret- és súlykorlátoknak kell megfelelniük, amelyek mind erősen befolyásolják az akkumulátor két újratöltése közti üzemidőt. Mindezekhez a követelményekhez még az is hozzájárul, hogy az UAV-ok olyan mostoha környezeti körülményeknek is ki vannak téve, mint a neutronbehatás, a nedvesség és az extrém hőmérséklet.
Mint minden avionikai rendszernek, az UAV-eszközökben használtaknak is olyan kicsiknek és könnyűeknek kell lenniük, amennyire csak lehetséges. Ez azt jelenti, hogy a kis méreteken kívül követelmény a hűtőbordák minimális mérete vagy teljes elhagyása is. A kis méretű elektronikai alkatrészekkel csökkenthető a NyÁK-lap és az elektronikát befogadó tokozat mérete is, csökkentve ezáltal a rendszer teljes súlyát, amely a hatékonyság, az egy feltöltéssel elérhető repülési idő növelését eredményezi.
Ugyancsak szükséges olyan alkatrészek választása, amelyek a lehető legkisebb hőtermeléssel tudnak működni. A flash- és a szilíciumra rétegezett szilícium-oxid-nitrid (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon – SONOS)-alapú FPGA-k képesek kezelni ezeket a kihívásokat, amellyel minden drónrendszernél találkozunk, beleértve a szenzorok illesztését, a repülésirányítást és a képfeldolgozást is. Az ilyen típusú FPGA-k fogyasztják a legkevesebb energiát, amely az SRAM-alapú megfelelőik fogyasztásánál akár 50%-kal is kevesebb lehet (2. ábra). Ez szükségtelenné teszi a hűtőborda alkalmazását, és anélkül csökkenti a teljes rendszer súlyát, hogy annak hatékonyságából bármennyit is fel kellene áldozni.

2. ábra A flash- és SONOS-alapú FPGA-k fogyasztása 30-50%-kal alacsonyabb az SRAM-alapúakénál

Mivel a DO-254 irányelvnek való megfelelés alapkövetelmény, fontos, hogy a dróngyártók olyan alkatrészeket válasszanak, amelyekkel kapcsolatban kiterjedt alkalmazási tapasztalatok állnak rendelkezésre. Ez feltétele annak, hogy a repülőeszközre tanúsítványt lehessen szerezni. A repüléstechnikai gyártók számára ez azt jelenti, hogy olyan alkatrész-beszállítót kell választaniuk, amely DO-254 megfelelőségi tanúsítványokkal rendelkezik a felhasznált szellemi tulajdon számos változatára ahhoz, hogy a végtermék tanúsítványának megszerzéséhez támogatást tudjon nyújtani. Egy tapasztalt alkatrészgyártó rendelkezésre tudja bocsátani ehhez a szükséges dokumentációt és útmutatást, amely parancsoló szükségszerűséggé válik a tanúsítási eljárás során.
Egy másik fontos tervezési megfontolás az olyan alkatrészek kiválasztása, amelyek védettek a – főként – neutronok által okozott, egyszeri és reprodukálhatatlan működési zavarok (Single Event Upsets – SEU) ellen (3. ábra). A légköri neutronfluxus (az 1 cm² felületen másodpercenként áthaladó neutronok száma) a magasság növekedésével növekszik. Például 12 km-es tengerszint feletti magasságban (ez a kereskedelmi repülőgépek tipikus repülési magassága) a neutronfluxus a tengerszinten tapasztalhatónak 515-szöröse. Egy neutronáthaladás által okozott SEU a repülőeszköz téves működését és meghibásodását okozhatja, amely miatt katasztrofális kárt okozhat abban a tárgyban, amelyre nagy sebességgel rázuhan, illetve ha a repülőeszköz életfontosságú orvosi anyagot szállít egy páciensnek, minden másodperc-késedelem számíthat. Bár a drónok rendszerint nem repülnek 120 m-nél magasabban a földfelszínhez képest, vannak olyan városok az USA egyes államai (például Colorado, Utah és New Mexico) területén, ahol a felszín tengerszint feletti magassága önmagában is megközelíti a 3000 m-t. Az ilyen tengerszint feletti magasságon a neutronbecsapódások hatása már kezd észrevehetővé válni, mivel itt a neutronfluxus a tengerszinten észlelhetőnek már a 12-szerese. A flash- és SONOS-alapú FPGA-k védettek a sugárzás által okozott működési zavarok ellen, és nem veszítik el funkcionalitásukat még az ilyen repülési magasságon sem.

