四轴飞行器：让PCB板飞！ | 科学人 | 果壳网 科技有意思
四轴飞行器：让PCB板飞！
四轴飞行器怎么做？ 自己做一个疯狂直升机
本文作者:叶子疏
我们在制作一个非常袖珍的四轴飞行器，就用PCB作为承力结构。第一个版本被命名为疯狂直升机。
它的主要特点有：
STM32 Cortex-M3 CPU
3轴加速度计
1轴/2轴陀螺仪
Nordic 2.4GHz 射频通信芯片
电动机，螺旋桨和银辉（Silverlit）X翼模型飞机的电池
这架直升机可以从电脑上通过USB无线适配器遥控。我们制作了三架样品（每个成员各一架），并完成了大多数的固件程序。
为了达到稳定飞行的目的，还需要解决一些控制上的问题，以及完成电脑上的控制程序模块。
更多的信息和实际飞行视频会在稍后公布:)
第一个飞行视频
这是直升机的第一段飞行影像。
控制系统工作的很棒，但是它仍然过于依赖操纵者的敏捷（见视频的结尾部分）。
这架直升机是通过PC机上运行的Python程序控制的，我们实际上用一个游戏机的蓝牙手柄来操纵它。
疯狂直升机四轴飞行器详述
像承诺过的那样，我们要在这里公布疯狂直升机（也是我们第一架四轴飞行器）的更多信息。
该系统的主要架构如下：
疯狂直升机的高层次系统图。
直升机本身是围绕CPU组织起来的。CPU的任务是读取物理传感器（陀螺仪和加速度计）的测量结果，给出控制信号控制电机，让直升机保持稳定。通过一个控制反馈回路，CPU每秒能够对电机发送250次调节转速的指令。无线通信的带宽需求很低，仅仅需要发送操作命令和接受遥测数据。CPU上运行的程序可以通过无线通信更新。
控制和遥测程序在电脑上运行，控制程序从手柄读取输入，然后向直升机发送命令。我们也有调节直升机上控制参数的程序模块，并且会记录下传感器的测量结果，方便调整控制回路。
所有这些开发工作在Windows或linux系统上完成。事实上有三个人同时在这个项目上工作，两个人在Linux上工作，剩下一个人主要使用Windows。利用自由/开源软件（FLOSS，Free/Libre and Open Source Software）许可对提高工作效率非常有帮助。我们主要使用GCC编译器编译直升机程序，GNU（ GNU's Not Unix，一个包含了递归的缩写！GNU Linux工程是为与可复制﹑修改﹑和重新分配的源代码一起的类Unix操作系统的发展而建立的。）建立我们的工程，Mercurial（一个轻量级的分布式版本控制系统）管理我们的源代码，与直升机之间的通讯采用python/pyusb（一个python上的USB通讯软件库）。所有这些软件都能在linux和windows系统间来回无缝切换，使这个项目的管理变得容易许多。
电动机之间的距离（X轴和Y轴方向）大约有8cm，整个飞行器的重量只有20g。
电路板顶面的细节
疯狂直升机电路板顶面细节
电路板顶面包含了传感器和控制/通讯电路。
JTAG/串行接口用来向处理器编程，传送debug信息。
CPU是STM32 Cortex - M3。时钟设定为内部振荡器64MHz。
2轴X-Y陀螺仪InvenSense IDG500。它的模拟信号输出连接到CPU的模数转换器。
Z轴陀螺仪InvenSense ISZ500。和X-Y陀螺一样，模拟信号输出连接到CPU的模数转换器。
2.4GHz的射频通信基于Nordic的nRF24L01 芯片。它实际上是一个通过SparkFun出售的带接口电路板，通过SPI端口连接到CPU。
3轴加速度计是Bosch SMB380。它通过I?C总线连接到CPU。
