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Crazepony開源四軸飛行器
Crazepony項(xiàng)目旨在為大學(xué)生/航模愛好者/創(chuàng)客提供可二次開發(fā)的迷你四軸飛行器原型。我們秉承開放，合作，分享的理念，致力將Crazepony打造成航模愛好者學(xué)習(xí)交流的軟硬件平臺(tái)。Crazepony是一個(gè)完全開源的項(xiàng)目，包括源代碼，原理圖，設(shè)計(jì)思路等，并且提供詳盡的百科知識(shí)庫�？梢酝ㄟ^它學(xué)習(xí)四軸飛行器相關(guān)知識(shí)，也可以在上面進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意。
Crazepony項(xiàng)目起源于一個(gè)孩童從小對(duì)擺脫地心引力的夢想。在進(jìn)入大學(xué)之后，終于能夠把這個(gè)夢想和自己所學(xué)結(jié)合起來。到現(xiàn)在，Crazepony四軸飛行器已經(jīng)在硬件上進(jìn)行了10多次的改進(jìn)，在軟件，算法等方面經(jīng)歷了無數(shù)次的挫敗和修改。
我和Crazepony的那點(diǎn)事兒(1)
作者： CamelGo
很榮幸，Crazepony的第一篇博客是我來寫，鑒于是第一篇，按照慣例，我還是說點(diǎn)其他的先。
對(duì)現(xiàn)狀的一些思考
在我們目前這個(gè)體制框架下，通過投機(jī)倒靶發(fā)家致富的人太多，而利用自己努力學(xué)到的知識(shí)和工程技巧解決問題的人屈指而數(shù)，少數(shù)人占有了大多數(shù)的社會(huì)財(cái)富，而他們往往又是那些肥頭大耳，世俗圓滑的一群人。
當(dāng)那些大型通信設(shè)備壟斷商和房地產(chǎn)老總們通過資本運(yùn)作和千軍萬馬的工程密集型項(xiàng)目來聚斂巨額財(cái)富時(shí)，工程師的聰明才智和童年的幻想正一點(diǎn)點(diǎn)被壓榨殆盡。創(chuàng)造力和想象力，不斷屈服于自上而下的制度之中。而所謂的英雄，僅僅是這種企業(yè)的頂層，甚至他們都不一定懂得技術(shù)。
羨慕國外技術(shù)人員的純粹，至少他們的初衷不是為了圈錢去做某個(gè)項(xiàng)目，去干某件事情，雖然最后都會(huì)因此而盈利，那是因?yàn)樗麄冏铋_始的不計(jì)后果和奮不顧身，讓他們后來得以發(fā)現(xiàn)這個(gè)產(chǎn)品的市場和價(jià)值。他們給我的感覺一直就是：“我沒有其它目的，因?yàn)槲覑鬯�，所以我去做，賺不賺錢以后再說”也許這個(gè)觀點(diǎn)帶有個(gè)人主觀色彩和片面的地方，但人家至少看起來是醬紫。
一次關(guān)于微型四軸的演講
2011年，賓夕法尼亞大學(xué)的VIJAYKUMAR教授在TED做了一次關(guān)于四軸飛行器的演講，這次的飛行器只有手掌大小，其靈巧程度令人咋舌，演講大部分時(shí)間在科普四軸飛行的原理，到最后教授展示了他們飛行器的應(yīng)用，我驚呆了！它們可以編隊(duì)飛行，多個(gè)飛行器合作搬運(yùn)物體，合作彈奏一首音樂，進(jìn)入建筑物內(nèi)部飛行一圈，然后對(duì)建筑物內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)建立三維模型并上位機(jī)重構(gòu)等。這是讓我內(nèi)心難以平靜的一段視頻。
一個(gè)關(guān)于微型四軸的開源項(xiàng)目Crazyflie
偶然的機(jī)會(huì)，在果殼網(wǎng)看到了一個(gè)叫Crazyflie的微型四軸，這一次，我的心理防線被擊得粉碎，因?yàn)樗拈_發(fā)者們看起來是跟我們年齡差不多的大學(xué)生，工作環(huán)境也是在一個(gè)類似工作室的地方，并不像賓大叫獸那么專業(yè)。他們第一版飛機(jī)是這樣的，說實(shí)話，穩(wěn)定性和外形設(shè)計(jì)不是那么好。
