為無人駕駛車輛部署加固平臺

基于COTS的技術(shù)和相關(guān)的熱管理產(chǎn)品正在幫助現(xiàn)代無人機(jī)/ UAS提供內(nèi)置的惡劣環(huán)境生存能力和可靠性，此外還有助于有效實(shí)現(xiàn)視頻和存儲需求。

無人機(jī)和系統(tǒng)（UAV / UAS）在情報(bào)，監(jiān)視和偵察（ISR）方面的發(fā)展已被證明是軍方游戲規(guī)則的根本改變者。這些無人駕駛車輛能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，也帶來了一些最困難的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這是因?yàn)樾枰谧钚〉某叽?、重量和功?（SWaP） 約束內(nèi)打包高水平的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)收集/分發(fā)元件，同時(shí)保持堅(jiān)固耐用的功能，以便在非常苛刻的環(huán)境中運(yùn)行。

此外，無人機(jī)的功能已經(jīng)大大超越了其最初的“無人機(jī)”目的，現(xiàn)在具有先進(jìn)的機(jī)載智能，能夠進(jìn)行高度自主的飛行，并能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)整。這些基于UAV/UAS的新型系統(tǒng)的復(fù)雜性要求高性能、高帶寬的計(jì)算技術(shù)，這些技術(shù)只會為設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)增加有效的熱管理。

根據(jù)美國空軍2009-2047年未分類的飛行計(jì)劃，“標(biāo)準(zhǔn)和互操作性是聯(lián)合部隊(duì)在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中獲得信息優(yōu)勢的關(guān)鍵。因此，無人機(jī)開發(fā)目標(biāo)要求基于標(biāo)準(zhǔn)接口和可互操作的“即插即用”有效載荷的一組通用機(jī)身。這種互操作性要求采用開放式架構(gòu) COTS 方法。然而，部署的機(jī)身范圍及其隨附的地面指揮和控制系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)人員對應(yīng)用和系統(tǒng)級選項(xiàng)有深入的了解。

基于COTS的新型嵌入式計(jì)算技術(shù)及其相關(guān)的熱管理解決方案正在幫助推進(jìn)無人機(jī)/無人機(jī)設(shè)計(jì)。兩個(gè)考慮因素至關(guān)重要：在惡劣環(huán)境中構(gòu)建生存能力和可靠性，以及針對視頻和存儲需求進(jìn)行設(shè)計(jì)?；贑OTS的選項(xiàng)可以幫助克服發(fā)展挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)與軍方統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)與其ISR任務(wù)目標(biāo)相匹配的緊密集成的系統(tǒng)。

技術(shù)驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)的無人機(jī)/無人機(jī)系統(tǒng)能力

UAS/UAV開發(fā)中的首要重要考慮因素之一是評估廣泛的新平臺和系統(tǒng)級技術(shù)，以提供更高的計(jì)算和通信能力以及更大的實(shí)時(shí)操作控制。除了實(shí)際的無人機(jī)飛機(jī)之外，無人機(jī)還包括地面站和其他元素，因此嵌入式平臺必須能夠支持多個(gè)任務(wù)，而不是軍事設(shè)計(jì)人員必須開發(fā)多個(gè)專用于單獨(dú)任務(wù)的系統(tǒng)。例如，UAS偵察程序必須包括多種功能，例如視覺系統(tǒng)，熱傳感器，電磁頻譜傳感器，生物傳感器和化學(xué)傳感器。

功能豐富、高性能和高帶寬的嵌入式計(jì)算解決方案與高密度存儲容量相結(jié)合，可以處理海量和不斷增長的傳感器數(shù)據(jù)的計(jì)算密集型需求。軍事系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不斷轉(zhuǎn)向經(jīng)過驗(yàn)證的、基于標(biāo)準(zhǔn)的平臺，如模塊上的計(jì)算機(jī) （COM）、CompactPCI 和 VPX，以實(shí)現(xiàn)其 ISR 互操作性計(jì)劃目標(biāo)。但是，還必須權(quán)衡每種機(jī)身及其任務(wù)的SWaP和熱管理要求的能力。

例如，具有高性能要求的小型機(jī)身是基于COM的解決方案的理想選擇。有一系列基于處理的全新英特爾酷睿 i7 COM，可為這些空間受限的 UAV 設(shè)計(jì)提供更高的處理器效率、更好的信號完整性和更高的性能。這些新型 COM 為計(jì)算和圖形密集型成像或監(jiān)控 UAV/UAS 應(yīng)用帶來了重大突破，由于采用了新的集成芯片組和先進(jìn)的顯示接口，提高了數(shù)據(jù)流性能。

無人機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵要求

每個(gè)定義的機(jī)身都有特定的要求，這些要求將隨其獨(dú)特的操作目標(biāo)而變化;但是，某些關(guān)鍵要求對于成功部署用于 ISR 程序的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)至關(guān)重要。

惡劣環(huán)境的生存能力和可靠性

如果系統(tǒng)不能在其目標(biāo)環(huán)境中連續(xù)可靠地運(yùn)行，則ISR應(yīng)用中無人機(jī)中新的復(fù)雜功能的好處將被消除。隨著時(shí)間的推移，已被證明最有效的設(shè)計(jì)方法是將嵌入式計(jì)算技術(shù)放置在根據(jù)MIL-901D沖擊和MIL-167-1振動(dòng)制造的機(jī)箱或外殼中。這樣，它可以承受惡劣環(huán)境中的特定振動(dòng)，沖擊，鹽霧，沙子和化學(xué)品暴露。