电路板底面的细节
疯狂直升机电路板底面细节
这里没有什么特别之处，除了一小块电池通过胶带粘在电路板底面。这些电池来自一架Silverlit x-twin模型飞机，允许我们的直升机飞行4.5分钟。
电池下方的电路细节
在电池下方是供电电路和功率控制电路。
充电插座连接外界的5V电源，给电池充电
电源开关切换直升机的电源供应（连接器/充电电池）
5V升压电路将3?4V的电池电压升压到5V。
两个3.3V线性稳压器，从5V电压降压输出3.3V电压。数字和模拟3.3V供电电压相互独立。这是为了减少对模拟器件的噪声干扰（两个陀螺仪，设计中很重要的一部分）。
最后，在四个侧边正中有电动机的驱动晶体管。电能从PCB梁的顶部和底部布线传送，为电动机提供能量。
值得一提的是，我们在3.3V稳压器右边放置了电池充电芯片，这是一片常用的MAX1555，它工作的很好。
使用升压电路的目的在于在电池的基础上提供更加稳定的供电，在电池即将耗尽，电压开始下降时它特别有效，同时还能够减小电机驱动电路带来的噪声。但是说到底这些芯片使用2.8V线性稳压器供电就能工作，因此我们计划在下一个版本中取消升压电路，同时还打算把无线通讯模块也集成到电路板上。
电动机和螺旋桨都来自Silverlit x-twin模型飞机，它们直接由电池电压供电。
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这个，没有PCB Layout，没有Src你叫各果壳r干瞪眼流口水啊.
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全部评论(121)
计算机科学爱好者
貌似是一个高科技含量的飞行器！膜拜…
这个，没有PCB Layout，没有Src你叫各果壳r干瞪眼流口水啊.
好吧，能注明哪里能采购到上述的材料不。。。
这不是那《三个白痴》里面的飞行器么。。。。挺酷的
这个难度还是比较大的
0.0 能开源吗？
这不就是前些日子国外黑客运用PS3上面的组件，开发出来的小型飞行器吗？？
这不是三傻大闹宝来坞自杀那娃的作品？
嗯~~~偷窥利器！！
擦~这货不得了！！！！
果壳微科幻编辑，科幻作者
飞行爱好者，航模控
这个飞起来主要靠陀螺，太稳定，木有操纵杆，不喜不喜
果壳DIY站翻译
我也想到了引用walkinshadow的回应：这不是那《三个白痴》里面的飞行器么。。。。挺酷的
的确有点像《三傻大闹宝莱坞》里面的飞行器，但是电影里面的更大装了摄像头、还能遥控。。。。
LZ能提PCB的图纸还有代码框架伐？没事我们也可以做做
说实话，这个真的不太好做，有点难度啊~不过创意不错哦！
nRF24L01工作电压确是是要升到5v的，很不方便，nRF24L01用纽扣电池独立出来也能解决。另外你们用的是-82的dBm？无线通讯模块里要是只用1Mbps的话可以换别的牌子试试，除了NORDIC外TI、MIC、CHIPCON里低压的也有，就看你们对功耗、发射功率、接收灵敏度的要求了，你们要想集成在一起，难度就大的多了。
很有创意，能否分享
是个有趣的项目。平衡性十分重要，当然也是难点。电机耗电严重，所以时间仅有4.5分钟。
准备做一下试试。
太不错了！真想做一个
哪里有这些配件卖？
天文爱好者
太贵啦！！！！！但是四轴搞航拍很好
蛮像3 idiots里的那个飞行器的~
引用openmist的回应：这个，没有PCB Layout，没有Src你叫各果壳r干瞪眼流口水啊.各种求
三傻大脑宝莱坞
DIYER，摄影师，电容技术顾问
