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拆解:大疆Spark无人机

2020-03-30 09:17:47 Patrick Mannion 阅读:
无人机既有趣又有用,如果纯粹从工程学角度来看,它是功耗、处理性能、重量、尺寸和成本完美平衡的代表。与大多数电子系统相比,无人机在每平方毫米的空间中封装了更多的传感器、执行器和RF通信部分,因此,我们拆解了大疆Spark无人机,看看它是如何做到的。

无人机既有趣又有用,如果纯粹从工程学角度来看,它是功耗、处理性能、重量、尺寸和成本完美平衡的代表。与大多数电子系统相比,无人机在每平方毫米的空间中封装了更多的传感器、执行器和RF通信部分,这让我们想去拆开它,看看它是如何做到的。因此,我们选用了大疆Spark无人机,来一探究竟。duFednc

这是一次完全破坏性的拆解,可能要费些功夫才能认出那些七零八落的零件。如果你想尝试自己设计无人机,笔者在此推荐一种非常便宜的迷你无人机开发套件,STEVAL-DRONE01,它非常适合设计无人机,能满足你设计无人机的欲望并进行测试。duFednc

为什么选择大疆无人机?

最初的计划其实是拆解UVify OORi无人机,但它是由几个无人机玩家为了参加无人机比赛而设计的,其设计的速度很快,可以说非常快。尽管UVify OORi售价仅295美元,相当便宜,但对我这样的新手来说,太难控制了,而且它只有两分钟的电池续航时间,这太短了,非常考验耐心。它可以快速从A点到达B点,但只有高手能操控。否则的话,它在飞行中就会发生多次撞击,直至撞地。duFednc

还有一个原因,就是UVify OORi没有什么有趣的功能,例如物体检测与避开、返航、语音控制和追踪功能。而售价约450美元的大疆Spark拥有所有关键功能,而且是由无人机之王大疆出品。无论对玩家还是小白,它都更有趣。duFednc

这里要拆解的是大疆Fly More Combo无人机全能套装,其中包含两个额外的电池、桨叶保护罩、额外的螺旋桨、一个便携式手提包,当然还有无人机和遥控器(图1)。与许多设计一样,遥控器上有主控按钮和操纵杆,同时可以充当智能手机的支架;智能手机既可用作显示屏,还可运行大疆无人机主控制应用程序。duFednc

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图1:Fly More Combo套装中大疆Spark无人机的三个图以及其他配件:充电座、桨叶保护罩、额外的螺旋桨,以及遥控器(图右下角两个额外电池的下方)。多花点钱买额外的电池是值得的。duFednc

Spark自从首次亮相就成为有史以来最受期待的无人机之一,这不无原因。打开包装,就有一种“上档次”的感觉,小巧、紧凑、坚固而优雅。这是一款做工精细的产品。它的信号有效距离为2000米,重0.66磅(不含电池),尺寸为5.6×5.6×2.2英寸。其电池容量1480mAh,电压11.4V,保证了无人机15分钟的悬停时间,最大速度为31mph。duFednc

这款无人机具有多种智能飞行模式,让玩家极为满足,当然对新手来说就不必要了。它采用红外传感器在两个方向避开障碍物,使用12兆像素CMOS摄像头在总共五个方向避障。摄像头可以输出分辨率为1920×1080@30fps的视频;无人机使用一个2轴万向节保持稳定,避免俯仰和翻滚。如果再加上第3轴来避免偏航/旋转,就更好了。duFednc

这款无人机工作在2.45和5GHz频段,具有GPS/GLONASS功能。其他主要功能在大疆官网上都能查到。毫不夸张地说,它能带给人愉悦,而且它制作如此精良,拆掉不免令人愧疚,然而,这就是我的工作。duFednc

大疆Spark无人机内部探秘

Spark无人机整体结构牢固,得费些功夫才能打开外壳看到内部。首先需要卸下固定顶盖的螺丝,暴露机腹(图2和图3)。duFednc
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图2:大疆Spark无人机顶部视图和底部视图。duFednc

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图3:取下顶盖后,露出主散热系统。duFednc

取下顶盖后,即可看到主散热系统,它采用水平风扇将空气向下推进散热片的导流槽中。散热管理系统位于EMI屏蔽罩上面,主电路则位于屏蔽罩下方。GPS主模块是可更换的,价格在30至50美元之间。duFednc

从尾部视图中可以看到micro USB接口和存储卡插槽,以及四个直流无刷电机(BLDC)中的两个,其下是LED灯透镜(图4)。这些LED灯很“漂亮”,更重要的是,当无人机飞到高空时,人们很容易看到它,特别是在黄昏后或黑暗中,这是合规性的一个重要因素。duFednc

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图4:尾部视图显示了Micro USB接口和存储卡插槽,以及四个电机中的两个,其下是LED灯透镜。duFednc

接下来要拆下散热管理系统和EMI屏蔽罩,露出主板的正面(图5)。duFednc

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图5:拆下EMI屏蔽罩后,可以看见主板上几乎每颗芯片都涂了导热膏。duFednc

去除导热膏后,可以更清楚地看到驱动Spark的庞大主控中心(图6)。主板上的元器件真的很紧凑!duFednc

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图6:去除了大部分导热膏的主板正面近距离视图。duFednc

很难知道从哪里下手来了解Spark的处理能力,所以我们从电机控制部分开始(图6左侧),首先就是意法半导体的STM32F303 MCU(图7)。duFednc

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图7:Spark主板上有一颗意法半导体的STM32F303、一颗英特尔的Movidius MA2155 VPU、一颗联芯的LC1860C SoC和一颗Atheros/高通的AR1021X双频Wi-Fi SoC。duFednc