另一個(gè)堅(jiān)固耐用的考慮因素是，標(biāo)準(zhǔn)化的COTS機(jī)箱可以適應(yīng)移動(dòng)應(yīng)用中的特定冷卻需求。由于SWaP和環(huán)境限制，許多無人機(jī)設(shè)計(jì)人員選擇傳導(dǎo)冷卻方法（帶或不帶風(fēng)扇輔助），但也可以使用其他方法。因此，表1給出了一組一般指南，指示每種冷卻方法每英寸間距耗散多少瓦特。但是，由于每個(gè)應(yīng)用都有自己獨(dú)特的熱方程，一個(gè)重要的考慮因素是能否利用預(yù)認(rèn)證的MIL-E-5400 COTS平臺，這些平臺也可以定制和定制以適應(yīng)特定的機(jī)身或程序要求。

表 1：各種冷卻方法的近似功率耗散的一般準(zhǔn)則。環(huán)境溫度、海拔高度、發(fā)電量和其他環(huán)境因素可能會使這些近似值發(fā)生顯著變化。

冷卻方式的選擇主要受總功率耗散的驅(qū)動(dòng);然而，在機(jī)載應(yīng)用中，環(huán)境壓力很重要，因?yàn)榭諝饷芏仍趶?qiáng)制空氣或被動(dòng)對流冷卻外殼的系統(tǒng)熱效率中起著重要作用。液體冷卻僅用于在非常高的功率水平下運(yùn)行或沒有可用的空氣或冷板的情況。然而，增加的系統(tǒng)成本和降低液冷系統(tǒng)的整體MTBF是重要的考慮因素，需要根據(jù)更簡單的解決方案進(jìn)行分析。

針對視頻和存儲需求進(jìn)行設(shè)計(jì)

無人機(jī)經(jīng)常收集的大量視覺內(nèi)容和其他數(shù)據(jù)在幾年前是不可想象的。此外，對實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求以及攻擊功能的集成需要更高水平的計(jì)算性能。除了收集和存儲數(shù)據(jù)外，車載系統(tǒng)還必須能夠?qū)崟r(shí)流式傳輸視覺信息。因此，支持這些海量數(shù)據(jù)速率所需的計(jì)算性能必須非常出色。

對于這些實(shí)時(shí)成像應(yīng)用，VPX 使用串行交換結(jié)構(gòu)提供更高帶寬的處理，從而顯著提高子系統(tǒng)應(yīng)用性能。基于 VPX 的平臺使用 PCI Express、10 GbE 或串行快速 IO，在處理和 I/O 元素之間提供更高性能的處理，并在處理和 I/O 元素之間提供更高速的互連。這些互連在元素之間提供 10 Gbps 或聚合數(shù)百 GBps，具體取決于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。VPX 還可以與 ITU-T H.263、H.264（MPEG-4 第 10 部分）和 JPEG2000 等編解碼器集成，以提供非常高效的圖像壓縮?？紤]到 COTS 產(chǎn)品的多樣性和可用性，某些應(yīng)用可能最好使用多個(gè)總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，通過利用混合背板，緊湊型PCI開關(guān)可以與基于VPX的電路板一起使用。

模塊化、高密度的基于 SSD 的存儲子系統(tǒng)也正在部署中，以有效處理大量數(shù)據(jù)并支持快速交換交換，以實(shí)現(xiàn)快速任務(wù)匯報(bào)和/或任務(wù)周轉(zhuǎn)，而不是等待通過 I/O 連接下載數(shù)據(jù)。然而，重要的是要注意，可能會出現(xiàn)特定的機(jī)身配置要求，并且需要具有I / O路由選項(xiàng)的定制背板設(shè)計(jì)。例如，系統(tǒng)內(nèi)的定位對于發(fā)熱的 VPX 板和電源有效管理熱負(fù)荷要求至關(guān)重要，并且可能需要定制的冷卻解決方案或要求以特定方式冷卻和安裝機(jī)箱。

尋找最佳的嬰兒床解決方案

無論設(shè)計(jì)人員是集成基于 COTS 的平臺，還是將平臺用作定制 UAV/UAS 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，兩者都提供了未來的可擴(kuò)展性。更重要的是，COM、CompactPCI 和基于 VPX 的 COTS 平臺提供的 COTS 技術(shù)進(jìn)步以及可行冷卻方法和外殼的發(fā)展確保了當(dāng)今無人機(jī)/UAS 設(shè)計(jì)的擴(kuò)展加固、網(wǎng)絡(luò)支持、實(shí)時(shí)成像期望已準(zhǔn)備好部署在 ISR 程序中。適用于 UAS/UAV 開發(fā)的 COTS 杠桿平臺的一個(gè)例子是基于模塊的控創(chuàng)鈷，它允許設(shè)計(jì)人員將計(jì)算性能從基于 5 W 的基于英特爾凌動(dòng)處理器的 COM 實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展到 25 W 的英特爾酷睿 2 雙核系統(tǒng)。

重用經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)可以加快開發(fā)速度并提高可靠性，并促進(jìn)更大的設(shè)計(jì)靈活性，同時(shí)不斷推動(dòng)未來的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

審核編輯：郭婷