RoboFly是小馬哥團(tuán)隊(duì)在2018年8月推出的一款完全開(kāi)源的小四軸。
下面是RoboFly四軸飛行器的整體框圖、原理圖、pcb、實(shí)物圖源代碼的截圖，先一睹為快，后面詳細(xì)介紹。
圖1：RoboFly四軸飛行器整體框圖
圖2：RoboFly四軸飛行器原理圖
圖3：RoboFly四軸飛行器PCB圖
圖4：RoboFly四軸飛行器PCB 3D俯圖
圖5：RoboFly四軸飛行器PCB 3D側(cè)視圖
圖6：RoboFly四軸飛行器實(shí)物圖
圖7：RoboFly四軸飛行器源代碼截圖
制作并開(kāi)源這套小四軸的初衷有如下幾點(diǎn)；
1、 初學(xué)者需要一款價(jià)格低廉、軟硬件資料完備、有技術(shù)支持的四軸學(xué)習(xí)平臺(tái)；
2、 以散件形式發(fā)售，電路板布局、元器件封裝選型要方便焊接組裝；
3、 四軸所需元器件采購(gòu)方便、靠譜，最好能提供一站式采購(gòu)，避免過(guò)多郵費(fèi)、采購(gòu)周期長(zhǎng)、采購(gòu)到不合格元器件導(dǎo)致學(xué)習(xí)難以進(jìn)展。
4、 源代碼要極其精簡(jiǎn)、方便入門者能夠方便的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)自己的代碼；
5、 保留一定擴(kuò)展接口、方便用戶自己進(jìn)行擴(kuò)展如定高、航跡、巡線等飛行功能。在學(xué)習(xí)完四軸飛行器之后，這個(gè)開(kāi)源的四軸板子仍然可以作為一個(gè)STM32開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)板使用；
RoboFly四軸的基本配置如下：
主控芯片：STM32F103C8T6
姿態(tài)檢測(cè)：MPU6050
氣壓計(jì)： FBM320
無(wú)線芯片：SI24R1
供電方案：HT7750SA升壓+XC6206穩(wěn)壓
燈光指示：1個(gè)電源指示LED、1個(gè)用戶編程LED、4個(gè)單總線全彩RGB燈
電池：600mAh 20C 1S鋰離子電池
電機(jī)：720空心杯
槳葉：55mm槳葉
槳葉保護(hù)罩：相鄰軸距65mm
機(jī)架：PCB一體化機(jī)架
續(xù)航時(shí)間：10分鐘
遙控距離：空曠50m
RoboFly四軸原理圖各模塊簡(jiǎn)單說(shuō)明：
STM32F103C8T6是ST在2007年發(fā)布的一款MCU，截止目前ST已經(jīng)發(fā)布了速度高達(dá)400MHz的STM32H7 (這時(shí)候一定有人會(huì)說(shuō)600MHz的事，我知道，不用提醒)，我自己也是用STM32F1,STM32F4,STN32F7都做過(guò)各種各樣的四軸，但是這個(gè)開(kāi)源的四軸我還是選擇了STM32F103C8T6，主要從三點(diǎn)考慮，一是封裝比較大，方便初學(xué)者焊接，二是價(jià)格低廉，學(xué)習(xí)成本比較低，三是網(wǎng)上有大量的資料供初學(xué)者學(xué)習(xí)使用。
姿態(tài)傳感器選擇MPU6050，主要考慮的也是封裝比較大，可以直接使用烙鐵焊接，而且價(jià)格比較低，資料也很豐富。而且還自帶DMP庫(kù)，可以完成姿態(tài)結(jié)算后直接把姿態(tài)角輸出給主控芯片。2016年我們的第一款四軸就是采用DMP庫(kù)輸出姿態(tài)角的。
氣壓計(jì)使用的是FBM320,對(duì)于這款氣壓計(jì)，個(gè)人認(rèn)為性能一般。但是優(yōu)點(diǎn)就是這個(gè)封裝和BMP280、SPL06的引腳都是兼容的，方便更換。但是小四軸上放氣壓計(jì)，有一個(gè)比較麻煩的地方就是要想辦法排除槳葉的風(fēng)對(duì)它的干擾?？梢允褂煤＞d等其他東西進(jìn)行隔離。
無(wú)線芯片用的是SI24R1，國(guó)產(chǎn)的，之所以用這個(gè)而不用NRF2401，是因?yàn)檫@個(gè)經(jīng)過(guò)我測(cè)試，性能也是可以的，引腳完全兼容NRF2401，無(wú)線發(fā)射可以做到7dB，在發(fā)射和接收端都采用陶瓷天線的前提下，可以達(dá)到50m的通訊距離。如果加上AP，那達(dá)到100米應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題。通過(guò)兩個(gè)低成本的0歐姆電阻對(duì)電源進(jìn)行了單點(diǎn)接地，防止電機(jī)回路的電流波動(dòng)串進(jìn)射頻回路對(duì)射頻造成干擾。
對(duì)于供電方案中的先升壓再降壓的方案，這是我做第一款四軸飛行器的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的，這種1S的鋰離子電池，在四個(gè)空心杯進(jìn)行供電的時(shí)候，如果四個(gè)空心杯電機(jī)不帶槳葉，也就是說(shuō)沒(méi)有負(fù)載，那啟動(dòng)是沒(méi)有問(wèn)題的。但是如果四個(gè)空心杯都帶上負(fù)載，瞬間提速到滿速，就會(huì)瞬間把電池輸出電壓拉低到3V以下，經(jīng)過(guò)我測(cè)試甚至低到了2.8V，這時(shí)候如果不升壓，直接用電池給LDO供電，那LDO就會(huì)失效。所以通過(guò)升壓再降壓后給單片機(jī)系統(tǒng)供電是一個(gè)可行的方案。另一個(gè)方案就是在電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候采用緩慢啟動(dòng)的方式，這樣電池的電壓就不會(huì)瞬間被拉低，但是這樣的一個(gè)不足之處就是無(wú)法讓這個(gè)小四軸非常暴力，飛起來(lái)不夠爽快。
