拆解：大疆Spark无人机

shuszhao

无人机既有趣又有用，如果纯粹从工程学角度来看，它是功耗、处理性能、重量、尺寸和成本完美平衡的代表。与大多数电子系统相比，无人机在每平方毫米的空间中封装了更多的传感器、执行器和RF通信部分，这让我们想去拆开它，看看它是如何做到的。因此，我们选用了大疆Spark无人机，来一探究竟。
这是一次完全破坏性的拆解，可能要费些功夫才能认出那些七零八落的零件。如果你想尝试自己设计无人机，笔者在此推荐一种非常便宜的迷你无人机开发套件，STEVAL-DRONE01，它非常适合设计无人机，能满足你设计无人机的欲望并进行测试。


为什么选择大疆无人机？

最初的计划其实是拆解UVify OORi无人机，但它是由几个无人机玩家为了参加无人机比赛而设计的，其设计的速度很快，可以说非常快。尽管UVify OORi售价仅295美元，相当便宜，但对我这样的新手来说，太难控制了，而且它只有两分钟的电池续航时间，这太短了，非常考验耐心。它可以快速从A点到达B点，但只有高手能操控。否则的话，它在飞行中就会发生多次撞击，直至撞地。
还有一个原因，就是UVify OORi没有什么有趣的功能，例如物体检测与避开、返航、语音控制和追踪功能。而售价约450美元的大疆Spark拥有所有关键功能，而且是由无人机之王大疆出品。无论对玩家还是小白，它都更有趣。
这里要拆解的是大疆Fly More Combo无人机全能套装，其中包含两个额外的电池、桨叶保护罩、额外的螺旋桨、一个便携式手提包，当然还有无人机和遥控器（图1）。与许多设计一样，遥控器上有主控按钮和操纵杆，同时可以充当智能手机的支架；智能手机既可用作显示屏，还可运行大疆无人机主控制应用程序。

                               
登录/注册后可看大图

图1：Fly More Combo套装中大疆Spark无人机的三个图以及其他配件：充电座、桨叶保护罩、额外的螺旋桨，以及遥控器（图右下角两个额外电池的下方）。多花点钱买额外的电池是值得的。

Spark自从首次亮相就成为有史以来最受期待的无人机之一，这不无原因。打开包装，就有一种“上档次”的感觉，小巧、紧凑、坚固而优雅。这是一款做工精细的产品。它的信号有效距离为2000米，重0.66磅（不含电池），尺寸为5.6×5.6×2.2英寸。其电池容量1480mAh，电压11.4V，保证了无人机15分钟的悬停时间，最大速度为31mph。
这款无人机具有多种智能飞行模式，让玩家极为满足，当然对新手来说就不必要了。它采用红外传感器在两个方向避开障碍物，使用12兆像素CMOS摄像头在总共五个方向避障。摄像头可以输出分辨率为1920×1080@30fps的视频；无人机使用一个2轴万向节保持稳定，避免俯仰和翻滚。如果再加上第3轴来避免偏航/旋转，就更好了。
这款无人机工作在2.45和5GHz频段，具有GPS/GLONASS功能。其他主要功能在大疆官网上都能查到。毫不夸张地说，它能带给人愉悦，而且它制作如此精良，拆掉不免令人愧疚，然而，这就是我的工作。


大疆Spark无人机内部探秘

Spark无人机整体结构牢固，得费些功夫才能打开外壳看到内部。首先需要卸下固定顶盖的螺丝，暴露机腹（图2和图3）。

                               
登录/注册后可看大图

图2：大疆Spark无人机顶部视图和底部视图。

                               
登录/注册后可看大图

图3：取下顶盖后，露出主散热系统。

取下顶盖后，即可看到主散热系统，它采用水平风扇将空气向下推进散热片的导流槽中。散热管理系统位于EMI屏蔽罩上面，主电路则位于屏蔽罩下方。GPS主模块是可更换的，价格在30至50美元之间。
从尾部视图中可以看到micro USB接口和存储卡插槽，以及四个直流无刷电机（BLDC）中的两个，其下是LED灯透镜（图4）。这些LED灯很“漂亮”，更重要的是，当无人机飞到高空时，人们很容易看到它，特别是在黄昏后或黑暗中，这是合规性的一个重要因素。

                               
登录/注册后可看大图

图4：尾部视图显示了Micro USB接口和存储卡插槽，以及四个电机中的两个，其下是LED灯透镜。

接下来要拆下散热管理系统和EMI屏蔽罩，露出主板的正面（图5）。

                               
登录/注册后可看大图

图5：拆下EMI屏蔽罩后，可以看见主板上几乎每颗芯片都涂了导热膏。

去除导热膏后，可以更清楚地看到驱动Spark的庞大主控中心（图6）。主板上的元器件真的很紧凑！

                               
登录/注册后可看大图

图6：去除了大部分导热膏的主板正面近距离视图。

很难知道从哪里下手来了解Spark的处理能力，所以我们从电机控制部分开始（图6左侧），首先就是意法半导体的STM32F303 MCU（图7）。

                               
登录/注册后可看大图

图7：Spark主板上有一颗意法半导体的STM32F303、一颗英特尔的Movidius MA2155 VPU、一颗联芯的LC1860C SoC和一颗Atheros/高通的AR1021X双频Wi-Fi SoC。

