Spolehlivé doručování s drony nevyřešíte s nespolehlivou elektronikou

Doručování zboží s využitím komerčních dronů získává rychle na popularitě a přitahuje jak tradiční poskytovatele služeb, tak i výrobce strojů typu UAV (Unmanned Aerial Vehicle). Hlavní překážkou se pro zmíněný podnik stává přísný soubor předpisů regulujících v komerčním sektoru související výrobu a také provoz. Spolehlivější a také hospodárnější cestou se proto vydáme, budeme-li s těmito měřítky počítat již dopředu a nebudeme-li se snažit se jim tak přizpůsobit až v posledních fázích při samotném nasazení.

Nepřetržité zavádění komerčních dronů stále více závisí na využití hradlových polí FPGA (Field Programmable Gate Array) umožňujících vyhovět zmiňovaným regulačním požadavkům, zatímco se zde rovněž řeší náročné otázky spojené s rozměry, spotřebou nebo spolehlivostí vylučující riziko poruch souvisejících se zářením ve vyšších nadmořských výškách a poskytujících ochranu rovněž proti stále většímu počtu kybernetických hrozeb.

Rychle rostoucí prodeje dronů

UAV či „drony“ se stávaly horkým tématem zejména v uplynulém desetiletí. První případ dálkově řízeného letounu bez posádky, navrženého původně pro vojenské účely, byl ale zaznamenán již před neuvěřitelnými 102 lety. Jako stroje pro armádu pak byly drony vyvíjeny a nasazovány v průběhu celého dvacátého století. Začátkem nového milénia se konečně objevily rekreační drony a začaly též přitahovat své zákazníky. V roce 2006 přitom Federální úřad pro letectví (FAA) vydává oficiální povolení ke komerčnímu využití dronů. Předpokládaný objem prodeje dronů [1] nyní dosahuje dvanácti miliard dolarů a v případě dodávek spotřebních dronů se do roku 2021 očekává dosažení částky 29 miliónů.

První [2] úspěšnou americkou společností vytvářející zisky v oblasti doručování prostřednictvím dronů se stala UPS. Začínala přitom s leteckou přepravou zdravotnického materiálu do odlehlých center pomoci v Africe, což pro start-upy z oboru UAV představuje běžnou praxi. Poté se UPS díky prvnímu schválenému programu dodávek s využitím dronů ze strany FAA soustředila zpátky na americký vzdušný prostor a také zde v Severní Karolíně přepravuje krevní vzorky. Pokud začneme zkoumat výhody komerčního doručování prostřednictvím dronů oproti pozemní přepravě, jakých výsledků dosáhneme? Zatímco jsme u dronů kvůli jejich fyzickému provedení a také směrnicím udávajícím nejvyšší celkovou hmotnost 55 lb (necelých 25 kg) omezováni menším zatížením, budeme moci počítat s daleko lepší ovladatelností a schopností přístupu do odlehlých míst. Hodí se proto zejména k přepravě malých a hodnotných nákladů, např. z oblasti medicíny, na místa, která jsou jinak dosažitelná jen s obtížemi.

Malé, a přesto výkonné drony však létají mnohem rychleji, než se na první pohled zdá. A tak zatímco u dronů pro rekreační využití obvykle hovoříme zhruba o 12 mph (cca 19 km/h), příležitostně až 40 mph (přibližně 64 km/h), závodní drony mohou překonat 100 mph (necelých 161 km/h) a již přitom porušovat zákonem dané rychlostní limity uvalené ze strany FAA. Typické drony pro komerční nasazení však cestují rychlostí okolo 50 až 70 mph (zhruba 81 až 113 km/h), což sice odpovídá pohybu na lepší silnici, ovšem bez omezení dopravní situací. A nejen to, drony jsou při doručování balíčků také efektivnější a cenově výhodnější. Podle Deutsche Bank klesá cena [3] z 6,5 dolaru na 0,05 dolaru na jednu míli (cca 1,6 km), budeme- li srovnávat s klasickými způsoby přepravy.

