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具有开放式架构的商用现货嵌入式计算解决方案的持续进步

美国国防部2017财年预算请求表明,军方一直在持续推进其无人飞行器项目。这源自于有人-无人防务团队在军事行动中的巨大成功,证明无人飞行器能够更加灵活、响应性强和安全性高的优点。从空军、陆军到海军陆战队,再到海军,都在寻求增加更多的空中、海上和陆上无人系统,包括更小、更智能的系统。

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图1  UAS设计和内部集成计算系统的多样性和复杂性为开发人员带来了一些最困难的设计挑战。这些系统的复杂性和功能随着每一代新产品推出或升级而不断增加,从而满足各种要求,在受限的预算准则和严格的项目期限内,这些要求不断测试嵌入式计算技术的限制。


开放式架构COTS嵌入式计算的持续改进有助于推动UAS系统的创新。尽管每个UAS设计都有一套明确的要求,但它们确实需要具备基于COTS的计算平台所带来的共同优势的特征,即能够提供更高的处理性能、互操作性、可扩展性、严格的尺寸、重量和功率(SWaP)限制,以及成本有效的长期可用性。


事实上,2017年,美国国防部继续寻找下一代作战技术。他们邀请技术公司提供解决关键领域问题的概念,包括更好的方法来管理和使用部署在UAS操作中的传感器生成的大量数据。


多核COTS平台是无人系统所需嵌入式计算的关键

复杂的UAS传感器有效载荷是军事人员获取大量数据的重要补充,包括流式视频和高清图像。除此之外,带宽通常是有限的,并且可以阻止这类关键任务信息的传输、共享和显示。这种网络限制推动了直接在UAS系统上进行高效数据处理的需求。如果设计人员要依靠嵌入式计算平台来支持新的UAS作战需求,则他们必须提供出色的计算性能。


满足这些需求的是最新的多核COTS平台,其可提供必要的双数据平面万兆以太网(GbE)网络带宽,以及并行虚拟机(VM)执行的强大处理能力。高性能COTS解决方案还能满足对高度联网的UAS基础设施的需求,使网络上的任何无人系统能够被访问,从而有利于持续的通信以对人员施加控制。使所有车辆联网确保有一个现成的数据链路来传输捕获的视觉、雷达或传感器信息。


多核平台功能还能够将不同的工作负载和应用程序整合到一个系统中。从基于英特尔®至强®处理器-D的可用高性能8核主板和系统中,这些嵌入式计算解决方案可轻松处理增加的宽带连接需求,同时支持其他操作功能。


开发人员可以预见,在单个系统上分离和组合应用程序,指挥和控制人员可以访问各种传感器数据分析。能够在将基于授权的数据在其传输至开源地面系统以保护涉密部分数据之前将其分离越来越重要,这可以在完成其他必要任务的同时完成,例如车辆控制或监控燃油消耗。基于多核的平台为UAS开发人员提供了使用独立工作负载(动态共享公共资源)实现广泛的资本和运营效率的功能。此外,英特尔处理器提供的虚拟化功能意味着单一应用设计可以轻松适应硬件发展需求,例如CPU数量、内存、外形尺寸和I/O可用性,这些都是面向未来的嵌入式计算解决方案投资的保证。控创公司白皮书“VPX基础设施上的高数据速率”概述了VPX组件如何在广泛的环境范围内可靠运行。

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图2  提供DSP性能,高度集成和SWaP-C优化的控创公司VX3058为战场带来了服务器级计算能力。基于英特尔®至强®处理器D架构的先进8核版本,VX3058专为要求苛刻的军事服务器和其他HPEC应用而设计,具有双万兆以太网(GbE),高带宽PCI Express(PCIe)3.0和高速DDR4内存,使设计人员能够利用单一架构解决多种计算问题,例如用于无人系统的高级成像或传感器处理。


互操作性和复用是无人系统实现多种功能的有效手段

在预算紧张限制环境下,作战效率正在推动关键要求扩展,即机身和地面/水上无人设计不仅仅执行一项功能或角色。除了监视之外,无人机系统还有各种任务目标。为满足美国国防部要求更经济地重复使用无人驾驶车辆的要求,原始设备制造商正在采用通用设计方法,采用标准接口和可互操作的“即插即用”有效载荷,而不是开发只能执行一种或两项任务的载荷。针对这种多样化角色进行设计需要实现具有更高计算和通信能力的互操作性,以满足更大的实时操作控制需求。无人系统还需要与地面站和车辆本身以外的其他系统兼容。这意味着嵌入式平台的互操作性必须扩展到涵盖多种功能,例如摄像头和雷达系统的有效载荷传感器以及监测温度、生物、电磁和化学威胁的传感器。


