VITA75與VPX優(yōu)化無人駕駛車輛的熱和有效載荷效率

無人機/UGV/UUV的快速發(fā)展對尺寸、重量和功率提出了越來越高的要求，而應(yīng)用的范圍又有多大？從監(jiān)視到防空再到通信中繼？軍事以外的國家安全組織的興趣繼續(xù)增長。為了適應(yīng)不斷增長的需求和不斷減少的預(yù)算，公共承包商和私人供應(yīng)商正在轉(zhuǎn)向尺寸、重量、功率和成本（SWaP-C）精通標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)設(shè)計，例如利用VITA 75小尺寸的較小包絡(luò)來取代現(xiàn)有的3U和6U VPX技術(shù)。這允許將未來的有效載荷功能集成到現(xiàn)有移動平臺的可用空間中。

軍用車輛越來越小。如今的戰(zhàn)斗部隊越來越多地配備由士兵遠程遙控操作的車輛，并且還可以半自主地操作。這些無人駕駛車輛在空中，地面，海上和水下（無人機，UGV，USV，UUV）中運行，并迅速占美國機隊的比例越來越大。這些車輛是用于執(zhí)行保護和擴展現(xiàn)代作戰(zhàn)人員能力的重要軍事任務(wù)的工具。

沒有部隊在車內(nèi)，并不減少對無人駕駛車輛的加工需求。當(dāng)車輛無人駕駛時，需要具有更強處理能力，更寬，更高速的數(shù)據(jù)總線以及更多更高分辨率的傳感器的高性能計算機系統(tǒng)來實現(xiàn)自主功能。更高的數(shù)據(jù)輸入和處理需求要求這些較小的車輛提供必要的冷卻空間，從而實現(xiàn)可靠、高性能的運行。

散熱需要空間，而空間在這些小型無人駕駛車輛中是稀缺商品。無人駕駛汽車的運行環(huán)境要求不亞于有人駕駛汽車。溫度可能同樣極端，但在這些較小的車輛中，冷卻計算機系統(tǒng)變得更加困難。

3U 和 6U VPX 嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到能夠跟上現(xiàn)代 CPU 的最新總線速度，同時將 SWaP 保持在海灣。這些相對緊湊的解決方案目前滿足了移動軍事平臺對高性能計算的現(xiàn)代要求。這些系統(tǒng)提供連接性，以及支持可見光譜和紅外攝像頭、雷達和其他快速高清傳感器所需的寬廣、高速 I/O。這些系統(tǒng)的核心是處理數(shù)據(jù)以進行對象檢測、分類和跟蹤所需的處理能力（CPU、GPGPU、FPGA）。

所有這些功能在較小的無人平臺中都是必需的，但這些車輛的有效載荷限制比較大的兄弟更嚴(yán)格。可以從系統(tǒng)中移除的每一點重量和體積都有可能改善已部署單元的范圍、能力或成本，因此工程師必須考慮每立方厘米空間和每克重量的功能。這是基于小型（SFF）VITA 75的系統(tǒng)的優(yōu)勢所在;所有不必要的空間都可以從系統(tǒng)中擠出以減小其尺寸，并且可以消除不必要的質(zhì)量。雖然耗散這些系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能確實需要空間，但使系統(tǒng)的電子部分更小會為熱耗散留出更多可用空間。

效率和空間

無人系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常被忽視的一部分是空曠空間（空氣空間）或質(zhì)量。在軍用無人駕駛車輛應(yīng)用中，可以從計算子系統(tǒng)中移除的每盎司或立方英寸空間都有可能改善已部署單元的范圍、能力或成本。為此，工程師必須再次考慮每一點立方體空間和每盎司重量的功能。應(yīng)從系統(tǒng)中擠出所有不必要的空間以減小其尺寸，并應(yīng)消除任何不必要的質(zhì)量（請參閱側(cè)邊欄1）。如果包括在系統(tǒng)設(shè)計中，則應(yīng)充分了解空氣空間的目的。例如，系統(tǒng)可能包括空白空間，因為設(shè)計需要特定的內(nèi)部或外部表面積來實現(xiàn)對流熱耗散。同樣，熱傳遞或下沉可能需要將材料質(zhì)量設(shè)計到無人駕駛車輛系統(tǒng)中。