Překážky pro trvalý růst

Přestože se sen o objednávce zboží on-line a létajícím robotu, který je během několika minut dopraví na místo určení, stává pomalu realitou, současné podniky pohybující se v oblasti UAV mají sklon zaměřovat se na projekty s vyššími riziky. V reakci na přísná nařízení regulující v Severní Americe provoz UAV nachází spousta takových start-upů, a to i v případě, že pochází z této oblasti, pole působnosti v regionech s méně náročnými podmínkami, třeba v Africe či Evropě. Jako příklad si uveďme Zipline, malou firmu z Half Moon Bay v Kalifornii, která ve Rwandě a Ghaně řeší pomocí dronů dodávky zásilek pro záchranu životů.

Pravda, seznam pravidel, která FAA uvalila na rekreačně využívané drony, je sice vyčerpávající, nicméně předpisy dotýkající se komerčně nasazovaných UAV jsou ještě více omezující. Veškeré komerčně provozované drony musí být přihlášené u Federálního úřadu pro letectví a jejich obsluha musí rovněž mít oprávnění k pilotování stroje na dálku. Veškerá letecká elektrotechnika, která se dotýká komerčních UAS, je regulována a musí také dodržovat směrnice DO-254 a DO-178, přesně jako je tomu v případě standardních letounů ke komerčnímu nasazení. Nová nařízení dotýkající se klíčového způsobu využití se momentálně stále připravují. Zahrnují autonomii – tedy létání mimo výhled obsluhy, noční provoz, pohyb nad lidmi a také otázku přepravy balíků.

Největší překážky [3] pro doručování zásilek drony se ale dotýkají ztráty, poškození nebo také neoprávněného zadržení balíku. Posledně zmiňovanému riziku nejlépe zabráníme na základě vhodných bezpečnostních opatření, a to již ve fázi plánování. K hlavním faktorům souvisejícím s leteckou elektrotechnikou provozovanou na dronech obecně řadíme zabezpečení, výkon při zpracovávání, vlastní spotřebu, hmotnost a také fyzické provedení. Často se bude jednat o kompromisy, nicméně se všemi zmíněnými činiteli se dokážeme vhodně vypořádat díky nejnovější generaci hradlových polí FPGA.

Náročné úkoly při vývoji dronů? FPGA má řešení

Vývojáři pracující na dronech potřebují malé, energeticky účinné a spolehlivé elektronické součástky, které budou zabezpečené proti „zákeřným“ hrozbám. Čelí totiž tvrdým omezením, pokud jde o spotřebu, rozměry a hmotnost, které budou mít následně dopad na výdrž baterie. Kromě těchto požadavků jsou systémy UAV rovněž vystaveny drsným okolním podmínkám – působení neutronů, vlhkosti a extrémním teplotám.

Podobně jako veškeré avionické systémy musí být i UAV tak kompaktní a lehké, jak jen to bude možné. Znamená to tedy zapojit příslušné součástky zabírající málo místa a stejně tak i minimalizovat, nebo z návrhu dokonce vyloučit chladiče. Elektronické součástky s malými vlastními rozměry snižují velikost desky plošného spoje a také souvisejícího ochranného krytu. Zmenšují tak celkovou hmotnost systému, zatímco dochází k navyšování účinnosti, prodloužení výdrže baterie a potažmo i doby letu.

Důležité je rovněž vybrat obvody, které rozptylují pouze nezbytně nutné množství tepla. Hradlová pole FPGA založená na technologiích Flash a SONOS (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide- Silicon) takové náročné úkoly zvládají v případě všech systémů dronů a jejich aplikací, včetně rozhraní pro snímače, řízení letu a zpracování obrazu. Zmíněné typy FPGA spotřebují minimální množství energie – až o polovinu méně, než je tomu v případě jejich protějšků založených na SRAM, viz také obr. 2. Zbavily se závislosti na chladiči a snižují tím hmotnost celého systému, aniž by přitom obětovaly jeho výslednou účinnost.

Protože je vyžadována shoda s DO-254, bude pro výrobce dronů důležité vybírat součástky s rozsáhlou servisní historií, což je také požadavek pro certifikaci. Pro výrobce z oblasti leteckého průmyslu to znamená zvolit dodavatele, kteří mohou v souvislosti s DO-254 zajistit potřebné náležitosti pro celou škálu IP a být tak v procesu nápomocni. Zkušený dodavatel proto může poskytnout nezbytnou dokumentaci a také odbornou pomoc, která bude během certifikačního procesu opravdu důležitá.