PCB可以画，问题是程序啊浑淡···
就是一个四轴飞行器啊，自己做了个2000元的大号的，不难买专门的飞控就行
求姿态控制代码。。。
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(C)2015果壳网&京ICP备号-2&京公网安备看官请点击右上角蓝色字体订阅关注，小编这厢有礼了！一、 查板方法: 1．观察法：有无烧糊、烧断、起泡、板面断线、插口锈蚀。 2．表测法：＋5V、GND电阻是否是太小（在50欧姆以下）。 3．通电检查：对明确已坏板，可略调高电压0．5－1V，开机后用手搓板上的IC，让有问题的芯片发热，从而感知出来。 4．逻辑笔检查：对重点怀疑的IC输入、输出、控制极各端检查信号有无、强弱。 5．辨别各大工作区：大部分板都有区域上的明确分工，如：控制区（CPU）、时钟区（晶振）（分频）、背景画面区、动作区（人物、飞机）、声音产生合成区等。这对电脑板的深入维修十分重要。 二、排错方法： 1．将怀疑的芯片，根据手册的指示，首先检查输入、输出端是否有信号（波型），如有入无出，再查IC的控制信号（时钟）等的有无，如有则此IC坏的可能*极大，无控制信号，追查到它的前一极，直到找到损坏的IC为止。 2．找到的暂时不要从极上取下可选用同一型号。或程序内容相同的IC背在上面，开机观察是否好转，以确认该IC是否损坏。 3．用切线、借跳线法寻找短路线：发现有的信线和地线、＋5V或其它多个IC不应相连的脚短路，可切断该线再测量，判断是IC问题还是板面走线问题，或从其它IC上借用信号焊接到波型不对的IC上看现象画面是否变好，判断该IC的好坏。 4．对照法：找一块相同内容的好电脑板对照测量相应IC的引脚波型和其数来确认的IC是否损坏。 5．用微机万用编程器（ALL－03／07）（EXPRO－80／100等）中的ICTEST软件测试IC。 三、芯片拆卸方法： 1．剪脚法：不伤板，不能再生利用。 2．拖锡法：在IC脚两边上焊满锡，利用高温烙铁来回拖动，同时起出IC（易伤板，但可保全测试IC）。 3．烧烤法：在酒精灯、煤气灶、电炉上烧烤，等板上锡溶化后起出IC（不易掌握）。 4．锡锅法：在电炉上作专用锡锅，待锡溶化后，将板上要卸的IC浸入锡锅内，即可起出IC又不伤板，但设备不易制作。 5．电热风枪：用专用电热风枪卸片，吹要卸的IC引脚部分，即可将化锡后的IC起出（注意吹板时要晃动风枪否则也会将电脑板吹起泡，但风枪成本高，一般约2000元左右） 作为专业硬件维修，板卡维修是非常重要的项目之一。拿过来一块有故障的主板，如何判断具体哪个元器件出问题呢？引起主板故障的主要原因 1．人为故障：带电插拨I/O卡，以及在装板卡及插头时用力不当造成对接口、芯片等的损害 2．环境不良：静电常造成主板上芯片（特别是CMOS芯片）被击穿。另外，主板遇到电源损坏或电网电压瞬间产生的尖峰脉冲时，往往会损坏系统板供电插头附近的芯片。如果主板上布满了灰尘，也会造成信号短路等。 3．器件质量问题：由于芯片和其它器件质量不良导致的损坏。 清洗 首先要提醒注意的是，灰尘是主板最大的敌人之一。最好注意防尘，可用毛刷轻轻刷去主板上的灰尘，另外，主板上一些插卡、芯片采用插脚形式，常会因为引脚氧化而接触不良。可用橡皮擦去表面氧化层，重新插接。当然我们可以用三氯乙烷--挥发*能好，是清洗主板的液体之一。还有就是在突然掉电时，要马上关上计算机，以免又突然来电把主板和电源烧毁。流程。 BIOS 由于BIOS设置不当，如果超频……可以跳线清处，摘重新设置。