STM32F303是一颗混合信号处理器，完成大部分电机控制功能。它基于72MHz主频的Arm Cortex-M4微控制器，并配有浮点运算单元（FPU）和DSP指令集。此外，STM32F303还包含7个快速和超快速比较器（25ns）、4个具有可编程增益的运算放大器、2个DAC、4个超快速12位ADC，以及电机控制计时器。
这里要强调的是，低延迟保证了快速响应，从而实现精确控制和避障。它采用磁芯耦合存储器SRAM（又称例程加速器），这种存储器架构可加速时间关键型例程的执行，据意法半导体称，它比闪存的执行速度还要快43％。
电机驱动部分的另一半包括2个MPS的MP6536三通道半桥驱动器芯片，用于驱动3个三相BLDC。
右下方是一颗Atmel/Microchip公司的ATSAME70Q21，它是基于Arm Cortex-M7的MCU，工作频率高达300 MHz；以及一颗联芯科技的 LC1860C，它是基于Arm的四核片上系统（SoC），工作频率为1.45GHz。这些处理器均由美光科技的71A98JWB30低功耗DRAM（LPDRAM）支持。
ATSAME70Q21包含16 KB的指令缓存、6 KB带误码校正（ECC）的数据缓存、单精度和双精度硬件FPU以及一个16区存储器保护单元。LC1860C则基于28 nm工艺，集成了四核Cortex A7处理器，它配有双核MaliT628图像处理器，处理能力达到1 Gpix/s。这是主图像处理器。
图7的底部是Atheros/高通的AR1021X双频2.45/5.8GHz Wi-Fi SoC。它用于2×2MIMO，有自己的内部功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）。左上方是一颗联芯科技的LC1160电源管理芯片（PMIC），其上是一颗带1 Gb DDR内存并具有安全启动功能的英特尔Movidius MA2155视觉处理单元（VPU）。
大疆对待无人机设计的态度有多认真，从他们采用联芯科技1.45GHz SoC和英特尔Movidius神经网络处理器就说明了一切。联芯科技位于中国，专门开发智能手机SoC（功能、功率、尺寸取得平衡的平台）；英特尔则收购了Movidius，从而获得先进的基于神经网络的图像分类功能，这也一直是自动驾驶汽车极为需要的。在Spark无人机中，它用于绘制环境地图。
主板的背面有一些无源和分立元件，还有USB OTG端口和SD存储卡插槽（如图8）。

                               
登录/注册后可看大图

图8：主板的背面主要有无源和分立元件，以及USB OTG端口和存储卡插槽。

其下的辅助板上有GPS/GLONASS芯片（图9）。Spark导航系统的核心为u-blox M8030-KT GNSS芯片（专业级版本）。该芯片可以同时接收3个GNSS信号（GPS、Galileo，以及GLONASS或北斗两个中的任一个），灵敏度为-167dBm。

                               
登录/注册后可看大图

图9：Spark的导航核心为u-blox M8030-KT GNSS芯片。

相机云台和距离传感器

相机模块以45°俯角固定在外壳的下面。它使用一个2轴万向节，通过一条连接到外壳的松紧带转动（图10），这是由旋臂中的驱动装置进行控制的。

                               
登录/注册后可看大图

图10：相机模块（顶部）通过一条松紧带固定在外壳上，并由旋臂中的驱动装置来控制。

基于LED反射信号的3D距离传感器在无人机的前部（图11）。主配电中心（连接至电机）在中间，Wi-Fi天线在后部。

                               
登录/注册后可看大图

图11：取下pcb板，可以看到下面的主配电布局线束和Wi-Fi天线。图中上部为无人机的前端，包含一个基于LED反射光的前向3D测距系统（如左侧小图所示）。

传感器的测距范围为16英尺，能够检测反射率>20％且面积大于20×20cm2的漫反射表面，因此可以轻松检测并避开墙面、人和树木。
将机身前端朝下，可以看到外壳里面的声纳和红外测距组合，它们用于高度检测（图12）。

                               
登录/注册后可看大图

图12：外壳里面的红外和声纳组合持续追踪无人机与地面的距离。

总之，大疆Spark无人机是一个制作精良的系统，但也有一些小瑕疵。例如，用于Wi-Fi连接的QDR代码不起作用，固件更新也会导致无人机锁定。不过，其App在Pixel 2 Android手机上运行良好。


试试自己设计无人机

如果想自己设计无人机，意法半导体的STEVAL-DRONE01开发套件是一个很好的选择。它包含高性能STEVAL-FCU001V1飞行控制器单元（FCU），以及组装微型无人机所需的电机、螺旋桨、塑料框架和电池。
飞行控制器单元运行固件（STSW-FCU001）来控制每个互连电机的速度并稳定机身，这就需要板子上的STM32F4微控制器分析来自加速度计和陀螺仪传感器的数据，以提供高度准确的稳定性和控制能力。FCU板包含一个蓝牙低功耗SPBTLE-RF模块，在智能手机上运行一个专用App，这个手机就可以充当遥控器了。