這一次我被徹底點(diǎn)燃了，深陷其中，難以自拔，從那個(gè)時(shí)候開始謀劃要做一個(gè)這樣的小四軸，完成我童年那個(gè)對(duì)抗地心引力的小小夢想。
Crazepony四軸萌芽就我個(gè)人而言，很喜歡小巧的電子產(chǎn)品,那種麻雀雖小,五臟俱全的感覺簡直棒極了要知道，把東西做大很容易，要把東西做小還要保證功能不減，這就需要耐心和體力了，僅僅是因?yàn)檫@樣一個(gè)簡單想法，促使了我去做這樣一件看起來很無聊的事情。對(duì)這個(gè)飛行器的最初的構(gòu)想是：機(jī)身一定是依托PCB板，大小一定不超過手掌，通信一定是我們熟悉的無線解決方案，飛行體驗(yàn)一定要最好。同時(shí)，兼具娛樂性和開發(fā)性，讓每個(gè)人都能在這里找到童年…
由于這是Crazepony的第一篇博客，寫到這里就歇歇了，后續(xù)將會(huì)和大家交流一些開發(fā)過程中細(xì)節(jié)。由于筆者工程經(jīng)驗(yàn)有限,前期調(diào)試過程中，走了不少彎路，很多問題考慮不夠周全,還望能和各位一起探討，共同進(jìn)步。
傳感器方面：
目前Crazepony采用的是最常用的MPU6050陀螺儀加速度計(jì)一體芯片，成本不超過20元，對(duì)小四軸來說，它的精度和性能綽綽有余了（當(dāng)我聽說教研室?guī)熜钟玫囊活w傳感器裸片賣1W+時(shí)，我整個(gè)人都不好了..），MPU6050在這個(gè)價(jià)位里面幾乎是占有絕對(duì)的性價(jià)比優(yōu)勢。首先，它將陀螺儀和加速計(jì)整合在一個(gè)片上，通過IIC總線給出六個(gè)維度的ADC值；其次，芯片本身提供一個(gè)“從”IIC接口，供用戶接第三方的IIC器件，一般選擇是接一個(gè)電子羅盤，如HMC5883L,構(gòu)成一個(gè)9軸的輸出的姿態(tài)模組,現(xiàn)在MPU9150已經(jīng)喪心病狂的把電子羅盤功能也整合在片上了,但是要買60+元；最后，這顆芯片內(nèi)部集成了一個(gè)DMP（Digital Motion
Processor）處理器，這是最讓我愛不釋手夜不能寐的一個(gè)功能,直接硬件解算四元數(shù),從某種程度上說解放了20%的主控資源
數(shù)據(jù)通信方面：
數(shù)據(jù)通信這塊，也沒什么特別要考慮的，短距離高速通信且免費(fèi)這一點(diǎn)要求就限制了只能選擇2.4GHz這個(gè)頻段，在這個(gè)頻段出了很多優(yōu)秀的芯片廠商。在學(xué)生時(shí)代，我用得最多是Nordic公司的NRF24L01這個(gè)系列的收發(fā)一體芯片，由于剛開始著手啟動(dòng)Crazepony這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，我只會(huì)這顆操作芯片，本著方便的原則，所以很自然的選擇了這顆它（后來發(fā)現(xiàn)國外一個(gè)團(tuán)隊(duì)bitcraze也用的這個(gè)系列的芯片時(shí)，還是有點(diǎn)小激動(dòng)的,不同的是，crazyfile用的是NRF24LU1，這顆芯片在與USB的接口上要容易些）
差不多了，硬件芯片選型大概是這樣。下面談?wù)勥@期間的一些細(xì)節(jié)
（二）
一個(gè)處女座僅僅是要求機(jī)身上芯片封裝統(tǒng)一是QFN有錯(cuò)么,不要再黑處女座了好么，他們活得很累的。(~.~)
機(jī)身外形:
如上一篇博客談到到的，我前前后后花了兩年時(shí)間，以學(xué)習(xí)STM32這款單片為目的開始著手一個(gè)完全陌生的飛行器，從硬件到軟件。可以想象，這兩年我因?yàn)闊o知所走的彎路和畫廢掉的板子以及燒掉的生活費(fèi)，加起來能換多少個(gè)菜包子和素饅頭了。
