RU238387U1

RU238387U1 - Бортовой многоцелевой реконфигурируемый вычислитель

Info

Publication number: RU238387U1
Application number: RU2025121313U
Authority: RU
Inventors: Олег Борисович Спиридонов; Эдуард Всеволодович Мельник; Алексей Николаевич Самойлов; Андрей Юрьевич Остроухов; Александр Вячеславович Козловский
Filing date: 2025-08-01
Publication date: 2025-10-28

Abstract

Полезная модель относится к области вычислительной техники, а именно к компонентам бортовых вычислительных систем (БВС), и может быть использована для построения БВС беспилотных летательных аппаратов различного целевого назначения для решения задач управления и обработки потоков данных в реальном масштабе времени, в том числе в областях машинного зрения и интеллектуальной обработки информации. Вычислитель включает корпус с платами коммутации и вычислителя с процессорным блоком, встроенным нейроускорителем, блоком интерфейсов периферийных устройств, блоком видеоинтерфейсов FPD-Link III/IV, модулями интеллектуальной обработки и функциональными модулями, соединёнными с модулем хранения и модулем управления конфигурацией, соединённым с модулем хранения конфигураций, блоком взаимодействия “шина”, использующим интерфейсы CAN и RS485, и блоком взаимодействия “точка-точка” для интерфейсов Ethernet и USB. Технический результат полезной модели заключается в обеспечении возможности реализации как функций управления, так и функций обработки информации, в том числе с применением методов ИИ, включая видеоданные и изображения, а также в возможности изменения в процессе работы номенклатуры выполняемых функций, реализуемых бортовым многоцелевым реконфигурируемым вычислителем (БМВ), с учётом текущего режима работы, возможности реализации заданных функций, а также состояния других БМВ в случае работы в составе БВС нескольких БМВ. Таким образом становится возможным создание широкой номенклатуры БВС, требуемой производительности, включающих в свой состав один или несколько БМВ. В последнем случае обеспечивается возможность построения распределённых отказоустойчивых БВС. Это позволяет гибко использовать ресурсы в целях обеспечения реализации требуемых наборов функций с заданным уровнем надёжности. При этом указанные функции могут быть распределены между разными БМВ в составе БВС. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области вычислительной техники, а именно к компонентам бортовых вычислительных систем (БВС), и может быть использована для построения БВС беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) различного целевого назначения для решения задач управления и обработки потоков данных в реальном масштабе времени, в том числе в областях машинного зрения и интеллектуальной обработки информации.

Из уровня техники известен бортовой вычислительный кластер комплексных измерений (патент RU 187547 U1, МПК G06F 15/163, опубл. 12.03.2019) на базе процессоров и ПЛИС с разнородной архитектурой, в котором используется объединительная плата, к которой через высокоскоростную шину стандарта PCI Express и шину стандарта Gigabit Ethernet для образования многопроцессорной конфигурации и обмена данными подключаются вычислители, интерфейсные модули, модули захвата данных и блок резервирования, обеспечивающий перераспределение задач и отключение вышеуказанных модулей в случае отказа, причём модули обладают собственной системой вторичного электропитания и интерфейсами коммуникации для автономного использования.

Технический результат данной полезной модели заключается в повышении надёжности системы при формировании вычислительных задач и повышении скорости их решения. Указанный результат достигается за счёт возможности автономной работы модулей, введения дополнительной шины стандарта Gigabit Ethernet, введения специального блока резервирования и возможности сопряжения нескольких вычислительных кластеров в одну систему.

Недостатками данного решения являются ограниченные возможности горизонтального масштабирования производительности и номенклатуры реализуемых функций - масштабирование ограничено ёмкостью объединительной платы кластера, поскольку сопрягаемые кластеры используются только для обеспечения горячего резервирования, а также то, что отказ блока резервирования приводит к невозможности реконфигурирования кластера, что снижает показатели надёжности. В качестве недостатка, также следует отметить, что сопряжение кластеров не обеспечивает увеличение производительности, а предназначено для повышения отказоустойчивости за счёт горячего резервирования, при этом кратно повышается энергопотребление и увеличиваются масса и габариты.

Из уровня техники известна бортовая информационно-аналитическая система (патент RU 231258 U1, МПК B64C 13/00; G06V 10/82, опубл. 21.05.2025), содержащая процессорный блок, блок нейроускорителя, интерфейсный блок, накопитель данных, базовую плату с источником электропитания, объединяющую процессорный блок, блок нейроускорителя, интерфейсный блок и накопитель данных, причём процессорный блок включает модуль обработки видео, модуль хранения больших бинарных объектов, модуль хранения метаданных, модуль хранения временных рядов и модуль управления, объединённые шиной данных процессорного блока, с которой соединён накопитель данных, блок нейроускорителя включает модуль детекции и классификации, модуль семантической сегментации и модуль навигации, объединённые шиной данных блока нейроускорителя, с которой соединены модуль обработки видео и модуль управления, выход которого соединён с входом интерфейсного блока, интерфейсный блок соединён с модулем обработки видео и выполнен с возможностью соединения с наземным пунктом управления, системой автоматического управления и полезной нагрузкой беспилотного летательного аппарата.