这就是COTS嵌入式计算平台作为VPX和计算机模块(COM)的亮点。从可支持广泛的硬软件功能的开放式系统架构中,这些平台提供经验证的互操作性和复用。采用先进的开放式架构硬件解决方案不仅提供了所需的互操作性,而且还提供了对命令与控制中心通信至关重要的高级安全功能。此外,基于标准的COTS解决方案也具有固有的可扩展性,可支持各种车辆有效载荷目标和未来应用升级。


控创公司最新的COMs能满足上述这些需求。COMe-bKL6模块提供高性能和集成的英特尔高清显卡,可支持多达三个独立显示,分辨率高达4k,从而使UAS开发人员能够满足其操作要求。这些新模块还采用全新的英特尔®Optane™技术,这是一种基于3D XPoint™内存技术的非易失性内存解决方案。它的工作速度比NAND闪存快1000倍,大幅度降低了延迟,这在高性能计算或图像处理无人机系统方案中具有很大的优势。


无人系统需要在SWaP受限环境下满足坚固耐用需求

若集成至无人系统中器件无法实现在严格环境条件下以最可靠的方式运行,那么所有这些器件技术都是没有价值的。此外,几乎所有的UAS设计都具有严格的SWaP要求。因此,开发人员需要将高级计算能力和数据收集/分配组件封装至其空间受限设计中,这些设计也必须能够实现坚固耐用。在恶劣环境下,设计人员还需仔细考虑热负载和系统效率,以最大限度地延长电池寿命,从而实现最高的操作可用性。


为提供持续的可靠性能,COTS平台必须由坚固的底板、电源模块、外壳和适当的I/O连接器组成。这些定义的耐用组件也需要有效的热管理,以满足SWaP的受限要求。

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图3  控创公司的基于小型计算机模块(COM)的COBALT系统满足UAS设计的这些需求。其密封外壳成为COBALT无人应用的适用性的重要区别,提供了久经考验的坚固耐用,高度可靠的系统,可最大限度地提高性能和功能,同时为定制IO提供有价值的选择。


新的无人系统项目推动可实现自主操作的深度学习发展

军方正在启动新的UAS项目,要求计算密集型机载情报能够提供实时任务调整的能力,从而实现更高水平的自主操作。这强调了UAS部署的预期发展,以及嵌入式计算解决方案的需求,以便在高度互操作的基于标准的平台中提供更高级的连接。提供实现这种能力融合的技术可以使军事行动更好地与其他战场应用相结合。


深度学习(视图视频)是一种处理超大型数据集的方法。从深度学习算法来看,UAS设计人员需要处理数千层处理层和非线性变换,以从大量数据中理解信息或模式。深度学习可以成功应用于流媒体信号或图像数据的平台处理。这些系统必须能够筛选大量的数据流以定位威胁并自主部署主动防护系统。


到目前为止,这种复杂应用所需的处理能力不小且功耗低,足以集成到适用于UAS系统的嵌入式计算解决方案中。通过提供映射到计算架构上的所需算法,最新的HPEC平台以更小的占地面积提供了所需的快速底板性能。如基于上述英特尔®至强®处理器D-1540的HPEC平台深度学习案例。每个处理器的16个内核都有两个AVX2单元,每个单元可以同时处理8个浮点FMA操作,提供巨大的处理能力,16个内核可在每个时钟周期内执行512次浮点运算,从而适用于广泛的深度学习应用。这些类型的HPEC系统非常适合基于VPX的板卡和平台,可通过带有PCIe Gen3或10Gbit以太网链路的底板提供高速/低延迟通信。


新的COTS解决方案发展推动未来无人机系统设计进步

基于COTS的先进平台由于其互操作性和模块化、改进的通信功能,以及支持各种硬件和软件解决方案的复杂集成能力,可满足作战系统对降低生命周期成本的要求。支持未来项目中预计的UAS有效载荷、自主性、通信、传感器或成像功能,基于最新多核处理器的嵌入式计算平台可提供处理高度差异化工作负载所需的大量处理性能,同时最大限度地减少SWaP。


当今的COTS解决方案基于现有的MIL标准提供多种外形尺寸,支持对通用UAS架构的需求。通过增强传感器功能或智能有效载荷的使用,以及基于特定任务配置文件更改或更新任何这些功能,开放式体系架构计算成为增加无人计划价值的基础。当今的嵌入式计算平台不仅支持可扩展无人机作战角色的模块化即插即用有效载荷功能,其基于标准的可扩展技术可帮助开发人员快速调整UAS设计以应对不断变化的威胁。

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