基于新一代 FPGAs 技术的无人机辅助设计

 

 

商用无人机快递业务正在迅速普及，因此吸引了许多传统物流服务公司和初创无人机系统（UAS）制造商的关注。这些企业遭遇的主要发展壁垒，在于商业市场中严苛的生产经营管理条例。在设计部署的早期阶段就把这些条例考虑在内，要比在后期阶段再审查设计是否满足法规要求更安全，也更具成本效益。商用无人机的持续改进，有赖于FPGAs（现场可编程门阵列）技术的进步，该技术不但保证了无人机产品满足相关标准的规定，而且还能够解决电子元件尺寸、功率和可靠性方面存在的问题，并且还能消除高空辐射引发的故障，以及防范网络攻击带来的风险。

 

影响无人机航空电子设备性能的主要因素有安全性、处理性能、功率、质量和外形，研发人员常常要在这些因素之间权衡取舍。最新一代的FPGAs技术是将上述因素统统考虑在内的全面解决方案。

 

无人机的设计者需要的是小型、节能、可靠，并且能够抵御恶意网络攻击的电子元件。另外，元器件的功率、尺寸和重量都会影响和限制电池寿命。除了这些要求，无人机还会受到环境因素的影响，如中子效应、湿度和极端温度。

 

像所有其他类型的航空电子系统的要求一样，无人机电子系统的元器件要尽可能做到轻巧紧凑，并且最好能减少或消除散热元件的使用。电子元件的尺寸越小，印刷电路板（PCB）和外壳的尺寸会越小，整个系统的重量也会越轻，相应的无人机的效率、电池寿命和飞行时间都会得到提升。

 

基于Flash和SONOS（Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon,硅氧化物-氮化物-氧化硅-硅，又称硅氧化氮氧化硅）的FPGAs技术，解决了无人机电子系统开发所面临的一些挑战，包括传感器接口的配置、飞行控制和图像处理。与基于SRAM（静态随机存取存储器）的FPGAs技术相比，采用这一最新技术开发的无人机，能耗最多可减少50%，并且取消了散热元件，还可以在不牺牲系统效率的前提下减轻整体重量。

 

由于商用无人机的航空电子系统必须符合DO-254标准的要求，这意味着其中所有的电子元件也要符合该标准，并且要有尽可能丰富的应用案例。因此，无人机制造商必须选择技术实力雄厚，并具有DO-254认证资质的电子元件供应商。

 

选择无人机电子系统元件所要考虑的另一个关键点在于，元器件必须要对中子流的SEU（单粒子翻转）效应免疫。中子通量（每平方厘米每秒钟通过的中子数）随飞行高度增加而增加。例如，海拔高度为40,000英尺（典型的商业航空飞行高度）比海平面的中子通量增加了515倍。中子流SEU效应有可能导致元件故障和失效，如果无人机因此发生故障，并以高速冲向行驶的车辆，或者其上所载的危重病人的医疗补给无法送达，就会发生灾难事件。

 

在美国，诸如科罗拉多州、犹他州和新墨西哥州等，无人机的飞行高度接近10,000英尺，此高度的中子效应已经开始变得明显了，比水平面的中子通量增加了12倍。基于Flash和SONOS的FPGAs技术，能够抵御辐射引发的配置紊乱，因此电子元件不会在这样的高度失效。

 

安全性是航空电子系统开发中必须要考虑的另一个重要问题。安全性问题贯穿从硅基材的制造到系统的部署、操作的整个过程。基于Flash和SONOS的FPGAs技术，是目前业界最先进、最安全的可编程FPGAs。除了嵌入式安全加密处理器，这种FPGAS技术具备为安全嵌入式系统创建可信任、安全硬件平台所需的关键功能，使系统免受克隆、复制和逆向工程的攻击。因此，嵌入式系统中的敏感数据也能够免受恶意攻击。其中一些基于SRAM的FPGAs无法提供的关键功能，在这里也得到了体现，例如通过PUF（物理不可克隆功能）实现的安全密钥存储，以及受专利保护的DPA（差分功耗分析）传递。任何可编程元件都容易受到恶意攻击，因此设计师需要选择安全功能强、有信誉制造商生产的电子元件。

 

结论

 

现在无人机快递业务是受到运输当局的严格管制，这主要是出于人身安全和隐私保护方面的考虑。如果在无人机的设计优化中，能够充分考虑这些因素，就有希望迎来无人机行业加速发展的热潮。基于Flash和SONOS的FPGAs技术，能够让开发人员在设计、部署无人机电子系统的整个过程中充分考量安全、可靠性问题，并且还能减小成品尺寸、降低制造成本，让无人机免受高空辐射的威胁，大大降低高空失效故障的风险。总之，通过最新一代的FPGA技术，可以很好地解决无人机电子系统开发过程中所面临的一些难题，这无疑为推广无人机快递业务带来了福音。