Сергей Брюков
Российские микроконтроллеры, такие как Baikal-U (BE-U1000) от “Байкал Электроникс”, К1921ВК01Т от НИИЭТ и 1892ВГ1Я компании НПЦ “ЭЛВИС”, разрабатываются для импортозамещения аналогов STM32 и применяются в АСУ ТП, IoT и управлении двигателями. В статье рассматривается их применимость в полётных контроллерах для дронов и роботов.
Современные полётные контроллеры функционируют под управлением ОС, таких как PX4, Betaflight или ArduPilot, которые требуют определённой производительности от микроконтроллера.
Полетные контроллеры для PX4 (на базе NuttX RTOS), Betaflight и ArduPilot требуют 32-битных ARM Cortex-M процессоров (M4/M7), минимум 168–480 МГц, 256 КБ+ RAM и 1–2 МБ Flash для алгоритмов стабилизации, навигации и логирования.
У микроконтроллера много задач: от обработки сенсорных данных до управления двигателями. Неполный, но вполне обязательный список дел:
Математические вычисления с плавающей точкой с использованием FPU/DSP-инструкций для PID-регуляторов и фильтров требуют от контроллера соответствия требованиям по тактовой частоте и объёму оперативной памяти. Вот минимальные требования ОС к процессорным ядрам микроконтроллеров:
| Параметр | PX4 | Betaflight | ArduPilot |
|---|---|---|---|
| Архитектура | ARM Cortex-M4/M7 | ARM Cortex-M4/M7/M33 | ARM Cortex-M4/M7/M33 |
| Минимальная частота ядра | 168 МГц | 100–170 МГц | 168 МГц |
| Типовая частота ядра | 180–240 МГц | 170–480 МГц | 168–480 МГц |
| Минимальный SRAM | 64 KB | 128 KB | 80 KB |
| Рекомендуемый SRAM | 192–256 KB | 256–512 KB+ | 256–1000+ KB |
| Минимальная Flash память | 1 MB | 512 KB | 1 MB |
| Рекомендуемая Flash | 2 MB | 1–2 MB | 2 MB |
| Плавающая точка (FPU) | Требуется | Рекомендуется | Рекомендуется |
| Частота ПИД-регулятора | 250–500 Hz | 2–8 kHz | 200–500 Hz |
| DMA контроллер | Требуется | Требуется | Опционально |
| SPI интерфейсы | 2–3 | 2–3 | 1–2 |
Усилия российских компаний заслуживают уважения в том, что, несмотря на изобилие импортных решений, они продолжают сопровождение и развитие наших микроконтроллеров.
В таблице ниже представлены некоторые характеристики наших микроконтроллеров:
| Характеристика | Baikal-U (BE-U1000) | НИИЭТ К1921ВК01Т | НПЦ “ЭЛВИС” 1892ВГ1Я |
|---|---|---|---|
| Архитектура/Ядро | RISC-V (2x 200 МГц + 100 МГц) | ARM Cortex-M4F (~125 МГц) | 2x ARM Cortex-M33 (до 160 МГц, FPU/DSP) |
| ОЗУ (SRAM/RAM) | 192 КБ | 192 КБ | Кэш 16 КБ/ядро (SRAM не указано) |
| Flash-память | 256 КБ + 16 МБ XIP | 1 МБ + 64 КБ | Внешняя до 64 МБ (QSPI/SMC) |
| Интерфейсы | 2x CAN, I2S, MicroPython | CAN, USB, Ethernet | UART, 2x I2C, I2S, 3x SPI, QSPI |
Для функционирования ОС полётного контроллера наши процессоры должны соответствовать требованиям по частоте процессора, размеру SRAM и внутренней Flash-памяти. Ниже представлена таблица соответствия характеристик наших микропроцессоров требованиям ОС:
| Baikal-U (BE-U1000) | НИИЭТ К1921ВК01Т | НПЦ “ЭЛВИС” 1892ВГ1Я | |
|---|---|---|---|
| Характеристики | 200 МГц SRAM 192 КБ Flash 16 MB |
125 МГц SRAM 192 КБ Flash 1 MB |
160 МГц SRAM 16 КБ Flash внешняя 64 MB |
| PX4 180 МГц SRAM 64 КБ Flash 1 MB |
🤘 при уменьшении размера ОС сокращением функций |
😥 мало МГц |
😥 мало МГц и SRAM |
| Betaflight 170 МГц SRAM 128 КБ Flash 512 KB |
🤘 при уменьшении размера ОС сокращением функций |
😥 мало МГц |
😥 мало МГц и SRAM |
| ArduPilot 168 МГц SRAM 256 КБ Flash 1 MB |
🤘 при уменьшении размера ОС сокращением функций |
😥 мало МГц и SRAM |
😥 мало МГц и SRAM |
💡 Наиболее подходящим для полётных контроллеров является наш 🤘 Baikal-U (BE-U1000).