機(jī)身外形的設(shè)計(jì)對(duì)我來說是最頭大的，一直想不到什么好的主意，最關(guān)鍵的是我本人是天線專業(yè)的，我自以為是的把2.4G的天線露在機(jī)身外部（如圖1），凸顯我是學(xué)過天線設(shè)計(jì)的男人。但是這嚴(yán)重破壞了美感不說，還強(qiáng)烈的刺激了處女座的用戶。一次偶然的機(jī)會(huì)拆了一個(gè)平板電腦，發(fā)現(xiàn)主板上有根長得很像電容貼片電容的元件，百度后才發(fā)現(xiàn)，居然是一根2.4G的陶瓷天線，這….我這四年天線專業(yè)的所學(xué)算是全部還給老師了。于是，后來再參考了某公司的某飛行器外形，壓縮了天線，有了最終雙曲線過度的Crazepony外形（如圖2）
調(diào)試方便的考慮:
在第三版之前,我都是用的stm32的SWD接口燒寫調(diào)試固件代碼,這種方式的確比較方便和有效,但是有個(gè)致命的弊端就是需要外接一個(gè)碩大的jlink調(diào)試器,這種設(shè)計(jì)簡直太反人類了。糾結(jié)了好長時(shí)間，后來在看datasheet時(shí)發(fā)現(xiàn)STM32支持另外一種下載模式，用串口即可完成代碼的下載，不足是不能在線調(diào)試。但是相比于能簡化操作的誘惑，我還是決定在機(jī)身整合這樣一個(gè)下載電路。（如圖）
這樣一來，機(jī)身和外部的有線接口就只有一根安卓手機(jī)的標(biāo)配數(shù)據(jù)線mircoUSB線。它既是充電線，也是調(diào)參、燒寫固件的數(shù)據(jù)線。這對(duì)大媽來說，想必操作也是很簡單的吧
電機(jī)驅(qū)動(dòng):
由于筆者完全是由于一種強(qiáng)烈的愛好選擇了飛行器,最開始連有刷電機(jī)和無刷電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)區(qū)別都不知道,電調(diào)又是啥?傻傻分不清楚…
從一個(gè)幾乎零基礎(chǔ)的狀態(tài)去選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，彎路是必須要走的，學(xué)費(fèi)是必須要交的。曾以為書上學(xué)到的東西馬上就能用，馬上能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，后來發(fā)現(xiàn)真的是自己想多了。最開始用的三極管作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用很經(jīng)典的共射電路“三極管工作在開關(guān)狀態(tài)應(yīng)該就行了吧？”畫了用三極管驅(qū)動(dòng)的PCB板，發(fā)現(xiàn)電機(jī)越轉(zhuǎn)越慢，根本沒勁�！耙苍S是因?yàn)槿龢O管扛不了大電流，好吧那我換個(gè)中功率管吧，集電極最大6A電流行了吧？”可以想象結(jié)果是不行的首先了解下為什么三極管作為簡單的電機(jī)驅(qū)動(dòng)是不可取的方案：
三極管作為一個(gè)古老的半導(dǎo)體先驅(qū)，它是以一個(gè)放大器件的姿態(tài)而出現(xiàn)的，它在線性區(qū)域特性集中，飽和與截止都是兩種極端的工作狀態(tài)，而作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的話，我們只能選擇它的這兩種極端工作模式
用三極管作為大電流負(fù)載的驅(qū)動(dòng)管時(shí)，不得不考慮的是他自身的管壓降對(duì)負(fù)載的影響，這是很嚴(yán)重的。自身耗散越來越大，電機(jī)和管子是串聯(lián)關(guān)系，電池電壓只有3.7V，電機(jī)就只能越轉(zhuǎn)越慢了
在晶體管家族里面還有一種跟三極管特性互補(bǔ)的，所有特性都集中在開關(guān)狀態(tài)的晶體管，場效應(yīng)管，即MOSFET。通常的場效應(yīng)管完全導(dǎo)通時(shí)，源漏極電阻都是mΩ級(jí)別的，即它自身的耗散非常小。用它做為驅(qū)動(dòng)管再合適不過了。
最終選擇了一個(gè)SOT23封裝的,導(dǎo)通電壓Vgs<4v的場管（SI2302）,結(jié)果表現(xiàn)出了很好的驅(qū)動(dòng)性能
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