Технический результат данной полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей, которые в совокупности за счёт реализации обработки данных непосредственно на борту БПЛА позволяют повысить уровень автономности БПЛА.

Недостатками системы является невозможность горизонтального масштабирования производительности для решения ресурсоёмких задач - производительность системы ограничивается производительностью установленных компонентов, а также отсутствие устойчивости к отказам.

Полезная модель из патента RU 231258 U1 выбрана в качестве ближайшего аналога заявляемой полезной модели.

Технический результат полезной модели заключается в обеспечении возможности реализации как функций управления, так и функций обработки информации, в том числе с применением методов ИИ, включая видеоданные и изображения, а также в возможности изменения в процессе работы номенклатуры выполняемых функций, реализуемых бортовым многоцелевым реконфигурируемым вычислителем (БМВ), с учётом текущего режима работы, возможности реализации заданных функций, а также состояния других БМВ в случае работы в составе БВС нескольких БМВ.

Указанный технический результат достигается за счёт того, что бортовой многоцелевой реконфигурируемый вычислитель, состоящий из корпуса, в котором установлены плата коммутации и плата вычислителя с процессорным блоком, встроенным нейроускорителем, дополнительно содержит блок интерфейсов периферийных устройств с поддержкой шинных интерфейсов CAN и RS485, блок видеоинтерфейсов FPD-Link III/IV, модули интеллектуальной обработки, выполняемые на встроенном нейроускорителе, и функциональные модули, соединённые с модулем хранения и модулем управления конфигурацией, который при взаимодействии с модулем хранения конфигураций позволяет выполнять реконфигурацию БМВ в составе БВС, соединённых друг с другом с помощью среды передачи данных, реализованной через соединение блоков взаимодействия “шина” по интерфейсам CAN, RS485 и путём соединения блоков взаимодействия “точка-точка” по интерфейсам Ethernet, USB.

Полезная модель иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 - блок-схема БМВ;

на фиг. 2 - пример реализации БВС на базе нескольких БМВ без использования других компонентов.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1 - плата коммутации;

2 - плата вычислителя;

3 - блок интерфейсов периферийных устройств (БИПУ), предназначенный для сопряжения с периферийными устройствами (датчиками, исполнительными устройствами и пр.);

4 - блок видеоинтерфейсов (БВИ), предназначенный для ввода видеоданных по видеоинтерфейсу FPD-Link III/IV;

5 - блок взаимодействия “точка-точка” (БВТТ), обеспечивающий формирование среды передачи данных при реализации БВС на нескольких БМВ, непосредственно соединённых друг с другом с использованием интерфейсов “точка-точка” (Ethernet, USB) для передачи данных между БМВ в составе БВС;

6 - блок взаимодействия “шина” (БВШ), обеспечивающий формирование среды передачи данных при реализации БВС на нескольких БМВ, непосредственно соединённых друг с другом с использованием шинных интерфейсов (CAN, RS485) для передачи данных между БМВ в составе БВС;

7 - процессорный блок (CPU), реализованный на базе SOC;

8 - встроенный нейроускоритель (NPU), реализованный в той же SOC, что и процессорный блок;

9 - модуль управления конфигурацией (МУК), выступающий в роли локального диспетчера (Каляев И.А., Мельник Э.В. Децентрализованные системы компьютерного управления. - Ростов н/Д: Издательство ЮНЦ РАН, 2011.-196 с.) и обеспечивающий контроль состояния и управление функциональными модулями, а также выполняющий взаимодействие с подобными модулями управления конфигурацией других БМВ при реализации БВС на нескольких БМВ;

10 - модуль хранения конфигураций (МХК), предназначенный для хранения всех возможных конфигураций состояния функциональных модулей и БВС;

11 - модуль хранения (МХ), предназначенный для хранения данных функциональных модулей, включая данные, необходимые для реконфигурации;

12 - функциональный модуль (ФМ);

13 - модуль интеллектуальной обработки (МИО).

