Le schede carrier costituiscono la base elettrica e meccanica per l’integrazione di moduli di elaborazione, controllori di volo, sensori, hardware di comunicazione, dispositivi di archiviazione e periferiche nei droni e nei sistemi senza pilota. Tra le soluzioni disponibili figurano le schede carrier Jetson per l’intelligenza artificiale e la visione edge, le piattaforme COM Express e COM-HPC per l’elaborazione modulare delle missioni e le schede carrier Pixhawk o Cube per l’integrazione dei sistemi di controllo di volo.
Questa categoria presenta i fornitori di schede portanti che offrono configurazioni compatte, robuste, pronte per l’impiego e personalizzate.
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Le schede portanti costituiscono la base fisica ed elettrica per l’integrazione di moduli di elaborazione, controllori di volo, sensori, hardware di comunicazione, dispositivi di archiviazione e altre periferiche nei droni e nelle piattaforme autonome. Esse mettono a disposizione le interfacce di un computer-on-module o di un pilota automatico, aggiungendo al contempo sistemi di condizionamento dell’alimentazione specifici per l’applicazione, connettori, interfacce di espansione e componenti elettronici di supporto.
Per i progettisti di UAV, la scheda portante adeguata può semplificare l’integrazione dell’avionica, riducendo al contempo il cablaggio, il numero di schede, le dimensioni e il peso. I progetti spaziano dalle piattaforme di sviluppo alle schede portanti compatte, robuste e pronte per l’impiego, progettate in funzione di particolari moduli di elaborazione, autopiloti, carichi utili, budget di potenza, limiti termici e requisiti ambientali.
Una scheda portante Jetson collega un modulo di elaborazione NVIDIA Jetson a telecamere, reti, dispositivi di archiviazione, sensori e sistemi di bordo. I progetti delle schede portanti NVIDIA Jetson sono particolarmente indicati per l’intelligenza artificiale (AI) edge, la visione artificiale, la navigazione autonoma, la mappatura e l’elaborazione multisensore. Le schede Jetson possono supportare moduli quali Jetson Orin Nano, Orin NX, AGX Orin e piattaforme precedenti come Xavier NX. La compatibilità deve tenere conto della piedinatura del modulo, dell’allocazione delle linee ad alta velocità, dei requisiti di alimentazione e termici, nonché della configurazione software specifica della scheda carrier.
Una scheda carrier COM Express fornisce I/O e alimentazione specifici per l’applicazione attorno a un modulo di calcolo COM Express standardizzato. L’architettura separa il processore, la memoria e le funzioni di calcolo principali dalla scheda carrier, consentendo agli sviluppatori di sistemi robotici e UAV di personalizzare la connettività di rete, l’archiviazione, le interfacce seriali, le espansioni e l’integrazione meccanica. Il tipo di modulo, le dimensioni, la piedinatura, la sequenza di alimentazione e l’implementazione della scheda portante devono rimanere compatibili.
Scheda portante EDU450 di CubePilot.
Una scheda portante COM-HPC supporta l’elaborazione modulare ad alte prestazioni laddove sono richiesti grandi set di dati provenienti da sensori, elaborazione accelerata o reti ad alta larghezza di banda. L’architettura estende l’approccio “computer-on-module” a configurazioni di elaborazione esigenti ed è in grado di supportare computer di missione avanzati, sistemi autonomi e piattaforme di edge computing. La maggiore larghezza di banda e potenza rendono particolarmente importanti il raffreddamento, l’alimentazione e l’integrità del segnale.
Le schede carrier per IA integrata sono ottimizzate per processori, GPU, NPU, FPGA o altri acceleratori utilizzati per l’inferenza a bordo. Possono combinare ingressi da telecamere ad alta velocità, espansioni PCIe, archiviazione NVMe, Ethernet, segnali di sincronizzazione e sistemi di gestione termica per supportare localmente i carichi di lavoro relativi alla percezione e all’IA.
Una scheda carrier Pixhawk fornisce le interfacce elettriche necessarie per integrare un pilota automatico compatibile con il resto di un velivolo senza pilota. A seconda del progetto, le interfacce possono includere alimentazione, GNSS, telemetria, CAN, RC, uscite servo, controllo del carico utile e altre connessioni avioniche. I progetti che utilizzano il Pixhawk Autopilot Bus (PAB) possono garantire l’interoperabilità elettrica e meccanica tra moduli di controllo di volo conformi e schede base.
Le schede portanti CubePilot Cube svolgono un ruolo di integrazione analogo per i moduli di autopilota in formato Cube. Le configurazioni standard, quelle delle schede portanti Cube Mini e quelle personalizzate possono offrire diverse combinazioni di alimentazione e connettività periferica. I progetti delle schede carrier Cube Orange e Cube Orange Mini possono inoltre soddisfare i requisiti meccanici e di I/O di specifici sistemi di controllo di volo basati su Cube.
Le schede portanti sono disponibili in configurazioni ottimizzate per diverse fasi di sviluppo e diversi vincoli delle piattaforme senza pilota.
La configurazione appropriata dipende dal modulo di elaborazione, dalla maturità del sistema e dai requisiti operativi.