如果BIOS损坏，如病毒侵入……，可以重写BIOS。因为BIOS是无法通过仪器测的，它是以软件形式存在的，为了排除一切可能导致主板出现问题的原因，最好把主板BIOS刷一下。 拔插交换 主机系统产生故障的原因很多，例如主板自身故障或I/O总线上的各种插卡故障均可导致系统运行不正常。采用拔插维修法是确定故障在主板或I/O设备的简捷方法。该方法就是关机将插件板逐块拔出，每拔出一块板就开机观察机器运行状态，一旦拔出某块后主板运行正常，那么故障原因就是该插件板故障或相应I/O总线插槽及负载电路故障。若拔出所有插件板后系统启动仍不正常，则故障很可能就在主板上。采用交换法实质上就是将同型号插件板，总线方式一致、功能相同的插件板或同型号芯片相互芯片相互交换，根据故障现象的变化情况判断故障所在。此法多用于易拔插的维修环境，例如内存自检出错，可交换相同的内存芯片或内存条来确定故障原因。 观看 拿到一块有故障主板先用眼睛扫一下，看看没有没烧坏的痕迹，外观有没损坏，看各插头、插座是否歪斜，电阻、电容引脚是否相碰，表面是否烧焦，芯片表面是否开裂，主板上的铜箔是否烧断。还要查看是否有异物掉进主板的元器件之间。遇到有疑问的地方，可以借助万能表量一下。触摸一些芯片的表面，如果异常发烫，可换一块芯片试试。（1）．如果连线断，我们可以用刀把断线处的漆刮干净，在露出的导线处涂上蜡，再用针顺着走线把蜡划去，接下来就是在上面滴上硝酸银溶液。接着就要用万能表来确认是否把断点连接好。就这样一个一个的，把断点接好就可以了。注意要一个一个的连，切不要心急，象主板上有的地方的走线间的距离很小，弄不好就会短路了。（2）．如果是电解电容，可以找匹配的换掉。万能表、示波器工具 用示万能表、波器测主板各元器件供电的情况。一个是检测主板是否对这部分供电，再有就是供电的电压是否正常。电阻、电压测量： 电源故障包括主板上＋12V、＋5V及＋3.3V电源和Power Good信号故障；总线故障包括总线本身故障和总线控制权产生的故障；元件故障则包括电阻、电容、集成电路芯片及其它元部件的故障。 为防止出现意外，在加电之前应测量一下主板上电源＋5V与地（GND）之间的电阻值。最简捷的方法是测芯片的电源引脚与地之间的电阻。未插入电源插头时，该电阻一般应为300Ω，最低也不应低于100Ω。再测一下反向电阻值，略有差异，但不能相差过大。若正反向阻值很小或接近导通，就说明有短路发生，应检查短的原因。产生这类现象的原因有以下几种： （1）系统板上有被击穿的芯片。一般说此类故障较难排除。例如TTL芯片（LS系列）的＋5V连在一起，可吸去＋5V引脚上的焊锡，使其悬浮，逐个测量，从而找出故障片子。如果采用割线的方法，势必会影响主板的寿命。 （2）板子上有损坏的电阻电容。 （3）板子上存有导电杂物。 当排除短路故障后，插上所有的I/O卡，测量＋5V，＋12V与地是否短路。特别是＋12V与周围信号是否相碰。当手头上有一块好的同样型号的主板时，也可以用测量电阻值的方法测板上的疑点，通过对比，可以较快地发现芯片故障所在。 当上述步骤均未见效时，可以将电源插上加电测量。一般测电源的＋5V和＋12V。当发现某一电压值偏离标准太远时，可以通过分隔法或割断某些引线或拔下某些芯片再测电压。当割断某条引线或拔下某块芯片时，若电压变为正常，则这条引线引出的元器件或拔下来的芯片就是故障所在。 程序、诊断卡诊断 通过随机诊断程序、专用维修诊断卡及根据各种技术参数（如接口地址），自编专用诊断程序来辅助硬件维修可达到事半功倍之效。