STM32F303是一颗混合信号处理器,完成大部分电机控制功能。它基于72MHz主频的Arm Cortex-M4微控制器,并配有浮点运算单元(FPU)和DSP指令集。此外,STM32F303还包含7个快速和超快速比较器(25ns)、4个具有可编程增益的运算放大器、2个DAC、4个超快速12位ADC,以及电机控制计时器。duFednc

这里要强调的是,低延迟保证了快速响应,从而实现精确控制和避障。它采用磁芯耦合存储器SRAM(又称例程加速器),这种存储器架构可加速时间关键型例程的执行,据意法半导体称,它比闪存的执行速度还要快43%。duFednc

电机驱动部分的另一半包括2个MPS的MP6536三通道半桥驱动器芯片,用于驱动3个三相BLDC。duFednc

右下方是一颗Atmel/Microchip公司的ATSAME70Q21,它是基于Arm Cortex-M7的MCU,工作频率高达300 MHz;以及一颗联芯科技的 LC1860C,它是基于Arm的四核片上系统(SoC),工作频率为1.45GHz。这些处理器均由美光科技的71A98JWB30低功耗DRAM(LPDRAM)支持。duFednc

ATSAME70Q21包含16 KB的指令缓存、6 KB带误码校正(ECC)的数据缓存、单精度和双精度硬件FPU以及一个16区存储器保护单元。LC1860C则基于28 nm工艺,集成了四核Cortex A7处理器,它配有双核MaliT628图像处理器,处理能力达到1 Gpix/s。这是主图像处理器。duFednc

图7的底部是Atheros/高通的AR1021X双频2.45/5.8GHz Wi-Fi SoC。它用于2×2MIMO,有自己的内部功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)。左上方是一颗联芯科技的LC1160电源管理芯片(PMIC),其上是一颗带1 Gb DDR内存并具有安全启动功能的英特尔Movidius MA2155视觉处理单元(VPU)。duFednc

大疆对待无人机设计的态度有多认真,从他们采用联芯科技1.45GHz SoC和英特尔Movidius神经网络处理器就说明了一切。联芯科技位于中国,专门开发智能手机SoC(功能、功率、尺寸取得平衡的平台);英特尔则收购了Movidius,从而获得先进的基于神经网络的图像分类功能,这也一直是自动驾驶汽车极为需要的。在Spark无人机中,它用于绘制环境地图。duFednc

主板的背面有一些无源和分立元件,还有USB OTG端口和SD存储卡插槽(如图8)。duFednc

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图8:主板的背面主要有无源和分立元件,以及USB OTG端口和存储卡插槽。duFednc

其下的辅助板上有GPS/GLONASS芯片(图9)。Spark导航系统的核心为u-blox M8030-KT GNSS芯片(专业级版本)。该芯片可以同时接收3个GNSS信号(GPS、Galileo,以及GLONASS或北斗两个中的任一个),灵敏度为-167dBm。duFednc

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图9:Spark的导航核心为u-blox M8030-KT GNSS芯片。duFednc

相机云台和距离传感器

相机模块以45°俯角固定在外壳的下面。它使用一个2轴万向节,通过一条连接到外壳的松紧带转动(图10),这是由旋臂中的驱动装置进行控制的。duFednc

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图10:相机模块(顶部)通过一条松紧带固定在外壳上,并由旋臂中的驱动装置来控制。duFednc

基于LED反射信号的3D距离传感器在无人机的前部(图11)。主配电中心(连接至电机)在中间,Wi-Fi天线在后部。duFednc

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图11:取下PCB板,可以看到下面的主配电布局线束和Wi-Fi天线。图中上部为无人机的前端,包含一个基于LED反射光的前向3D测距系统(如左侧小图所示)。duFednc

传感器的测距范围为16英尺,能够检测反射率>20%且面积大于20×20cm2的漫反射表面,因此可以轻松检测并避开墙面、人和树木。duFednc

将机身前端朝下,可以看到外壳里面的声纳和红外测距组合,它们用于高度检测(图12)。duFednc

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图12:外壳里面的红外和声纳组合持续追踪无人机与地面的距离。duFednc

总之,大疆Spark无人机是一个制作精良的系统,但也有一些小瑕疵。例如,用于Wi-Fi连接的QDR代码不起作用,固件更新也会导致无人机锁定。不过,其App在Pixel 2 Android手机上运行良好。duFednc

试试自己设计无人机

如果想自己设计无人机,意法半导体的STEVAL-DRONE01开发套件是一个很好的选择。它包含高性能STEVAL-FCU001V1飞行控制器单元(FCU),以及组装微型无人机所需的电机、螺旋桨、塑料框架和电池。duFednc

飞行控制器单元运行固件(STSW-FCU001)来控制每个互连电机的速度并稳定机身,这就需要板子上的STM32F4微控制器分析来自加速度计和陀螺仪传感器的数据,以提供高度准确的稳定性和控制能力。FCU板包含一个蓝牙低功耗SPBTLE-RF模块,在智能手机上运行一个专用App,这个手机就可以充当遥控器了。duFednc

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:Teardown: DJI Spark drone。)duFednc

本文为《电子技术设计》2020年04月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里duFednc

本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Patrick Mannion
EDN特约技术编辑。Patrick Mannion是一位自由撰稿人。 他曾担任UBM Electronics媒体的副总裁兼品牌总监,旗下曾包括EE Times、EDN、Embedded.com、Planet Analog、EBN和TechOnline。 他拥有工程学学位。
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