拆解:大疆Spark無人機

作者: Patrick Mannion,EDN特約技術編輯

無人機(Drone)既有趣又有用,如果純粹從工程學角度來看,它是功耗、處理性能、重量、尺寸和成本完美平衡的最佳代表。與大多數電子系統相比,無人機在每平方毫米的空間中封裝了更多的感測器、致動器和RF通訊元件,這讓人們想去拆開它,看看它是如何做到的。因此,本文選用了大疆Spark無人機,來一探究竟。

無人機(Drone)既有趣又有用,如果純粹從工程學角度來看,它是功耗、處理性能、重量、尺寸和成本完美平衡的最佳代表。與大多數電子系統相比,無人機在每平方毫米的空間中封裝了更多的感測器、致動器和RF通訊元件,這讓人們想去拆開它,看看它是如何做到的。因此,本文選用了大疆Spark無人機,來一探究竟。

這是一次完全破壞性的拆解,可能要費些功夫才能認出那些七零八落的零件。如果你想嘗試自己設計無人機,筆者在此推薦一種非常便宜的迷你無人機開發套件STEVAL-DRONE01,它非常適合設計無人機,能滿足你設計無人機的欲望,讓你進行試驗。

為什麼選擇大疆無人機?

最初的計畫其實是拆解UVify OORi無人機,但它是由幾個無人機玩家為了參加無人機比賽而設計,這台無人機設計的速度很快,可以說非常快。儘管UVify OORi售價僅295美元,相當便宜,但對於我這樣的新手來說,太難控制了,而且它只有兩分鐘的電池續航時間,太短了,非常考驗耐心。它可以快速從A點到達B點,但只有高手能操控。否則的話,它在飛行中就會發生多次撞擊,包括撞地。

還有一個原因,就是UVify OORi沒有什麼有趣的功能,例如物體檢測與避開、返航、語音控制和追蹤功能。而售價約450美元的大疆Spark擁有所有關鍵功能,而且是由無人機之王大疆出品。無論對玩家還是新手,它都有趣多了。

這裡要拆解的是大疆Fly More Combo無人機全能套裝,其中包含兩個額外的電池、槳葉保護罩、額外的螺旋槳、一個可攜式手提包,當然還有無人機和遙控器。與許多設計一樣,遙控器上有主控按鈕和操縱桿,同時可以充當智慧型手機的支架;智慧型手機既可用作顯示器,還可執行大疆無人機主控制應用程式。

圖1 Fly More Combo套裝中大疆Spark無人機,以及其他配件:充電座、槳葉保護罩、額外的螺旋槳,以及遙控器(圖中右下角兩個額外電池的下方),多花點錢買額外的電池是值得的。

Spark自從首次亮相就成為有史以來最受期待的無人機之一,這是有充分理由的。打開包裝,就有一種「上檔次」(編註:高檔、高階的意思)的感覺,小巧、緊湊、堅固而優雅。這是一款做工精細的產品,它的訊號有效距離為2,000公尺,重0.66磅(不含電池),尺寸為5.6×5.6×2.2英吋。其電池容量1,480mAh、電壓11.4V,保證了無人機15分鐘的懸停時間,最大速度為31mph。

這款無人機具有多種智慧飛行模式,讓玩家極為滿足,當然對新手來說就不必要了。它採用紅外線感測器在兩個方向避開障礙物,使用12兆畫素CMOS攝影機在總共五個方向避障。攝影機可以輸出解析度為1,920×1,080 @ 30fps的視訊;無人機使用一個2軸萬向節(gimbal,又稱平衡環)保持穩定,避免俯仰和翻滾。如果再加上第三軸來避免偏航/旋轉,就更好了。

這款無人機工作在2.45GHz和5GHz頻段,具有GPS/GLONASS功能,其他主要功能在大疆官網上都能查到。毫不誇張地說,它能帶給人愉悅,而且它製作如此精良,拆掉不免令人愧疚,然而,這就是我的工作。

大疆Spark無人機內部探秘

Spark無人機整體結構牢固,得費些功夫才能打開外殼看到內部。首先需要轉下固定頂蓋的螺絲,暴露機腹(圖2和圖3)。

圖2 大疆Spark無人機的正面和背面。

圖3 取下頂蓋後,露出主散熱系統。

取下頂蓋後,即可看到主散熱系統,它採用水平風扇將空氣向下推進散熱片的導流槽中。熱管理系統位於EMI遮罩上面,主要電路及元件則位於遮罩下方。GPS主模組是可更換的,價格在30~50美元之間。

從底部圖中可以看到micro USB介面和記憶卡插槽,以及四個無刷直流馬達(BLDC)中的兩個,其下是LED透鏡(圖4)。這些LED燈很「漂亮」,更重要的是,使人們容易看到高空中的無人機,特別是在黃昏或黑暗,這是合規性的一個重要因素。

圖4 底部圖顯示了micro USB介面和儲存卡插槽,以及四個馬達中的兩個,其下是LED透鏡。

接下來要拆下熱管理系統和電磁遮罩,露出主機板的正面(圖5)。

圖5 拆下EMI遮罩後,可以看見主機板上幾乎每顆晶片上都塗了導熱膏。

去除導熱膏後,可以更清楚地看到驅動Spark的龐大主控中心(圖6),主機板上的元件真的很緊湊!