И даже для него ОС необходимо конфигурировать и оставлять минимальный набор функций, так как ОС позволяют реализовывать и автопилот по координатам, выполнять простые полётные задачи, типа зависания при потере связи и возврата в точку старта. Но для FPV-режима всего этого не нужно, и видится, что можно сократить размер ОС.
Портирование операционной системы реального времени (RTOS), вроде PX4, Betaflight или ArduPilot, на новые микроконтроллерные платформы — это сложная инженерная задача, требующая понимания как архитектурных особенностей целевого процессора, так и внутреннего устройства ядра ОС. При портировании ОС на российские микроконтроллеры (Baikal-U на RISC-V, К1921ВК01Т и 1892ВГ1Я на ARM Cortex-M) разработчики должны уделить внимание следующим критическим областям.
Первый и наиболее важный шаг — убедиться, что выбранная RTOS уже имеет поддержку архитектуры целевого микроконтроллера или очень похожей на неё платформы.
RISC-V архитектура (Baikal-U BE-U1000):
Baikal-U использует открытую архитектуру RISC-V с двумя ядрами (200 МГц + 100 МГц), что значительно отличается от стандартных ARM Cortex-M, используемых в других полётных контроллерах.
NuttX имеет поддержку RISC-V и активно развивается в этом направлении (особенно благодаря проекту PX4). Однако портирование NuttX на Baikal-U потребует создания специального Board Support Package (BSP), так как это не стандартная платформа.
Требуется реализовать правильную работу прерываний через RISC-V CLIC (Core Local Interrupt Controller) вместо стандартного CLINT, так как это критически влияет на время отклика на события (важно для стабилизации дрона).
ARM Cortex-M архитектура (К1921ВК01Т и 1892ВГ1Я):
Оба контроллера используют ARM Cortex-M (M4F и M33), что хорошо поддерживается NuttX и другими RTOS.
Однако К1921ВК01Т работает на более низкой частоте (~125 МГц против рекомендуемых 168+ МГц), что может быть узким местом для вычисления PID-регуляторов в режиме реального времени.
1892ВГ1Я обладает современной архитектурой M33 с встроенной FPU и DSP, но имеет ограниченное встроенное ОЗУ, что требует тщательной оптимизации размера ядра ОС.
BSP — это слой программного обеспечения, содержащий аппаратно-специфичные процедуры, драйверы периферии и конфигурацию железа, необходимые для функционирования RTOS на конкретной плате.
Ключевые компоненты BSP для полётных контроллеров:
Boot-последовательность и инициализация памяти: загрузчик должен правильно инициализировать ОЗУ, настроить сегменты памяти, загрузить RTOS из Flash и передать управление ядру ОС. Для каждой российской платформы требуется своя реализация, так как разметка памяти отличается.
Конфигурация системных часов (clock setup): это критически важно для обеспечения корректной частоты процессора и периферийных устройств. Для Baikal-U нужно правильно настроить синхронизацию между двумя ядрами и установить необходимые делители частоты. Для ARM-контроллеров требуется конфигурация PLL и распределение часов между периферией (UART, SPI, таймеры для PWM).
Таймеры и системное время (system tick): RTOS требует высокоточного таймера для планирования задач. Для полётных контроллеров критично использовать таймер с разрешением не менее 1 кГц. Разработчик должен выбрать физический таймер и правильно настроить его прерывание для работы с планировщиком RTOS.
Эффективность обработки прерываний критична для полётных контроллеров: задержка на несколько миллисекунд при стабилизации дрона приводит к потере управления.
Что нужно учесть:
Векторизация прерываний: ARM Cortex-M имеет встроенный NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller) с автоматическим сохранением контекста. RISC-V требует либо CLIC, либо эмуляции подобного поведения в программном коде. Требуется убедиться, что RTOS правильно использует доступные механизмы.
Приоритизация прерываний: полётный контроллер должен обрабатывать прерывания от датчиков IMU и давления с наивысшим приоритетом, чтобы не пропустить критичные данные. Разработчик должен правильно настроить NVIC/CLIC-приоритеты и убедиться, что конфигурация RTOS совпадает.
Задержка включения контекста: время от момента прерывания до начала выполнения обработчика должно быть минимальным и предсказуемым. Для Cortex-M это нативно поддерживается аппаратно (~13 циклов), а для RISC-V нужна специальная настройка CLIC с расширением fastirq (при наличии).
Конфликты прерываний (priority inversion): если низкоприоритетная задача захватывает ресурс, необходимый высокоприоритетной задаче, возникает инверсия приоритетов. RTOS должна поддерживать механизмы вроде Priority Inheritance для предотвращения этого, особенно важно при использовании мьютексов между датчиками и PID-регулятором.
