[APPLICATION CONGATEC] Aujourd'hui, différentes gammes de performances de modules au format COM Express sont déployées dans les drones pour effectuer des tâches informatiques telles que l'exécution des enregistrements et la gestion de la communication par satellite avec les opérateurs centraux. Cette approche modulaire permet aux développeurs de drones de mettre à jour tous les processeurs des charges utiles en quelques secondes en changeant simplement de module. Analyse par congatec.

Auteur : Dan Demers, senior director for business development chez congatec. Les drones sont devenus des outils polyvalents et puissants pour la surveillance aérienne dans de nombreux secteurs. Équipés de capteurs et de caméras perfectionnés, ils jouent un rôle crucial dans la collecte de données sur des cibles spécifiques pour la reconnaissance de catastrophes, l'application de la loi, l'agriculture, les enquêtes, etc. Selon l'application, les données peuvent être stockées et analysées pour un examen ultérieur ou traitées immédiatement afin de fournir des informations concrètes pour une prise de décision en temps réel pendant une opération. 

Selon les cas d'utilisation, les drones doivent être configurés à la demande selon les payloads ou charges utiles. Les garde-côtes, par exemple, utilisent des payloads radiofréquence pour capter les signaux de sauvetage maritime. Les capteurs multispectraux, capables de capturer simultanément cinq bandes de couleurs distinctes, sont parfaits pour l'analyse agricole. 

Enfin, les payloads des capteurs hydro-spectraux sont utiles pour identifier les proliférations d'algues nuisibles dans les lacs. Des séries d'images massives de détection et de télémétrie par ondes lumineuses (lidar) doivent être capturées et traitées pour la modélisation de paysages en 3D, ce qui est utile pour les projets de géosciences, d'aménagement paysager et de construction urbaine.

Grâce à ces systèmes, il est possible de monter en quelques secondes la charge utile appropriée sur les différents drones nécessaires pour répondre aux diverses exigences de vol liées à la tâche. Certaines tâches peuvent nécessiter des drones à décollage vertical très maniables, d'autres drones plus conventionnels ressemblant à des avions ou même des configurations amphibies. Si les composants individuels de ces modules payload sont également conçus dans une optique de modularité, cela permet de configurer rapidement les performances afin d'obtenir le bon système pour la bonne tâche.

Cependant, il y a plusieurs points à prendre en compte, en particulier lorsque ces payloads sont susceptibles d'être transportées dans des endroits dangereux. 

Des défis en matière de conception de payloads

La conception de ces boîtiers payload est un véritable défi, car les exigences de robustesse et de haute performance entrent en conflit avec les limites de taille, de poids, de puissance et de coût (SWaP-C). L'électronique embarquée dans le système fermé doit résister à une plage de température étendue allant de - 40°C à + 85°C, car elle peut devenir très chaude en été sous le soleil. Pour les commandes de vol, ainsi que pour le traitement et le stockage des données, une puissante plate-forme embarquée est nécessaire pour gérer toutes ces workloads en temps réel.

En outre, il peut être nécessaire de se connecter aux commandes centrales par satellite. Comme la taille est strictement limitée et que la consommation d'énergie doit être aussi faible que possible, les ingénieurs en charge des drones recherchent des plateformes de calcul haute performance pour répondre à ces exigences contradictoires. Il doit également s'agir d'un produit standard, aussi interchangeable que la caméra et les autres équipements de la charge utile. Se plus, elle doit correspondre le mieux possible aux exigences spécifiques en matière d'interface, de traitement et de stockage. Les ingénieurs exigent une grande souplesse de conception et une grande évolutivité au fur et à mesure que les nouvelles technologies de payload évoluent pour permettre des mises à niveau du coeur. La solution ici consiste à utiliser un Computer-on-Module (COM) ou module processeur.

L’intérêt des cartes COM réside dans leur disponibilité immédiate en tant que super-composants prêts à l'emploi. Dans un boîtier unique dont les fonctions ont été validées, ils comportent tous les éléments et interfaces essentiels d'un ordinateur embarqué. Les OEM peuvent acheter des COM avec tous les BSP (Board Support Packages) nécessaires, y compris les pilotes et les outils logiciels. Des accessoires optionnels tels que des solutions de refroidissement sur mesure et des cartes d'évaluation sont souvent également proposées. Cette capacité permet de simplifier considérablement le processus de conception, de réduire les risques liés à la conception et d'améliorer les délais de mise sur le marché, sans pour autant renoncer à la souplesse de conception.

Des normes COM ouvertes, en pleine évolution 

Avec l'approbation de la spécification COM-HPC 1.2 au format COM-HPC Mini, le PICMG, consortium international qui définit et promeut des spécifications matérielles pour le domaine de l’embarqué, a considérablement étendu les capacités de performance des modules COM Express Mini existants dans un format plus compact. Ce nouveau module répond ainsi aux besoins de performance en constante évolution des ingénieurs en charge du développement de de drones. 

Le nouveau format COM-HPC Mini apportera aux drones une nouvelle gamme de performances.

