會(huì)飛的鯊魚？記遙控氦氣球的誕生

ID:241755 · 發(fā)表于 2020-8-3 11:15

在氣球中充滿氦氣，由于氦氣密度小于空氣平均密度，氣球排開(kāi)了一定體積的空氣，受到升力大于其自身重力，氣球就可以向上飛了。

當(dāng)我們給氣球加上適當(dāng)?shù)呢?fù)載之后，此時(shí)升力等于重力，那么氣球就可以懸浮在空中了，如果我們?cè)俳o氣球安裝上推進(jìn)電機(jī)，并且仍然保證氣球所獲得升力等于重力，氣球就可以在空中受控制的航行了。

這次我們就來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)可以飛的氣球，我稱之為“飛行氣球”

其中需要幾大比較重要的部件：

控制板（飛行控制板，負(fù)責(zé)接受信號(hào)以及驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器）
推進(jìn)器（推進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)螺旋槳葉推動(dòng)氣球航行）
載具（氣球，負(fù)載提供給升力）

控制板

制作一個(gè)好的控制板是非常重要的，其負(fù)責(zé)接受控制信號(hào)并且控制各個(gè)推進(jìn)器的動(dòng)力輸出（轉(zhuǎn)速）。所以使用一款兼具無(wú)線功能的MCU是最優(yōu)選擇，那么藍(lán)牙SOC就當(dāng)之無(wú)愧的入選了，藍(lán)牙可以方便的和手機(jī)進(jìn)行鏈接，并且功耗也較低。

SOC全稱為System on chip,也就是片上系統(tǒng)的意思。對(duì)于一塊藍(lán)牙SOC來(lái)說(shuō)，就是將藍(lán)牙射頻電路，單片機(jī)（MCU）功能集成到了一個(gè)芯片上。使用它不僅可以降低成本，并且芯片所占面積大大減少。生產(chǎn)藍(lán)牙SOC的廠家有很多，這次用的是比較流行的Nordic公司的NRF52832。

在NRF52832中集成了一個(gè)性能較好的Cortex M4F內(nèi)核，主頻為64MHZ，這對(duì)于我們的應(yīng)用無(wú)疑是給出了很大的拓展空間，帶有FPU（float process unit）浮點(diǎn)運(yùn)算單元使得進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算更加快速。
確定好了SOC之后，控制板還需要驅(qū)動(dòng)我們的推進(jìn)電機(jī)工作，那么我們就需要設(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路了。由于氣球的載重量有限，需要在各個(gè)環(huán)節(jié)都要減少重量，過(guò)于復(fù)雜的電路一概不予考慮，只需要最最簡(jiǎn)單的就可以了。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片占地面積小，使用起來(lái)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)以及保護(hù)功能齊全，并且穩(wěn)定性十分有保障。所以我選擇了一款超級(jí)迷你的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8837，并且繪制好了電路的原理圖

除了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片以及SOC芯片的電路之外，我還給板子上添加了一個(gè)姿態(tài)傳感器MPU6050以及一個(gè)氣壓傳感器BM280，用來(lái)獲取姿態(tài)以及高度數(shù)據(jù)。

接下來(lái)將原理圖文件轉(zhuǎn)換成PCB文件并且進(jìn)行簡(jiǎn)單的布局，布線等等操作。完成之后的樣子可以初步的看出板子的樣子。

這一次制作的板子為4層板，因?yàn)榘遄用娣e過(guò)于狹小，所以兩層板布線困難巨大，故給板子添加了兩個(gè)電源層，所有信號(hào)線則從板子表面通過(guò)。

