全球最小四軸飛行器Crazyflie電路部分詳解

1、全球最小四軸飛行器Crazyflie電路部分詳解上網(wǎng)日期: 2016年02月16日Crazyflie是目前全世界最小的四軸飛行器，僅重19克，相對(duì)的兩翼之間長(zhǎng)度為9厘米。有兩個(gè)不同的版本，區(qū)別在于傳感器的數(shù)量。這個(gè)小四軸飛行器可以在空中飛行長(zhǎng)達(dá)7分鐘,通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB接頭給鋰聚合物電池充電需要約20分鐘。它的電路部分到底是如何實(shí)現(xiàn)的？且聽我慢慢道來(lái)。1. 電氣原理從中心開始：72M主頻的M3內(nèi)核的處理器來(lái)處理各傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)四個(gè)旋翼進(jìn)行控制達(dá)到想要的效果。往上：通過(guò)IIC接口與三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)（也就是MPU6050）、磁力計(jì)、氣壓計(jì)等傳感器連接獲取傳感器數(shù)據(jù)，來(lái)感知載體（也就是四

2、軸機(jī)體）的姿態(tài)（這里的姿態(tài)包括俯仰、橫滾、航向）和高程。往下：通過(guò)PWM調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于電機(jī)帶有螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生所謂的“升力”。往右：通過(guò)SPI協(xié)議接口與無(wú)線芯片通訊，回傳載體數(shù)據(jù)和接收控制信號(hào)，還有外部擴(kuò)展接口。往左：電源管理部分。2. 電池電池使用的是鋰電池（鋰離子聚合物電池），是目前流行的遙控模型電池。但鋰電池必須按照規(guī)定使用，過(guò)沖、過(guò)放都會(huì)產(chǎn)生安全隱患。由于它具有最高的電能/質(zhì)量比和最大的放電電流，所以也是比較適合的選擇。為了應(yīng)付鋰電池的這些缺點(diǎn)，我們使用電路保護(hù)模塊（ PCM）來(lái)防止電量不足、過(guò)放電或者短路。PCM 位于電池上部的橙色膠帶下面，從中引出兩條電

3、源線。但是這種保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要有專門的充放電管理電路來(lái)保護(hù)。比如電氣原理圖的Power Mangment and Charging部分。PCM 的參數(shù)如下：3. 電源管理電 源管理主要是由TI BQ24075 電源管理芯片來(lái)完成。它能開/關(guān)和給鋰電池充電。BQ24075有三種輸入限制模式，100mA，500mA和用戶自定義（Crazyflie設(shè)置 740mA）。當(dāng)將 Crazyflie 接上普通電源適配器時(shí)就可以使它能快速的充電。但是 170mAh電池一般不允許超過(guò) 3C（ 510 毫安）的充電速率。模擬和數(shù)字電源使用的是 TPS79301 可調(diào)穩(wěn)壓芯片。我們選擇可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓片來(lái)支持兩種

4、電壓以此獲得最大的調(diào)節(jié)能力。可以通過(guò)改變一對(duì)偶電阻的阻值來(lái)設(shè)置輸出電壓。當(dāng)接上 USB 線纜時(shí)數(shù)字供電從 2.8V 切換到3.3V來(lái)適應(yīng) USB 供電標(biāo)準(zhǔn)。（電壓切換部分若有人感興趣我再做解釋）。4. 微控制器 MCU處理的核心，可以看到四個(gè)MOTOR驅(qū)動(dòng)控制腿，狀態(tài)指示燈。size=13.63636302948px 用的現(xiàn)在比較常用的STM32F103CBsize=13.63636302948px，運(yùn)行 72MHsize=13.63636302948px的全速狀態(tài)，它具128Ksize=13.63636302948pxFlas和 20Ksize=13.63636302948px的RAM。21

5、 22腿的IIC接口，與IMU模塊通訊，2 3 4 11 12等引腳的對(duì)電源管理模塊的控制，主要功能就是檢測(cè)電壓，控制通/斷等，25到31對(duì)2.4G無(wú)線模塊的通訊與控制14到17引腳作為預(yù)留外設(shè)接口44腳為引導(dǎo)程序地址的的硬件設(shè)置，總之，都是數(shù)字電路，看看各芯片手冊(cè)和集中通信協(xié)議搞明白還是比較容易的。5. 傳感器慣性傳感器使用的Invensens公MPU-605單芯片六軸傳感器，它包含了一個(gè)三軸陀螺儀和一個(gè)三軸加速度計(jì)。還有個(gè)磁力計(jì)HMC5883L，暫時(shí) 不清楚電機(jī)對(duì)磁力計(jì)的影響有多大。第一個(gè)版本有兩個(gè)型號(hào)，區(qū)別就是有無(wú)氣壓計(jì)MS5611，原因很簡(jiǎn)單就是價(jià)格問(wèn)題，國(guó)內(nèi)單個(gè)購(gòu)買MS5611芯片要

6、40 塊。6. 擴(kuò)展口擴(kuò)展口 位于 Crazyflie 的左側(cè)，10*2 針 1.27mm 間距的過(guò)孔，擴(kuò)展口分為兩部分。pin1到pin10是JTAG部分，pin11到pin20是總線/電源部分。7. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用的有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的下拉場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，如上側(cè)原理圖所示。 還有一個(gè)續(xù)流二極管來(lái)分流由電機(jī)PWM工作模式下產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)尖峰。size=13.63636302948px 先要知道的就是使用的614空心杯電機(jī)，N溝道額定電流3A的場(chǎng)效應(yīng)管以及MOS管的特性：GS端電壓控制DS的通斷，電壓控制電流，R1作為下拉電阻防 止誤觸發(fā)，D1續(xù)流二極管：因?yàn)殡姍C(jī)在電路上可以等效成個(gè)電感，PWM模式下電感會(huì)有反向電動(dòng)勢(shì)，若參數(shù)合適的話電動(dòng)勢(shì)會(huì)非常高，MOS管都有擊穿危險(xiǎn)。size=13.63636302948px多說(shuō)一句（電路高手可以無(wú)視）：這里用的是MOS管，GS電壓控制DS電流，還有常用的晶體三極管，N溝道MOS管的GDS對(duì)應(yīng)