會飛的鯊魚？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。
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當(dāng)我們給氣球加上適當(dāng)?shù)呢?fù)載之后，此時升力等于重力，那么氣球就可以懸浮在空中了，如果我們再給氣球安裝上推進電機，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。
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這次我們就來開發(fā)一個可以飛的氣球，我稱之為“飛行氣球”
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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)接受信號以及驅(qū)動推進器）
推進器（推進電機，帶動螺旋槳葉推動氣球航行）
載具（氣球，負(fù)載提供給升力）

控制板

制作一個好的控制板是非常重要的，其負(fù)責(zé)接受控制信號并且控制各個推進器的動力輸出（轉(zhuǎn)速）。所以使用一款兼具無線功能的MCU是最優(yōu)選擇，那么藍(lán)牙SOC就當(dāng)之無愧的入選了，藍(lán)牙可以方便的和手機進行鏈接，并且功耗也較低。
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SOC全稱為System on chip,也就是片上系統(tǒng)的意思。對于一塊藍(lán)牙SOC來說，就是將藍(lán)牙射頻電路，單片機（MCU）功能集成到了一個芯片上。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。
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在NRF52832中集成了一個性能較好的Cortex M4F內(nèi)核，主頻為64MHZ，這對于我們的應(yīng)用無疑是給出了很大的拓展空間，帶有FPU（float process unit）浮點運算單元使得進行浮點運算更加快速。
確定好了SOC之后，控制板還需要驅(qū)動我們的推進電機工作，那么我們就需要設(shè)計一個電機驅(qū)動電路了。由于氣球的載重量有限，需要在各個環(huán)節(jié)都要減少重量，過于復(fù)雜的電路一概不予考慮，只需要最最簡單的就可以了。
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電機驅(qū)動芯片占地面積小，使用起來簡單，驅(qū)動以及保護功能齊全，并且穩(wěn)定性十分有保障。所以我選擇了一款超級迷你的電機驅(qū)動芯片DRV8837，并且繪制好了電路的原理圖
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除了電機驅(qū)動芯片以及SOC芯片的電路之外，我還給板子上添加了一個姿態(tài)傳感器MPU6050以及一個氣壓傳感器BM280，用來獲取姿態(tài)以及高度數(shù)據(jù)。
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接下來將原理圖文件轉(zhuǎn)換成PCB文件并且進行簡單的布局，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。
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這一次制作的板子為4層板，因為板子面積過于狹小，所以兩層板布線困難巨大，故給板子添加了兩個電源層，所有信號線則從板子表面通過。
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切換成3D模式下，觀察板子表面布局看看是否有問題
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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
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板子拿到手之后，對于這種元件比較小、密度比較大的板子，按照常規(guī)來說應(yīng)該開鋼網(wǎng)才比較好焊接。而我這次圖便宜沒有開鋼網(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)各種問題。最后費了好大勁才焊接成功，這次長記性了，下回一定開鋼網(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，處理來自手機的數(shù)據(jù)包并且保存下來，方便后面控制電機使用。
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電機轉(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)。
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到這里我們就把代碼寫好了，控制板可以正常使用了，接下來我們看推進器的選擇

推進器

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

拆了一個電機，用里面的銅絲來制作導(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

為了安裝這四個電機，切割了一些泡沫塑料板，用來做支架，并且使用UHU模型膠粘接到電機上

將電機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的運轉(zhuǎn)了

載具

關(guān)于載具我使用的是鋁箔氣球，因為鋁箔氣球有著很好看的外觀以及各種造型，我在網(wǎng)上購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
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將控制板使用透明膠帶粘接到鯊魚底部
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接著依次使用UHU模型膠水粘貼四個電機至鯊魚氣球上，完成后的樣子，四個電機就可以完成鯊魚氣球的前進，左右轉(zhuǎn)彎，上浮下沉等等動作
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從背后看看鯊魚氣球的樣子
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我順便開發(fā)了一個微信小程序用來遙控氣球，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手機的重力感應(yīng)。最上方處則是水平姿態(tài)線，用于指示手機此時的姿態(tài)。

當(dāng)然之前設(shè)計控制板時候設(shè)計的姿態(tài)傳感器也可以用上，我移植了MPU6050的DMP庫，這樣可以免去很多復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算就可以輕易的獲得歐拉角。對于閉環(huán)算法，我就簡單的使用了一個比例項來控制，因為考慮到在室內(nèi)氣球的姿態(tài)比較穩(wěn)定，所以就沒有使用過多的算法。
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最后來幾張在飛行的圖片

ID:243513 · 發(fā)表于 2020-8-19 16:17

牛

牛
牛有創(chuàng)意

ID:73572 · 發(fā)表于 2020-8-24 10:59

厲害了，，，看起來很好玩

ID:402344 · 發(fā)表于 2020-9-26 14:33

這是簡易遙控飛艇，666

ID:151348 · 發(fā)表于 2020-10-14 16:12

腦洞大開，強

ID:847123 · 發(fā)表于 2020-11-23 05:27

哈，這個飛行速度，真適合室內(nèi)玩，不會飛的太快，可以優(yōu)哉游哉漂一會。

ID:88256 · 發(fā)表于 2020-11-23 08:20

這波操作666！IC的焊接是大難點

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