疯狂飞行器Crazyflie电路原理深入解读【附详细原理图】

本帖最后由 Arvinhw 于 2015-4-13 16:38 编辑

Crazyfli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：
条目              额定值
过充电检测电压    4.20±0.025V
过充电解除电压    4.10±0.050V
过充电检测延时    0.92~1.38S
过放电检测电压    2.80±0.050V
过放电解除电压    2.90±0.100V
过放电检测延时    115~173 ms
过放电电流        4～9A
过放电电流延时    7.2～11ms
短路检测延时      220~380us
短路解除条件      断开负载
损耗电流          Max 0.7uA
建议最大连续充/放电电流 3A
建议使用温度      -20 - +60 deg C
内阻              <60mOhm

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。
接口     名字                描述
1        VCC                 数字电源
2        TMS                 测试模式使能
3        EXT_I2C_SCL/TX      I2C_SCL 或 UART TX
4        TCK                 测试时钟
5        EXT_I2C_SDA/RX      I2C_SDA 或 UART RX
6        TDO                 测试数据输出
7        N/A                 未使用
8        TDI                 测试数据输入
9        DGND                数字地
10       SNRST               系统复位
11       EXT_SPI_CS/AIN4     SPI 片选或 4 管脚模拟输入
12       EXT_SPI_MOSI/AIN5   SPI 片上主机输出从机输入或 5 管脚模拟输入
13       EXT_SPI_SCK/AIN6    SPI 时钟或 6 管脚模拟输入
14       EXT_SPI_MISO/AIN7   SPI 片上主机输入从机输出或 7 管脚模拟输入
15       VCC                 数字电源
16       VCOM                电池/USB 电源
17       DGND                数字地
18       DGND                数字地
19       AGND                模拟地
20       VCCA                模拟电源

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。
电气规格
参数              值
额定电压          4.2 V Max
适用电压          3.7 V
空载转速          45000 ±15% RPM
空载电流          80 mA Max
启动电压          0.8 V Max
额定负载转速    21000 ±15% RPM
额定负载电流    810 mA Max
电阻                2.3 ±20% Ω
机械规格
参数               值
轴径               0.8 mm
电机直径         6 ± 0.05 mm
电机长度         14 mm
质量               1.7 g
内容来自amobbs

下面附上个人制作的Crazyfile的原理图，还有CAD图纸，有兴趣的回复支持一下吧

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CAD.zip (906.42 KB, 下载次数: 649 )