四個(gè)機(jī)臂上采用的RGBLED是串行單總線全彩燈，也就意味著只需要占用單片機(jī)的一個(gè)IO端口，就可以控制這四個(gè)燈發(fā)出各種各樣的顏色。這個(gè)燈類似與WS2811,也是通過(guò)零一碼來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，進(jìn)而控制燈的顏色的。對(duì)于初學(xué)者而言，時(shí)序往往難以理解，而這個(gè)燈可以作為學(xué)習(xí)時(shí)序最簡(jiǎn)單的一個(gè)例程，雖然簡(jiǎn)單，但是卻非常有趣。
因?yàn)樾∷妮S的尺寸、重量等限制，這版四軸飛行器的電池最好不要超過(guò)600mAh，否則電池自身的重量就會(huì)成為最大的包袱。而太小的電池則不能提供較長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航。總之我經(jīng)過(guò)測(cè)試認(rèn)為600 mAh容量應(yīng)該是一個(gè)拐點(diǎn)。電池最好帶保護(hù)板、有一定的安全性能。否則脹飽、失效事小，嚴(yán)重點(diǎn)在炸機(jī)的時(shí)候可能會(huì)爆炸。
對(duì)于這個(gè)四軸最關(guān)鍵的一個(gè)組建—空心杯，說(shuō)出來(lái)都是淚啊，做四軸兩年，有一年的時(shí)間都在尋找合格的空心杯電機(jī)。2017年有一款四軸飛行器因?yàn)椴少?gòu)的電機(jī)側(cè)向震動(dòng)太大，導(dǎo)致槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)之后產(chǎn)生很大的側(cè)向震動(dòng)、嚴(yán)重干擾了加速度計(jì)，使角度偏差很大，基本不能垂直飛行。一開(kāi)始把問(wèn)題鎖定在MOS管上、陀螺儀上、原理圖與PCB設(shè)計(jì)上都未能解決問(wèn)題，后來(lái)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換后發(fā)現(xiàn)了干擾的頻率點(diǎn)，這才確定是電機(jī)的側(cè)向震動(dòng)引起的。還有一種情況就是同一批次的電機(jī)性能差異很大，導(dǎo)致PID調(diào)節(jié)的輸出差異很大，最終會(huì)影響MOS管的壽命、電機(jī)壽命。空心杯電機(jī)使用SI2302這款MOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這是非常常見(jiàn)的一款MOS管，便宜又好用。但是市面上這個(gè)管子假貨也比較多。很多人在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路上加不加電容、加不加二極管有很大的爭(zhēng)議，我經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，加上電容之后效果很好，而加上二極管的效果則一般。也可能是測(cè)試方式不夠嚴(yán)謹(jǐn)，回頭可以一起討論這個(gè)問(wèn)題。
槳葉選型一定要注意選擇平衡性好的槳葉、做工有瑕疵的可能會(huì)影響平衡性，在飛行的時(shí)候，如果不平衡就會(huì)導(dǎo)致側(cè)向震動(dòng)。
初學(xué)者在調(diào)試四軸的時(shí)候，摔下來(lái)、失控是很常見(jiàn)的，所以加上槳葉保護(hù)罩之后，可以很大程度上減小槳葉、電機(jī)報(bào)廢的概率。
如果采用飛控板和機(jī)架隔離的方式，就能從一定程度上降低震動(dòng)的影響，但是這樣或許會(huì)增加重量及成本，所以我選擇了PCB機(jī)架，這也是初學(xué)者最容易實(shí)現(xiàn)的一個(gè)方案，但不是唯一的方案。
四軸源碼采用Keil MDK V5.20
STM32庫(kù)使用的是標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)
四軸源代碼工程創(chuàng)建方法可以參考我們最小系統(tǒng)板的課程，課程視頻可以在公眾號(hào)觀看，下面分享的資料中也提供了工程創(chuàng)建的PDF文件。
鏈接中包括以下6個(gè)文件（回復(fù)帖子可下載）：
1、RoboFly_releaseV1.1.zip（PCB工程，使用AD09創(chuàng)建）
2、RoboFlyDEMO.zip（源代碼工程，使用Keil MDK V5.20創(chuàng)建）
3、RoboFly四軸飛行器元件3D模型.zip(3D模型，使用Solidworks2013創(chuàng)建)
4、Keil中STM32F1工程模板的搭建.pdf
5、RoboFly開(kāi)源四軸交流群二維碼.jpg
6、電子開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)公眾號(hào)二維碼.jpg