程序测试法的原理就是用软件发送数据、命令，通过读线路状态及某个芯片（如寄存器）状态来识别故障部位。此法往往用于检查各种接口电路故障及具有地址参数的各种电路。但此法应用的前提是CPU及基总线运行正常，能够运行有关诊断软件，能够运行安装于I/O总线插槽上的诊断卡等。编写的诊断程序要严格、全面有针对*，能够让某些关键部位出现有规律的信号，能够对偶发故障进行反复测试及能显示记录出错情况。 IC集成电路的好坏判别方法 一、不在路检测 这种方法是在ic未焊入电路时进行的，一般情况下可用万用表测量各引脚对应于接地引脚之间的正、反向电阻值，并和完好的ic进行较 二、在路检测 这是一种通过万用表检测ic各引脚在路（ic在电路中）直流电阻、对地交直流电压以及总工作电流的检测方法。这种方法克服了代换试验法需要有可代换ic的局限*和拆卸ic的麻烦，是检测ic最常用和实用的方法。2．直流工作电压测量 这是一种在通电情况下，用万用表直流电压挡对直流供电电压、外围元件的工作电压进行测量；检测ic各引脚对地直流电压值，并与正常值相较，进而压缩故障范围， 出损坏的元件。测量时要注意以下八 ： (1)万用表要有足够大的内阻， 少要大于被测电路电阻的10倍以上，以免造成较大的测量误差。 (2)通常把各电位器旋到中间位置，如果是电视机，信号源要采用标准彩条信号发生器。 (3)表笔或探头要采取防滑措施。因任何瞬间短路都容易损坏ic。可采取如下方法防止表笔滑动：取一段自行车用气门芯套在表笔尖上，并长出表笔尖约0．5mm左右，这既能使表笔尖良好地与被测试点接触，又能有效防止打滑，即使碰上邻近点也不会短路。 (4)当测得某一引脚电压与正常值不符时，应根据该引脚电压对ic正常工作有无重要影响以及其他引脚电压的相应变化进行分析，能判断ic的好坏。 (5)ic引脚电压会受外围元器件影响。当外围元器件发生漏电、短路、开路或变值时，或外围电路连接的是一个阻值可变的电位器，则电位器滑动臂所处的位置不同，都会使引脚电压发生变化。 (6)若ic各引脚电压正常，则一般认为ic正常；若ic部分引脚电压异常，则应从偏离正常值最大处入手，检查外围元件有无故障，若无故障，则ic很可能损坏。 (7)对于动态接收装置，如电视机，在有无信号时，ic各引脚电压是不同的。如发现引脚电压不该变化的反而变化大，该随信号大小和可调元件不同位置而变化的反而不变化，就可确定ic损坏。 (8)对于多种工作方式的装置，如录像机，在不同工作方式下，ic各引脚电压也是不同的。 还要补充二 的是：3．交流工作电压测量法 为了掌握ic交流信号的变化情况，可以用带有db插孔的万用表对ic的交流工作电压进行近似测量。检测时万用表置于交流电压挡，正表笔插入db插孔；对于无db插孔的万用表，需要在正表笔串接一只0．1～0．5μf隔直电容。该法适用于工作频率 较低的ic，如电视机的视频放大级、场扫描电路等。由于这些电路的固有频率不同，波形不同，所以所测的数据是近似值，只能供参考。4．总电流测量法 该法是通过检测ic电源进线的总电流，来判 ic好坏的一种方法。由于ic内部绝大多数为直接耦合，ic损坏时（如某一个pn结击穿或开路）会引起后级饱和与截止，使总电流发生变化。所以通过测量总电流的方法可以判 ic的好坏。也可用测量电源通路中电阻的电压降，用欧姆定律计算出总电流值。苏州恩勒科技专业触摸屏维修，变频器维修，伺服器驱动器维修，plc， 直流调速器维修 电气各种工业电源，板卡，马达维修，数控系统维修
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