Осуществление полезной модели

Инициализация

После начала работы вычислителя, реализованного на SOC, размещённой на плате вычислителя 2, модуль управления конфигурацией 9 загружает данные о возможных конфигурациях активных функциональных модулей 12 из модуля хранения конфигураций 10, а также тестирует возможность работы данных модулей (получение исходных данных, передача результатов, наличие достаточного объёма памяти, правильность тестового расчёта, запуск модулей интеллектуальной обработки информации 13). В каждой конфигурации определена номенклатура функциональных модулей 12, которые должны быть активированы на БМВ в зависимости от текущего режима работы БМВ и состояния других БМВ в составе БВС (при наличии таковых) при условии возможности работы всех активируемых функциональных модулей 12. Данные о режиме работы и состоянии других БМВ в составе БВС модуль управления конфигурацией 9 получает от блока взаимодействия “точка-точка” 5 (интерфейсы Ethernet, USB) и блока взаимодействия “шина” 6 (интерфейсы CAN, RS485) через плату коммутации 1. После достижения консенсуса с другими БМВ в составе БВС (при наличии) относительно текущего состояния всех БМВ модуль управления конфигурацией 9 выбирает нужную конфигурацию из модуля хранения конфигураций 10 и активирует функциональные модули 12 в соответствии с выбранной конфигурацией.

Работа

Через плату коммутации 1 (интерфейсы SPI, I2C, RS485, CAN, UART, Ethernet, FPD-Link III/V, GPIO) на плату вычислителя 2 поступают входные данные (данные от датчиков, исполнительных устройств, камер, а также информация с шин передачи данных), которые через блок интерфейсов периферийных устройств 3, блок видеоинтерфейсов 4, блок взаимодействия “точка-точка” 5 и блок взаимодействия “шина” 6 поступают в процессорный блок 7. В процессорном блоке 7 активные функциональные модули 12 выполняют обработку данных, полученных через блок интерфейсов периферийных устройств 3 и блок видеоинтерфейсов 4, задействуя, при необходимости, модули интеллектуальной обработки 13, выполняемые на встроенном нейроускорителе 8. Результаты обработки передаются другим функциональным модулям 12 и/или через блок периферийных устройств 3 передаются на исполнительные устройства и/или через блоки взаимодействия 5 (“точка-точка”) и 6 (“шина”) на другие БМВ, при наличии таковых в БВС. Данные, поступающие через блоки взаимодействия 5 и 6, используются для обеспечения работы модуля управления конфигурацией 9 в том случае, когда БВС состоит из нескольких БМВ. В процессе работы БМВ модуль управления конфигурацией 9 на основе этих данных, а также данных о текущем режиме работы и данных о возможности работы функциональных модулей 12 (передаются этими модулями) принимает решение о необходимости изменения конфигурации активных функциональных модулей 12 (при изменении режима работы, при выходе из строя другого БМВ в составе БВС, при отсутствии возможности работы одного или нескольких активных функциональных модулей 12). В случае такой необходимости запускается реконфигурация БМВ. В процессе работы функциональные модули 12 сохраняют результаты своей работы в модуль хранения 11 для обеспечения возможности восстановления работы после реконфигурации.

Реконфигурация

Модуль управления конфигурацией 9 на основе анализа данных о текущем режиме работы и данных о состоянии других БМВ выбирает конфигурацию активных функциональных модулей 12 из модуля хранения конфигураций 10, при этом деактивирует не входящие в данную конфигурацию активные функциональные модули 12 и активирует входящие в данную конфигурацию неактивные функциональные модули 12. Активируемые функциональные модули 12 для своей инициализации используют данные из модуля хранения 11.

Таким образом, предлагаемая полезная модель делает возможным создание широкой номенклатуры БВС, требуемой производительности, включающих в свой состав один или несколько БМВ. В последнем случае обеспечивается возможность построения распределённых отказоустойчивых БВС. Это позволяет гибко использовать ресурсы в целях обеспечения реализации требуемых наборов функций с заданным уровнем надёжности. При этом указанные функции могут быть распределены между разными БМВ в составе БВС. На фиг. 2 показан один из вариантов применения БМВ для реализации БВС.

Claims

Бортовой многоцелевой реконфигурируемый вычислитель, состоящий из корпуса, в котором установлены плата коммутации и плата вычислителя с процессорным блоком, встроенным нейроускорителем, отличающийся тем, что дополнительно содержит блок интерфейсов периферийных устройств с поддержкой шинных интерфейсов CAN и RS485, блок видеоинтерфейсов FPD-Link III/IV, модули интеллектуальной обработки, выполняемые на встроенном нейроускорителе, и функциональные модули, соединённые с модулем хранения и модулем управления конфигурацией, который при взаимодействии с модулем хранения конфигураций позволяет выполнять реконфигурацию БМВ в составе БВС, соединённых друг с другом с помощью среды передачи данных, реализованной через соединение блоков взаимодействия “шина” по интерфейсам CAN, RS485,и путём соединения блоков взаимодействия “точка-точка” по интерфейсам Ethernet, USB.