原创 全球最小四轴飞行器Crazyflie电路部分详解

Crazyflie是目前全世界最小的四轴飞行器，仅重19克，相对的两翼之间长度为9厘米。有两个不同的版本，区别在于传感器的数量。这个小四轴飞行器可以在空中飞行长达7分钟,通过一个标准的USB接头给锂聚合物电池充电需要约20分钟。 它的电路部分到底是如何实现的？且听我慢慢道来。 1. 电气原理

从中心开始：72M主频的M3内核的处理器来处理各传感器数据，并对四个旋翼进行控制达到想要的效果。 往上：通过IIC接口与三轴陀螺仪、三轴加速度计（也就是MPU6050）、磁力计、气压计等传感器连接获取传感器数据，来感知载体（也就是四轴机体）的姿态（这里的姿态包括俯仰、横滚、航向）和高程。 往下：通过PWM调节四个电机驱动器来驱动四个电机转动，由于电机带有螺旋桨转动而产生所谓的“升力”。 往右：通过SPI协议接口与无线芯片通讯，回传载体数据和接收控制信号，还有外部扩展接口。 往左：电源管理部分。 2. 电池

电池使用的是锂电池（锂离子聚合物电池），是目前流行的遥控模型电池。但锂电池必须按照规定使用，过冲、过放都会产生安全隐患。由于它具有最高的电能/质量比和最大的放电电流，所以也是比较适合的选择。 为了应付锂电池的这些缺点，我们使用电路保护模块（ PCM）来防止电量不足、过放电或者短路。PCM 位于电池上部的橙色胶带下面，从中引出两条电源线。 但是这种保护是远远不够的，还需要有专门的充放电管理电路来保护。比如电气原理图的 Power Mangment and Charging部分。 PCM 的参数如下：

3. 电源管理

电源管理主要是由TI BQ24075 电源管理芯片来完成。它能开/关和给锂电池充电。BQ24075有三种输入限制模式，100mA，500mA和用户自定义（Crazyflie设置740mA）。当将 Crazyflie 接上普通电源适配器时就可以使它能快速的充电。但是 170mAh电池一般不允许超过 3C（ 510 毫安）的充电速率。 模拟和数字电源使用的是 TPS79301 可调稳压芯片。我们选择可调节稳压片来支持两种电压以此获得最大的调节能力。可以通过改变一对偶电阻的阻值来设置输出电压。当接上 USB 线缆时数字供电从 2.8V 切换到3.3V来适应 USB 供电标准。（电压切换部分若有人感兴趣我再做解释）。 4. 微控制器

MCU 处理的核心，可以看到四个MOTOR驱动控制腿，状态指示灯。 [size=13.63636302948px]用的现在比较常用的STM32F103CB[size=13.63636302948px]，运行72MH[size=13.63636302948px]的全速状态，它具128K[size=13.63636302948px]Flas和20K[size=13.63636302948px]的RAM。 21 22腿的IIC接口，与IMU模块通讯， 2 3 4 11 12等引脚的对电源管理模块的控制，主要功能就是检测电压，控制通/断等， 25到31对2.4G无线模块的通讯与控制 14到17引脚作为预留外设接口 44脚为引导程序地址的的硬件设置， 总之，都是数字电路，看看各芯片手册和集中通信协议搞明白还是比较容易的。 5. 传感器 惯性传感器使用的Invensens公MPU-605单芯片六轴传感器，它包含了一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计。还有个磁力计HMC5883L，暂时不清楚电机对磁力计的影响有多大。第一个版本有两个型号，区别就是有无气压计MS5611，原因很简单就是价格问题，国内单个购买MS5611芯片要40块。。。

6. 扩展口 扩展口 位于 Crazyflie 的左侧，10*2 针 1.27mm 间距的过孔，扩展口分为两部分。pin1到pin10是JTAG部分，pin11到pin20是总线/电源部分。

7. 电机驱动

使用的有刷电机驱动是一个简单的下拉场效应管(MOSFET)，如上侧原理图所示。 还有一个续流二极管来分流由电机PWM工作模式下产生的反电动势尖峰。 [size=13.63636302948px]先要知道的就是使用的614空心杯电机，N沟道额定电流3A的场效应管以及MOS管的特性：GS端电压控制DS的通断，电压控制电流，R1作为下拉电阻防止误触发，D1续流二极管：因为电机在电路上可以等效成个电感，PWM模式下电感会有反向电动势，若参数合适的话电动势会非常高，MOS管都有击穿危险。 [size=13.63636302948px]多说一句（电路高手可以无视）：这里用的是MOS管，GS电压控制DS电流，还有常用的晶体三极管，N沟道MOS管的GDS对应的NPN的晶体管的BCE ，BE电流控制EC电流，各有优劣可以网上查查基本知识。 8. 电机 电机使用的是 6*14mm 的空心杯有刷直流电机。这个型号的小电机也容易买到，价格也很便宜。

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