Crazyflie微型四轴 深入解读

leixiaofeng

一 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。
二 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
三 电源管理解读


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 接上普通订单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）。
四 微控制器（MCU）
用的现在比较常用的STM32F103CB，运行72MH的全速状态，它具128KFlas和20K的RAM。
五 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。。。
六 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
七 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。
八 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