切換成3D模式下，觀察板子表面布局看看是否有問(wèn)題

將板子的模型文件導(dǎo)出，導(dǎo)入到渲染軟件中得到板子大概的效果圖

板子拿到手之后，對(duì)于這種元件比較小、密度比較大的板子，按照常規(guī)來(lái)說(shuō)應(yīng)該開(kāi)鋼網(wǎng)才比較好焊接。而我這次圖便宜沒(méi)有開(kāi)鋼網(wǎng)，在焊接上栽了不少跟頭，不是虛焊就是引腳連錫，反正出現(xiàn)各種問(wèn)題。最后費(fèi)了好大勁才焊接成功，這次長(zhǎng)記性了，下回一定開(kāi)鋼網(wǎng)。

控制板到這里就算制作好了，給它編程之后就可以使用了。我在Nordic給的SDK（software development kit）軟件開(kāi)發(fā)包中修改了一下藍(lán)牙串口的例程，在藍(lán)牙串口接受服務(wù)的回調(diào)函數(shù)中，處理來(lái)自手機(jī)的數(shù)據(jù)包并且保存下來(lái)，方便后面控制電機(jī)使用。

電機(jī)轉(zhuǎn)速采用PWM（Pulse width modulation）控制，所以我需要初始化一下NRF52832的pwm外設(shè)。

到這里我們就把代碼寫好了，控制板可以正常使用了，接下來(lái)我們看推進(jìn)器的選擇

推進(jìn)器

推進(jìn)器主要起著控制氣球的姿態(tài)、以及前進(jìn)后退的角色。在氣球上使用的推進(jìn)電機(jī)肯定不宜太重，那么空心杯電機(jī)肯定是不二之選，輕便的重量使得他可以很好的掛載在氣球上。買來(lái)的電機(jī)以及螺旋槳。

拆了一個(gè)電機(jī)，用里面的銅絲來(lái)制作導(dǎo)線，銅絲不要太粗否則影響重量

所有的電子設(shè)備此時(shí)全部就準(zhǔn)備好了，為了重量考慮，電池盡量使用最小的，這里使用的是一塊100mah 3.7V鋰電池，重量約3g

為了安裝這四個(gè)電機(jī)，切割了一些泡沫塑料板，用來(lái)做支架，并且使用UHU模型膠粘接到電機(jī)上

將電機(jī)的另外一頭焊接到剛剛做好的控制板上，這樣控制板就可以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)了

載具

關(guān)于載具我使用的是鋁箔氣球，因?yàn)殇X箔氣球有著很好看的外觀以及各種造型，我在網(wǎng)上購(gòu)買了一只形狀是鯊魚的氣球。內(nèi)充的氣體一般是選擇氦氣，氦氣屬于惰性氣體，安全性較高，氦氣在花店可以加注，如果找不到花店的話也可以上網(wǎng)購(gòu)買。
充好氣的鯊魚氣球，由于很容易就飄到天花板上，只能用手按住拍照

將控制板使用透明膠帶粘接到鯊魚底部

接著依次使用UHU模型膠水粘貼四個(gè)電機(jī)至鯊魚氣球上，完成后的樣子，四個(gè)電機(jī)就可以完成鯊魚氣球的前進(jìn)，左右轉(zhuǎn)彎，上浮下沉等等動(dòng)作

從背后看看鯊魚氣球的樣子

我順便開(kāi)發(fā)了一個(gè)微信小程序用來(lái)遙控氣球，如圖所示，油門使用中間的滑塊控制，而左右轉(zhuǎn)彎以及上浮下沉則是通過(guò)手機(jī)的重力感應(yīng)。最上方處則是水平姿態(tài)線，用于指示手機(jī)此時(shí)的姿態(tài)。

當(dāng)然之前設(shè)計(jì)控制板時(shí)候設(shè)計(jì)的姿態(tài)傳感器也可以用上，我移植了MPU6050的DMP庫(kù)，這樣可以免去很多復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算就可以輕易的獲得歐拉角。對(duì)于閉環(huán)算法，我就簡(jiǎn)單的使用了一個(gè)比例項(xiàng)來(lái)控制，因?yàn)榭紤]到在室內(nèi)氣球的姿態(tài)比較穩(wěn)定，所以就沒(méi)有使用過(guò)多的算法。