考慮VPX設(shè)計中從關(guān)鍵組件分配熱量的大型重型導(dǎo)熱通路。這種導(dǎo)電方案通過與開槽卡導(dǎo)軌的接觸來分配機箱中每個電路板的能量，從而促進內(nèi)部溫度流向外殼的外部表皮。導(dǎo)電成分作為其質(zhì)量的函數(shù)，在自身內(nèi)部也具有下沉能力。該質(zhì)量增加了熱沉容量，因此可以平均出加工組件熱需求的峰值。由楔形鎖提供的物理壓力使刀片和槽上的熱分流器之間的接觸面積最大化。楔形鎖增加了楔形鎖對面的分流到槽接觸面積，楔形鎖本身提供了基于互鎖楔塊的壓力，呈現(xiàn)出低（《50%）接觸面積。設(shè)備上的所有其他楔塊只能接觸插槽或刀片式服務(wù)器，但不能同時接觸兩者（圖1）。由此產(chǎn)生的效果是，使用刀片式槽實際上減少了潛在的接觸面積，導(dǎo)電性以及由此產(chǎn)生的VPX的熱效率。

圖 1：來自楔形鎖的物理壓力使熱分流器之間的接觸面積最大化;楔形鎖不能同時接觸刀片和槽，從而降低了 VPX 葉片設(shè)計中的導(dǎo)電性和熱效率。

相比之下，在VITA 75外形系統(tǒng)（如極端加固型 HPERC）中，關(guān)鍵組件與散熱元件的距離絕對最小。該系統(tǒng)在這些組件和外部散熱器之間集成了一個高效散熱器（圖 2）。吊具結(jié)構(gòu)緊湊，可最大限度地減少ΔT并增加向系統(tǒng)外部的熱傳遞。

圖 2：VITA 75 設(shè)計采用高效、緊湊的導(dǎo)熱器，可增加向系統(tǒng)外部的熱傳遞。

系統(tǒng)和組件標(biāo)準(zhǔn)

定義系統(tǒng)架構(gòu)范圍的標(biāo)準(zhǔn)（如 VPX 和 VITA 75）在系統(tǒng)的各個級別提供一致性和模塊化。這些要求給系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了壓力，因為他們選擇的外形尺寸可能需要對整體SWaP設(shè)計做出妥協(xié)。

如前所述，功率或電效率主要由處理器的發(fā)展驅(qū)動。然而，為了解決散熱挑戰(zhàn)，基于VITA 75標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)實現(xiàn)了更高的冷卻效率。凌華科技的HPERC系統(tǒng)就是一個例子，它使用效率最高的處理器，改進了散熱設(shè)計，并減小了系統(tǒng)尺寸，以改善SWaP方程，從而改善無人系統(tǒng)的有效載荷效率。這些改進是通過移除或收縮楔形鎖、熱分流器、連接器和托架等元件來實現(xiàn)的，這些元件旨在簡化配置和維修，但對系統(tǒng)性能是不必要的。

此外，VPX 還指定了一種穩(wěn)健的總線方案，具有堅固耐用的總線連接器利用率和刀片式擴展卡的基礎(chǔ)設(shè)施。模塊化刀片架構(gòu)能夠在內(nèi)部輕松擴展和重新配置，以適應(yīng)不斷變化的需求，但這些無處不在的組件 - 在內(nèi)部實施標(biāo)準(zhǔn)化的同時 - 不會增加任何性能方程式，實際上會減少性能等式。例如，當(dāng)不需要熱能來穿越滑動槽機構(gòu)時，楔形鎖是不必要的。它們是尺寸，重量和性能的成本。

當(dāng) VITA 75 等規(guī)范定義了箱式解決方案，而不是定義了滲透到系統(tǒng)內(nèi)部外形尺寸的過度約束要求時，系統(tǒng)尺寸和重量可以顯著減小，同時提高熱效率。存儲卡插槽的重量可能超過 1 磅，通過消除它，關(guān)鍵組件可以靠近耗散器。一些比較表明，與VPX相比，降低熱阻所產(chǎn)生的改善可以超過48%。顯然，移除導(dǎo)熱卡插槽不會降低處理性能，但會減少超過1磅的有效載荷。

VITA 75：無人系統(tǒng)的制勝解決方案

在設(shè)計無人系統(tǒng)時，實現(xiàn)SFF計算系統(tǒng)優(yōu)勢的關(guān)鍵在于重新思考最終用戶所需的開放標(biāo)準(zhǔn)的各個方面。VPX 刀片和卡籠提供了一種配置混合匹配模塊化的簡單方法，這在實驗室中非常方便。但是，當(dāng)車內(nèi)需要更高的集成度時，必須解構(gòu)模塊化設(shè)計。仔細的VITA 75設(shè)計已經(jīng)刪除了模塊化的某些方面，以提高SWaP;如前所述，它是一個定義 SFF 箱級標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，并且主要基于客戶的聲音，重點關(guān)注操作環(huán)境的大小和加固級別。結(jié)果是態(tài)勢感知的改變游戲規(guī)則的提高，不僅保留了無人駕駛車輛本身，而且還提供了完全控制戰(zhàn)場技術(shù)和前所未有的部隊保護所需的質(zhì)量和信息量。

審核編輯：郭婷