Athena: Üçlü Mikrodenetleyici Mimarisiyle İlk Uçuş Kontrolcüsü Tasarımı
Platformumuzdaki en çok okunan ve popüler makaleleri görmek için Trendler bölümüne geçebilirsiniz.
Roket ve uçuş kontrolcü tasarımı alanında yeni bir yaklaşım olarak Athena adlı açık kaynaklı bir uçuş kontrolcüsü geliştirilmiştir. Bu tasarımda, farklı görevler için üç ayrı STM32 mikrodenetleyici (MCU) kullanılmıştır: STM32H753VIT6 (MPU), STM32H743VIT6 (TPU) ve STM32G474RET6 (SPU). Bu mimari, sensör verilerinin toplanması, işlenmesi ve uçuş komutlarının yönetilmesi gibi işlevlerin dağıtılması amacıyla tercih edilmiştir.
Tasarım Özellikleri
Athena uçuş kontrolcüsü, aşağıdaki teknik özellikleri içermektedir:
Üçlü MCU Yapısı: Farklı görevler için üç ayrı STM32 mikrodenetleyici kullanılmıştır.
Pyro ve PWM Kanalları: 6 adet 12V doğrudan batarya bağlantılı pyroteknik kanalı ve TVC ile kanat kontrolü için toplam 6 PWM kanalı.
Sensörler: Üçlü ICM-45686 IMU, LIS2MDLTR manyetometre, ICP-20100 ve BMP388 barometreler.
İletişim ve Konumlandırma: NEO-M8U-06B GPS, LoRa RA-02 telemetri modülü ve Bluetooth DA14531MOD.
Depolama: SD kart ve Winbond W25Q256JV flash bellek.
Güç Yönetimi: 7.4-12V LiPo batarya, BQ25703ARSNR şarj entegresi ve USB-C PD desteği.
6 Katmanlı PCB: Sinyal, toprak ve güç katmanları içeren çok katmanlı baskılı devre kartı.
Ayrıca Bakınız
Üçlü MCU Kullanımının Tartışılması
Topluluk ve uzmanlar arasında Athena'nın üç mikrodenetleyici kullanımı çeşitli açılardan değerlendirilmiştir. Bazı görüşler, bu yaklaşımın aşırı karmaşık ve gereksiz olduğunu belirtirken, diğerleri ise bu yapının belirli avantajlar sağlayabileceğini ifade etmiştir.
Karmaşıklık ve Yazılım Yönetimi
Üç farklı MCU'nun yönetilmesi, üç ayrı firmware yığını geliştirme ve senkronize etme zorunluluğunu doğurmaktadır. Bu durum, özellikle gerçek zamanlı ve zaman kritik uygulamalarda hata ayıklama ve bakım süreçlerini zorlaştırabilir. Üniversite düzeyinde verilen gömülü sistemler derslerinde "gereksinimleri karşılamak için minimum karmaşıklık" ilkesi vurgulanmaktadır. Bu bağlamda, tek güçlü bir mikrodenetleyici ve gerçek zamanlı işletim sistemi (RTOS) kullanımı önerilmektedir.
Performans ve Çoklu Görev Yönetimi
STM32 mikrodenetleyiciler, kesme (interrupt) yönetimi ve DMA (Direct Memory Access) gibi donanım özellikleriyle çoklu görevlerin etkin şekilde yürütülmesini desteklemektedir. FreeRTOS gibi RTOS çözümleri, tek bir MCU üzerinde çoklu iş parçacığı (multithreading) ve görev zamanlaması yaparak, sensör verilerinin işlenmesi ve iletişim görevlerinin bloklanmadan yürütülmesini sağlar. Bu yöntem, üç MCU kullanmaya kıyasla daha az karmaşıklık ve daha kolay bakım sunar.
Donanım Kaynakları ve GPIO Sayısı
Tasarımcı, yeterli GPIO ve zamanlayıcı sayısı bulamadığı için üç MCU kullanmayı tercih ettiğini belirtmiştir. Ancak, STM32H7 serisi mikrodenetleyicilerin yüksek sayıda GPIO ve zamanlayıcıya sahip olduğu, ayrıca PWM çıkışlarının 12 bit çözünürlükte desteklendiği göz önünde bulundurulmalıdır. Ayrıca, PCA9685 gibi harici PWM sürücülerle de bu ihtiyaç karşılanabilir.
Yedeklilik ve Güvenilirlik
Üçlü IMU kullanımı yedeklilik amacıyla düşünülse de, ortak mod arızalarına karşı tam koruma sağlamamaktadır. Güç devresinde yedeklilik olmaması, sistemin genel güvenilirliğini düşürür. Gerçek yedeklilik için farklı bileşenlerle çift güç devresi ve farklı IMU modellerinin kullanılması önerilmektedir.
Tasarım ve Üretim Detayları
Athena'nın PCB tasarımında 6 katmanlı yapı tercih edilmiş, sinyal, toprak ve güç katmanları ayrılmıştır. Renkli silkscreen (baskı) kullanımı JLCPCB tarafından desteklenmektedir ancak EasyEDA yazılımının bazı kısıtlamaları ve 3D model uyumsuzlukları tasarım sürecinde zorluk yaratabilir.
Kablosuz modülün yerleşiminde bakır alanı kısıtlamalarına dikkat edilmemesi ve bazı kapasitörlerin pad boyutları ile uyumsuzluğu gibi detaylar, üretim ve performans açısından risk oluşturabilir.
Sonuç Değerlendirmesi
Athena projesi, karmaşık ve çok katmanlı bir uçuş kontrolcüsü tasarımında yeni yaklaşımlar denemektedir. Ancak, üç mikrodenetleyici kullanımı yazılım ve donanım karmaşıklığını artırmakta, bakım ve geliştirme süreçlerini zorlaştırmaktadır. Tek bir güçlü MCU ve RTOS kullanımı, bu işlevlerin daha verimli ve sürdürülebilir şekilde gerçekleştirilmesini sağlar. Ayrıca, yedeklilik ve güç yönetimi gibi kritik alanlarda daha kapsamlı çözümler geliştirilmelidir.
"Mikrodenetleyicilerde kesme yönetimi ve DMA kullanımı, görevlerin bloklanmadan yürütülmesini sağlar; bu nedenle tek bir MCU ile çoklu görevler etkin şekilde yönetilebilir."
Bu tür projelerde, gereksinimlerin doğru analiz edilmesi ve tasarım karmaşıklığının minimumda tutulması, başarı ve sürdürülebilirlik açısından önem taşır.