Полётный контроллер требует работоспособных драйверов для:
Важные аспекты:
Hardware Abstraction Layer (HAL): разработчик должен создать унифицированный интерфейс для драйверов, чтобы приложение (PX4, Betaflight) не привязывалось к конкретному микроконтроллеру. STM32 предоставляет готовый HAL, но для Baikal-U и других российских контроллеров требуется самостоятельно разработать или адаптировать HAL.
DMA-контроллер (Direct Memory Access): для высокоскоростной передачи данных (особенно через SPI при опросе датчиков) требуется настройка DMA, чтобы не блокировать CPU. PX4 требует наличия DMA для работы на требуемых частотах.
Протокол и временные характеристики: датчики IMU (вроде MPU6000) требуют опроса с частотой 1 кГц, а барометры — с частотой 100 Гц. Разработчик должен убедиться, что драйверы SPI/I2C могут обеспечить такие скорости без потери данных.
Российские микроконтроллеры имеют ограниченный объём встроенной памяти:
Baikal-U: 192 КБ SRAM + 256 КБ Flash (+ 16 МБ XIP Flash) — достаточно для облегчённой версии NuttX + PX4.
К1921ВК01Т: 192 КБ SRAM + 1 МБ Flash — близко к минимуму для PX4.
1892ВГ1Я: кэш 16 КБ/ядро (размер SRAM не указан) + внешняя Flash до 64 МБ — нужна работа с внешней памятью.
Что требуется учесть:
Компоновка памяти (linker script): для каждого контроллера должен быть правильный скрипт компоновщика, определяющий расположение кода, данных, стека и heap в памяти. Неправильная компоновка приводит к перезагрузкам и сбоям.
Размер RTOS: NuttX имеет огромное количество опциональных компонентов. Для работы на ограниченной памяти К1921ВК01Т потребуется отключить невостребованные функции (например, VFS, USB, сетевой стек), оставив только минимум: планировщик, таймер, драйверы датчиков и PWM.
Стек задач: каждая задача в RTOS требует собственный стек. Неправильное распределение стека приводит к stack overflow и повреждению памяти. Требуется тщательное планирование и тестирование на предмет переполнения.
Внешняя память: 1892ВГ1Я может использовать внешнюю Flash (QSPI, SMC), что позволяет хранить алгоритмы и данные вне чипа. Но это добавляет сложность синхронизации и задержек доступа, требуя особой осторожности при работе с real-time кодом.
PID-регуляторы, фильтры Калмана и другие алгоритмы управления требуют вычислений с плавающей точкой.
Baikal-U (RISC-V): поддерживает FP32 (одинарная точность). FP64 (двойная точность) может быть эмулирована, но с огромным штрафом производительности (~8–20x медленнее).
К1921ВК01Т (Cortex-M4F): имеет аппаратную FPU для FP32, но не для FP64. PX4 основан на EKF2, который использует double для некоторых навигационных расчётов — на этом контроллере потребуется либо оптимизировать фильтр, либо смириться с деградацией производительности.
1892ВГ1Я (Cortex-M33): современная архитектура с поддержкой FP32/FP64 и DSP-расширениями, что оптимально для точных вычислений.
Требуется:
Критический шаг, часто недооцениваемый:
Функциональное тестирование: убедиться, что все датчики правильно опрашиваются, моторы отвечают на команды, система не перезагружается в случайные моменты.
Тестирование real-time свойств: измерить задержку отклика (latency) при разных нагрузках. Для полётных контроллеров критично, чтобы стабилизирующие контроллеры выполнялись с частотой минимум 200 Гц и без пропусков.
Стресс-тестирование: запустить систему на полную мощность (все датчики, все моторы, логирование) и убедиться, что нет переполнения памяти, потери данных или неконтролируемых перезагрузок.
Тестирование отказоустойчивости: проверить поведение при потере связи, отказе датчика или сбое в электропитании. PX4 должен безопасно перейти в режим удержания высоты или вернуться на базу.
💡 Существуют ли полётные контроллеры на базе Baikal-U, К1921ВК01Т, 1892ВГ1Я?
Да, они существуют и демонстрируются на профильных мероприятиях! Дело за малым — рассказать о них всё, что можно, и обязательно провести НИОКР по их применению в ваших проектах!
🛸 P.S. Спасибо, что дочитали, поделитесь статьёй с хэштегом #DeepHeads! и подпишитесь на наш канал t.me/deepheads.
Written By
Основатель DeepHeads, с опытом работы в Intel Russia, Intel Germany, Samsung South Korea, РФЯЦ-ВНИИЭФ, НПЦ “ЭЛВИС”.
Является действующим экспертом СколТех и НТИ(Нациаональная технологическая инициатива) в области бортового ИИ для дронов и …
Сергей Брюков
Как современные языковые модели помогают дронам понимать команды на естественном языке — и всё это прямо на борту, без облака.