3. ábra A flash- és SONOS-alapú FPGA-k konfigurációs adatai védettek a sugárzás okozta működési zavarok ellen

A biztonság (a szót ezúttal a jogosulatlan beavatkozások elleni védettség értelmében használva – A szerk. megj.) egy másik fontos szempont a repülési alkalmazások területén. A biztonsági problémák kezelése már a szilíciumtechnológia során elkezdődik és a rendszer használatba vétele és alkalmazása során csak folytatódik. A flash- és a SONOS-alapú FPGA-k az iparág legkorszerűbb és a legbiztonságosabban programozható eszközei. A beépített biztonsági titkosító processzorukon kívül ezek az FPGA-k rendelkeznek mindazokkal a kulcsfontosságú képességekkel, amik egy megbízhatóan védett és egy biztonságos beágyazott rendszer biztonságos hardverplatformja felépítéséhez szükségesek, és amelyek azokat sebezhetetlenné teszik a klónozásos, másolásos és visszafejtéses visszaélési próbálkozásokkal szemben. A beágyazott rendszer biztonságkritikus adatai védettek a rosszindulatú támadási kísérletek ellen. Néhány ilyen képesség azok közül, amelyek nem érhetők el az SRAM-alapú FPGA-kban: olyan kulcstárolás, amely fizikailag zárja ki a biztonsági kulcsok kiolvasását vagy másolását (Physically Unclonable Function – PUF), valamint a szabadalommal védett módszer a differenciális energiafogyasztás-elemzéssel (Differential Power Analysis – DPA) történő visszafejtésének megakadályozására. Bármilyen programozható eszköz sebezhető a megfelelő támadás által, ezért a tervezőknek olyan elektronikus eszközöket kell beszerezniük, amelyeket egy megbízható gyártó ruházott fel hatékony biztonságvédelmi képességekkel.
A kérdésre, hogy hogyan jut hozzá ezekhez a képességekhez az alkatrész felhasználója, példával szolgál a Microchip PolarFire FPGA-eszközcsaládja. Ennek alkatrészsűrűségére jellemző, hogy 100 ezer logikai elemet tartalmaz 11 × 11 mm alapterületű tokban, amellyel hozzájárulhat egyebek között egy UAV fedélzeti elektronikáját befogadó doboz méretének és a rendszer összsúlyának csökkentéséhez. Ezek az FPGA-k 50%-kal kevesebb energiát fogyasztanak az SRAM-alapú megfelelőiknél, ami által feleslegessé válik a hűtőborda alkalmazása, növekszik a két feltöltés közötti üzemidő, azaz a drón hasznos repülési ideje. Ezek az FPGA-k beágyazott biztonsági megoldásokkal is rendelkeznek, ezért elkerülhető, hogy ezeket a kritikus funkcionalitásokat szoftverrel kelljen megvalósítani.

Összegzés

A drónokkal történő kézbesítés lehetőségeit jelenleg erősen körülhatárolják a szállítási hatóságok rendelkezései, amelyeket elsősorban a személyek fizikai biztonsága és a magánélethez fűződő jogok biztonságos kezelése iránti igény motiválja. Azáltal, hogy az alkatrészgyártók kimondottan azzal a szándékkal terveznek alkatrészeket, hogy a felhasználásukkal épített drónok meg tudjanak felelni ezeknek a követelményeknek, közvetlenül hozzájárulnak a drónos kézbesítés szakterületének gyorsuló fejlődéséhez. A flash- és SONOS-alapú FPGA-k lehetővé teszik, hogy a drónfejlesztők eleget tudjanak tenni a fizikai és vagyonbiztonság, valamint a megbízhatóság követelményeinek a tervezés és alkalmazás folyamán, miközben hozzájárulnak a drónok méretének és árának, valamint a nagy tengerszint feletti magasságban fenyegető, sugárzás által okozott működési zavarok kockázatának csökkentéséhez. Ezek az FPGA-jellemzők megoldást adnak néhány problémára azok legnagyobbjai közül, amelyekkel a drónelektronikák fejlesztői szembesülnek, és hozzájárulnak ahhoz, hogy a kereskedelmi drónokkal történő kézbesítéssel már a nagyon közeli jövőben is rendszeresen elérhető szolgáltatásként találkozhassunk.

Szerzők: Maria Zaitchenko, hallgató – University of Toronto, Faculty of Applied Science and Engineering
Julian Di Matteo, vezető termékmarketing-mérnök – Microchip Technology, Space and Aviation

www.microchip.com