Výběr součástek, které jsou z hlediska konfigurace imunní vůči SEU (Single Event Upset) vyvolanému neutrony, patří k dalším důležitým kritériím – viz také obr. 3. Tok neutronů, v počtu vztaženém na cm2 a vteřinu, roste s nadmořskou výškou. Dosáhneme-li například výšky 40 000 stop (přibližně 12,2 km) nad hladinou moře, což je pro komerční cesty letadlem typické, zvyšuje se tok neutronů 515krát. Takové SEU pak může zapříčinit špatné fungování součástky a způsobit i její selhání. Pokud dron vypoví službu a přistane ve vysoké rychlosti na jedoucím vozidle nebo jestliže doručuje životně důležité prostředky pacientovi, pro kterého může hrát roli každá sekunda, katastrofa na sebe nenechá dlouho čekat.

I když drony obvykle nelétají výše než 400 stop (přibližně 122 metrů) nad zemí, máme ve státech Colorado, Utah a Nové Mexiko několik měst s nadmořskou výškou cca 10 000 stop (tj. 3048 m). Za těchto podmínek již začíná být ve srovnání s hladinou moře vliv neutronů patrnější a jejich tok se zde zvyšuje 12násobně. Hradlová pole založená na technologiích Flash a SONOS však budou odolná vůči narušení konfigurace vyvolanému zářením a o svou funkci nepřijdou ani v těchto výškách.

Další starosti jsou v aplikacích z prostředí leteckého průmyslu spojované se zabezpečením. Vše přitom začíná již během výroby na úrovni křemíku a dále pokračuje při vývoji systému, resp. jeho činností. FPGA založená na technologiích Flash a SONOS zde představují nejmodernější, zabezpečená programovatelná hradlová pole. Kromě vlastních bezpečnostních kryptoprocesorů přichází rovněž s klíčovými schopnostmi nezbytnými k vytvoření spolehlivé a dobře chráněné hardwarové platformy pro zabezpečené vestavné systémy, které tak nelze poškodit klonováním, kopírováním ani reverzním inženýrstvím. V embedded systémech jsou tak citlivá data pro případ zákeřných útoků v bezpečí. Některé z těchto klíčových schopností, které hradlová pole FPGA založená na SRAM nenabídnou, zahrnují bezpečné ukládání klíče s funkcí PUF (Physically Unclonable Function) a také patentem chráněné řešení s licencí, pokud jde o analýzu DPA (Differential Power Analysis). Vzhledem k tomu, že je kterékoli programovatelné zařízení zranitelné, měli by vývojáři nakupovat elektronické součástky s řadou bezpečnostních prvků a od prověřených dodavatelů.

Jak vše vypadá, v praxi můžete vidět na příkladu polí FPGA PolarFire od společnosti Microchip, které vývojářům v provedení o rozměrech 11 × 11 mm nabízí hustotu 100 000 LE (Logic Element) a v aplikacích UAV tím pomáhají snižovat velikost modulu s elektronikou i celkovou hmotnost. Zmíněná FPGA navíc spotřebují až o polovinu méně energie než jiná hradlová pole založená na SRAM, takže mohou vyloučit potřebu chladičů, zvětšit výdrž baterie a prodloužit i dobu letu dronu. Díky sobě vlastním bezpečnostním systémům navíc není nutné řešit zmíněné klíčové funkce softwarovou cestou.

Závěr

Doručování zásilek prostřednictvím dronů je dnes do značné míry omezováno příslušnými úředními orgány, zejména kvůli obavám o bezpečnost lidí a jejich soukromí. Pokud budou výrobci navrhovat drony, které již ze své podstaty pomohou takové obavy rozptýlit, mohou přímo ovlivnit tempo růstu v daném sektoru.

Hradlová pole FPGA založená na technologiích Flash a SONOS umožňují vývojářům počítat s otázkami dotýkajícími se zajištění, bezpečnosti a spolehlivosti ve všech fázích návrhu a následného nasazení, zatímco dále snižují rozměry i cenu dronů a zmírňují též riziko, při kterém by mohlo na základě narušení konfigurace z titulu záření dojít k pádu z větších výšek. Právě popsané charakteristiky polí FPGA proto řeší některé z největších problémů, kterým vývojáři dronů a související elektroniky musí čelit. Mohou být rovněž odpovědí ve snaze učinit komerční roznášku prostřednictvím dronů něčím zcela běžným, a to již velmi brzy.