圖6 去除了大部分導熱膏的主機板正面近距離照片。

很難決定從哪裡下手來瞭解Spark的處理動力,所以從馬達控制部分開始(圖6左側),首先就是意法半導體的STM32F303 MCU(圖7)。

圖7 Spark主機板上有一顆意法半導體的MCU、一顆英特爾的Movidius MA2155 VPU、一顆聯芯的LC1860C SoC和一顆Atheros/高通的AR1021X雙頻Wi-Fi SoC。

STM32F303是一顆混合訊號處理器,完成大部分馬達控制功能。它基於72MHz主頻的Arm Cortex-M4 MCU,並內建浮點運算單元(FPU)和DSP指令集。此外,STM32F303還包含多達7個快速和超快速比較器(25ns)、多達4個具有可程式設計增益的運算放大器、多達2個DAC、多達4個超快速12位ADC,以及馬達控制計時器。

這裡要強調的是,低延遲保證了快速回應,從而實現精確控制和避障。它採用磁芯耦合記憶體(Core Coupled Memory)SRAM(又稱程式加速器),這種記憶體架構可加速對時間要求較高的程式執行,據意法半導體稱,它比快閃記憶體的執行速度還要快43%。

馬達驅動部分的另一半包括2個MPS的MP6536三通道半橋驅動器晶片,用於驅動3個三相BLDC。

右下方是一顆Atmel/Microchip的ATSAME70Q21,它是基於Arm Cortex-M7的MCU,工作頻率高達300MHz,以及一顆聯芯科技的LC1860C,它是基於Arm的四核心SoC,工作頻率為1.45GHz。這些處理器均由美光科技(Micron)的71A98 JWB30低功耗DRAM(LPDRAM)支持。

ATSAME70Q21包含16KB的ICache、具錯誤更正碼(ECC)的6KB DCache、單精確度和雙精度硬體FPU,以及一個16區記憶體保護單元。LC1860C則基於28nm製程,整合了四核心Cortex-A7處理器,它配有雙核心Mali-T268影像處理器,處理能力達到1Gpixels/s,這是主影像處理器。

圖7的底部是Atheros/高通的AR1021X雙頻2.45GHz/5.8GHz Wi-Fi SoC。它用於2×2 MIMO,有自己的內部功率放大器(PA)和低雜訊放大器(LNA)。左上方是一顆聯芯科技的LC1160電源管理晶片(PMIC),其上是一顆具有1Gbit DDR記憶體並具有安全啟動功能的英特爾Movidius MA2155 VPU。

大疆對待無人機設計的態度有多認真,由採用聯芯科技1.45GHz SoC和英特爾Movidius神經網路處理器就可說明一切。聯芯科技來自中國,專門開發智慧型手機SoC(功能、功率、尺寸取得平衡的最終平台);而英特爾則收購了Movidius,從而獲得其先進的基於神經網路的影像分類功能,這也一直是自動駕駛車中極為需要的。在Spark無人機中,它用於測繪環境。

主機板的背面有一些被動和離散元件,還有USB OTG埠和SD記憶卡插槽(圖8)。

圖8 主機板的背面主要有被動和離散元件,以及USB OTG埠和記憶卡插槽。

下方的輔助板上有GPS/GLONASS晶片(圖9)。Spark導航系統的核心為u-blox M8030-KT GNSS晶片(專業級版本),該晶片可以同時接收3個GNSS訊號(GPS、Galileo,以及GLONASS或北斗兩個中的任一個),靈敏度為-167dBm。

圖9 Spark的導航核心為u-blox M8030-KT GNSS晶片。

相機雲台和距離感測器

相機模組以45度俯角固定在外殼的下方。它使用一個2軸雲台,透過一條連接到外殼的鬆緊帶轉動(圖10),這是由機械臂中的驅動裝置進行控制。

圖10 相機模組(頂部)透過一條鬆緊帶固定在外殼上,並由機械臂中的驅動裝置來控制。

無人機的前端是基於LED反射訊號的3D測距感測器(圖11)。主配電中心(連接至馬達)在中間,Wi-Fi天線在後方。

圖11 取下PCB板,可以看到下方的主配電佈局線束和Wi-Fi天線。圖中上方為無人機的前端,包含一個基於LED反射光的前向3D測距系統(如左側小圖所示)。

感測器的測距範圍為16英呎,能夠檢測反射率>20%且面積大於20×20cm<sup>2</sup>的漫反射表面,因此可以輕鬆檢測並避開牆面、人和樹木。

將機身前端朝下,可以看到外殼裡面的聲納和紅外線測距組合,它們用於高度檢測(圖12)。

圖12 外殼裡面的紅外線和聲納組合持續追蹤無人機與地面之間的距離。

總之,大疆Spark無人機是一個製作精良的系統,但也有一些小瑕疵。例如,用於Wi-Fi連接的QDR程式碼不起作用,韌體更新也會導致無人機鎖定。不過,其App在Pixel 2 Android手機上運作良好。

嘗試自己設計無人機

如果有人想自己設計無人機,意法半導體的STEVAL-DRONE01開發套件是一個很好的選擇。它包含高性能STEVAL-FCU001V1飛行控制器單元(FCU),以及組裝微型無人機所需的馬達、螺旋槳、塑膠框架和電池。

飛行控制器單元執行韌體(STSW-FCU001)來控制每個互連馬達的速度並穩定機身,這就需要主機板上的STM32F4 MCU分析來自加速度計和陀螺儀感測器的資料,以提供高度準確的穩定性和控制能力。FCU板包含一個藍牙低功耗SPBTLE-RF模組,在智慧型手機上執行一個專用App,手機就可充當遙控器了。

(參考原文:Teardown: DJI Spark drone,by Patrick Mannion)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年4月號雜誌

發表評論