VITA75与VPX优化无人驾驶车辆的热和有效载荷效率

无人机/UGV/UUV的快速发展对尺寸、重量和功率提出了越来越高的要求，而应用的范围又有多大？从监视到防空再到通信中继？军事以外的国家安全组织的兴趣继续增长。为了适应不断增长的需求和不断减少的预算，公共承包商和私人供应商正在转向尺寸、重量、功率和成本（SWaP-C）精通标准的系统设计，例如利用VITA 75小尺寸的较小包络来取代现有的3U和6U VPX技术。这允许将未来的有效载荷功能集成到现有移动平台的可用空间中。

军用车辆越来越小。如今的战斗部队越来越多地配备由士兵远程遥控操作的车辆，并且还可以半自主地操作。这些无人驾驶车辆在空中，地面，海上和水下（无人机，UGV，USV，UUV）中运行，并迅速占美国机队的比例越来越大。这些车辆是用于执行保护和扩展现代作战人员能力的重要军事任务的工具。

没有部队在车内，并不减少对无人驾驶车辆的加工需求。当车辆无人驾驶时，需要具有更强处理能力，更宽，更高速的数据总线以及更多更高分辨率的传感器的高性能计算机系统来实现自主功能。更高的数据输入和处理需求要求这些较小的车辆提供必要的冷却空间，从而实现可靠、高性能的运行。

散热需要空间，而空间在这些小型无人驾驶车辆中是稀缺商品。无人驾驶汽车的运行环境要求不亚于有人驾驶汽车。温度可能同样极端，但在这些较小的车辆中，冷却计算机系统变得更加困难。

3U 和 6U VPX 嵌入式系统已经发展到能够跟上现代 CPU 的最新总线速度，同时将 SWaP 保持在海湾。这些相对紧凑的解决方案目前满足了移动军事平台对高性能计算的现代要求。这些系统提供连接性，以及支持可见光谱和红外摄像头、雷达和其他快速高清传感器所需的宽广、高速 I/O。这些系统的核心是处理数据以进行对象检测、分类和跟踪所需的处理能力（CPU、GPGPU、FPGA）。

所有这些功能在较小的无人平台中都是必需的，但这些车辆的有效载荷限制比较大的兄弟更严格。可以从系统中移除的每一点重量和体积都有可能改善已部署单元的范围、能力或成本，因此工程师必须考虑每立方厘米空间和每克重量的功能。这是基于小型（SFF）VITA 75的系统的优势所在;所有不必要的空间都可以从系统中挤出以减小其尺寸，并且可以消除不必要的质量。虽然耗散这些系统产生的热能确实需要空间，但使系统的电子部分更小会为热耗散留出更多可用空间。

效率和空间

无人系统设计中经常被忽视的一部分是空旷空间（空气空间）或质量。在军用无人驾驶车辆应用中，可以从计算子系统中移除的每盎司或立方英寸空间都有可能改善已部署单元的范围、能力或成本。为此，工程师必须再次考虑每一点立方体空间和每盎司重量的功能。应从系统中挤出所有不必要的空间以减小其尺寸，并应消除任何不必要的质量（请参阅侧边栏1）。如果包括在系统设计中，则应充分了解空气空间的目的。例如，系统可能包括空白空间，因为设计需要特定的内部或外部表面积来实现对流热耗散。同样，热传递或下沉可能需要将材料质量设计到无人驾驶车辆系统中。

考虑VPX设计中从关键组件分配热量的大型重型导热通路。这种导电方案通过与开槽卡导轨的接触来分配机箱中每个电路板的能量，从而促进内部温度流向外壳的外部表皮。导电成分作为其质量的函数，在自身内部也具有下沉能力。该质量增加了热沉容量，因此可以平均出加工组件热需求的峰值。由楔形锁提供的物理压力使刀片和槽上的热分流器之间的接触面积最大化。楔形锁增加了楔形锁对面的分流到槽接触面积，楔形锁本身提供了基于互锁楔块的压力，呈现出低（《50%）接触面积。设备上的所有其他楔块只能接触插槽或刀片式服务器，但不能同时接触两者（图1）。由此产生的效果是，使用刀片式槽实际上减少了潜在的接触面积，导电性以及由此产生的VPX的热效率。

图 1：来自楔形锁的物理压力使热分流器之间的接触面积最大化;楔形锁不能同时接触刀片和槽，从而降低了 VPX 叶片设计中的导电性和热效率。

相比之下，在VITA 75外形系统（如极端加固型 HPERC）中，关键组件与散热元件的距离绝对最小。该系统在这些组件和外部散热器之间集成了一个高效散热器（图 2）。吊具结构紧凑，可最大限度地减少ΔT并增加向系统外部的热传递。

图 2：VITA 75 设计采用高效、紧凑的导热器，可增加向系统外部的热传递。

系统和组件标准

定义系统架构范围的标准（如 VPX 和 VITA 75）在系统的各个级别提供一致性和模块化。这些要求给系统开发人员带来了压力，因为他们选择的外形尺寸可能需要对整体SWaP设计做出妥协。

如前所述，功率或电效率主要由处理器的发展驱动。然而，为了解决散热挑战，基于VITA 75标准的系统实现了更高的冷却效率。凌华科技的HPERC系统就是一个例子，它使用效率最高的处理器，改进了散热设计，并减小了系统尺寸，以改善SWaP方程，从而改善无人系统的有效载荷效率。这些改进是通过移除或收缩楔形锁、热分流器、连接器和托架等元件来实现的，这些元件旨在简化配置和维修，但对系统性能是不必要的。

此外，VPX 还指定了一种稳健的总线方案，具有坚固耐用的总线连接器利用率和刀片式扩展卡的基础设施。模块化刀片架构能够在内部轻松扩展和重新配置，以适应不断变化的需求，但这些无处不在的组件 - 在内部实施标准化的同时 - 不会增加任何性能方程式，实际上会减少性能等式。例如，当不需要热能来穿越滑动槽机构时，楔形锁是不必要的。它们是尺寸，重量和性能的成本。

当 VITA 75 等规范定义了箱式解决方案，而不是定义了渗透到系统内部外形尺寸的过度约束要求时，系统尺寸和重量可以显著减小，同时提高热效率。存储卡插槽的重量可能超过 1 磅，通过消除它，关键组件可以靠近耗散器。一些比较表明，与VPX相比，降低热阻所产生的改善可以超过48%。显然，移除导热卡插槽不会降低处理性能，但会减少超过1磅的有效载荷。

VITA 75：无人系统的制胜解决方案

在设计无人系统时，实现SFF计算系统优势的关键在于重新思考最终用户所需的开放标准的各个方面。VPX 刀片和卡笼提供了一种配置混合匹配模块化的简单方法，这在实验室中非常方便。但是，当车内需要更高的集成度时，必须解构模块化设计。仔细的VITA 75设计已经删除了模块化的某些方面，以提高SWaP;如前所述，它是一个定义 SFF 箱级标准的规范，并且主要基于客户的声音，重点关注操作环境的大小和加固级别。结果是态势感知的改变游戏规则的提高，不仅保留了无人驾驶车辆本身，而且还提供了完全控制战场技术和前所未有的部队保护所需的质量和信息量。

审核编辑：郭婷