Sur une surface à peine plus grande (95 x 70 mm), la carte porteuse dispose de 400 broches, soit 81 % de plus que le COM Express Mini ou d'autres formats tels que SMARC ou Qseven. Le COM-HPC Mini offre également de nombreuses interfaces contrairement au COM Express Mini. Il s'agit notamment de l'USB 3.2 à 20 Gigabit/s, de l'USB 4.0 à 40 Gigabit/s, du PCIe Gen 5/6 avec jusqu'à 16 voies, du NVMe et plus encore. Avec un connecteur haute vitesse de 400 broches, le COM-HPC Mini peut prendre en charge des taux de transfert supérieurs à 32 Gbps, suffisamment pour prendre en charge PCIe Gen 5.0 ou même Gen 6.0. 

Par rapport à COM Express Basic ou Compact, ayant tous deux 440 broches, 90 % de la capacité des modules clients complets Type 6 ou des modules Headless Edge Server (Type 7) est disponible. Cependant, la performance et la connectivité ne sont pas les seuls critères de conception probants. Plus important encore, le COM-HPC Mini – comme le COM Express Mini - est une norme indépendante du fournisseur conçue pour apporter la performance des processeurs haut de gamme au domaine industriel en utilisant les feuilles de route intégrées des fournisseurs de processeurs tels qu'Intel ou AMD. 

Ces modules permettent des conceptions très flexibles avec des personnalisations individuelles en beaucoup moins de temps car ils fournissent un cœur prêt à l'emploi dans un format standardisé de la taille d'une carte de crédit. Tous les modules offrent les mêmes interfaces sur les mêmes broches, ce qui les rend facilement interchangeables. Cette flexibilité facilite l'évolutivité et les mises à niveau vers la prochaine génération de processeurs. Il suffit simplement de changer de module. 

Flexibilité et évolutivité au menu des COM

Dans le cadre d’un projet fondé sur un module processeur, les interfaces personnalisées sont implantées sur les cartes porteuses du module. Ce qui nécessite, il est vrai, une carte porteuse spécifique entraînant des coûts d'ingénierie non récurrents (NRE). Toutefois, la conception de ces cartes est beaucoup moins complexe que de concevoir une SBC (Single Board Computer) classique, entièrement personnalisée, avec toutes les implémentations logiques requises que les distributeurs à valeur ajoutée de Computer-on-Modules fournissent en tant que service standard. 

Parfois, il n'est même pas nécessaire d'avoir une carte porteuse personnalisée. Par exemple, un partenaire de l’écosystème de congatec a pu utiliser une carte porteuse standard COM Express Type 10 pour ses drones. Il s'agit d'un avantage majeur, car ces cartes sont facilement disponibles et sont généralement expédiés dans les 2 à 3 jours suivant la réception de la commande. L'utilisation d'une carte porteuse standard permet à ce niveau de disposer d'une plate-forme immédiatement prête à être déployée, car déjà testée avec le module choisi. 

L'une des principales raisons du choix de cette carte porteuse particulière était qu'elle avait exactement le même encombrement (84 x 55 mm) que le module COM Express Mini. C'est idéal pour les applications à espace limité dans les drones. Elle est également conçue pour les environnements difficiles et supporte des plages de température étendues de - 40°C à + 85°C. 

L'avenir, c’est le COM-HPC Mini ! 

Aujourd'hui, différentes gammes de performances des modules COM Express de congatec sont déployées dans les drones pour effectuer des tâches informatiques telles que l'exécution des enregistrements et la gestion de la communication par satellite avec les opérateurs centraux. Cette approche modulaire permet aux développeurs de drones de mettre à jour tous les processeurs des charges utiles en quelques secondes en changeant simplement de module.

Avec les nouveaux modules COM-HPC Mini, imaginons que le partenaire de l'écosystème lance la même carte porteuse avec des interfaces identiques. Dans ce cas, le fabricant de drones pourrait à nouveau passer à la nouvelle gamme de performances COM-HPC en achetant tout en prêt à l’emploi. 

Avec la disponibilité des modules COM-HPC Mini de congatec, les partenaires de l’écosystème prévoient de lancer des cartes porteuses “form-fit-function”

Pour l'instant, seule la carte porteuse doit être adaptée à la nouvelle norme COM-HPC 1.2. Tous les composants peuvent rester les mêmes si les exigences de performances demeurent inchangées. Mais finalement, les coûts NRE sont acceptables et bien inférieurs à ceux d'une conception entièrement personnalisée. Bien sûr, comme le COM Express Mini et les cartes porteuses disponibles sur étagères (matériel COTS) existantes ont un encombrement légèrement inférieur à la nouvelle norme COM-HPC, qui est de 95 x70 mm, il est impossible d'obtenir la taille exacte. Toutefois, selon le principe de Pareto, 80 % des cartes COM Express Mini disponibles dans le monde pourront être adaptés de cette manière. Ainsi, la sécurité de conception à long terme sera toujours garantie, même au-delà d'un format standard.