Le schede portanti possono consolidare l’alimentazione e la connettività del controllore di volo, fornendo al contempo interfacce per motori, attuatori, ricevitori GNSS, radio di telemetria, sistemi di dati aerodinamici e controllori del carico utile. Le architetture delle schede portanti Pixhawk e Cube sono esempi dell’approccio modulare utilizzato per semplificare l’integrazione dell’avionica degli UAV.
Una scheda portante ADS-B o una configurazione avionica su scheda portante può fornire l’alimentazione, le interfacce dati e il sistema di montaggio necessari per integrare apparecchiature ADS-B compatibili in un UAV. I requisiti di integrazione dipendono dal fatto che l’hardware collegato fornisca la ricezione del traffico, funzioni di sorveglianza o altre capacità di consapevolezza dello spazio aereo.
Le schede carrier possono fornire interfacce seriali, CAN, Ethernet o di alimentazione dedicate per l’hardware di identificazione remota. L’integrazione di queste connessioni nell’elettronica del velivolo può ridurre il cablaggio separato, consentendo al contempo al sottosistema di identificazione remota di scambiare i dati richiesti con apparecchiature di controllo di volo o di navigazione compatibili.
Scheda portante arancione a forma di cubo, PowerCube One, di NW Blue.
I ricevitori GNSS, le IMU, i magnetometri e i sistemi di navigazione integrati possono collegarsi tramite interfacce seriali, CAN, USB, Ethernet o di altro tipo. Una progettazione efficace della scheda portante tiene conto anche dell’integrità dell’alimentazione, delle interferenze elettromagnetiche, della messa a terra, degli ingressi di temporizzazione quali i segnali a impulso al secondo e della separazione fisica dai componenti elettronici che generano rumore.
Le radio di telemetria, i modem cellulari, i terminali satellitari e altri sistemi di comunicazione richiedono interfacce dati adeguate e un’alimentazione stabile. Una scheda portante può centralizzare queste connessioni e fornire, ove necessario, conversione di livello, filtraggio, prese di espansione o interfacce di rete.
Telecamere EO/IR, LiDAR, radar, strumenti multispettrali, carichi utili di mappatura e sensori specializzati possono richiedere interfacce elettriche molto diverse tra loro. Le schede portanti possono collegare questi carichi utili al computer di missione, supportando al contempo la sincronizzazione, i segnali di trigger, il trasferimento dati ad alta velocità e linee di alimentazione dedicate.
I computer di missione utilizzano schede portanti per integrare l’elaborazione a bordo con i dati provenienti da sensori, archiviazione, rete e controllo di volo. Le schede portanti con IA integrata sono particolarmente rilevanti nei casi in cui gli UAV debbano eseguire localmente funzioni quali visione artificiale, rilevamento di oggetti, fusione dei dati dei sensori, navigazione o altre funzioni autonome.
La scelta dell’interfaccia della scheda portante dovrebbe tenere conto delle velocità di trasmissione dati richieste, della compatibilità delle periferiche, della lunghezza dei cavi, dei livelli di tensione, dell’allocazione delle linee, dell’ambiente elettrico e delle esigenze di espansione del velivolo.
| Interfaccia | Ruolo tipico della scheda portante |
| Ethernet e reti ad alta velocità | Telecamere, LiDAR, reti di missione, carichi utili e collegamenti da computer a computer |
| PCI Express | Acceleratori ad alta larghezza di banda, dispositivi di rete e hardware di espansione |
| USB | Telecamere, modem, dispositivi di archiviazione, dispositivi di configurazione e periferiche generiche |
| MIPI CSI-2 e collegamenti serializzati per telecamere | Connettività diretta o remota per telecamere e sensori di visione ad alta larghezza di banda |
| CAN, CAN FD e DroneCAN | Avionica distribuita, ESC, sensori, dispositivi GNSS e altri nodi CAN |
| UART e interfacce seriali | GNSS, telemetria, pilota automatico, carico utile e comunicazioni periferiche |
| RS-232, RS-422 e RS-485 | Dispositivi seriali legacy, industriali, a lunga distanza e differenziali |
| I2C e SPI | Sensori a livello di scheda, circuiti integrati periferici e comunicazioni con dispositivi di livello inferiore |
| GPIO e PWM | Controllo discreto, trigger, linee di stato, servocomandi e segnali specifici per l’applicazione |
| Espansione M.2 e Mini PCIe | Moduli di comunicazione, archiviazione, rete ed espansioni specializzate |
| Archiviazione SATA e NVMe | Archiviazione dati integrata ad alta capacità o ad alto throughput |
La combinazione di interfacce dovrebbe essere adeguata ai sensori, all’hardware di controllo di volo, ai carichi utili e all’architettura di elaborazione, piuttosto che mirare a massimizzare il numero di connettori.
Le schede portanti destinate al settore aerospaziale, alla difesa e ad altre applicazioni che richiedono un elevato livello di affidabilità potrebbero dover soddisfare requisiti ambientali, elettromagnetici, di produzione e relativi ai materiali a livello di scheda o di sistema.
I requisiti applicabili dipendono dall’ambiente operativo, dalle specifiche del cliente, dai requisiti di produzione e dai mercati in cui verrà implementato il sistema finito.
Lo sviluppo delle schede carrier è sempre più influenzato da un edge computing più potente e dal trasferimento delle funzioni di autonomia sul veicolo stesso.
Questi sviluppi favoriscono architetture di elaborazione sempre più compatte, modulari e facilmente implementabili per i droni e altri sistemi senza pilota.
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