無(wú)人機(jī)既有趣又有用，如果純粹從工程學(xué)角度來(lái)看，它是功耗、處理性能、重量、尺寸和成本完美平衡的代表。與大多數(shù)電子系統(tǒng)相比，無(wú)人機(jī)在每平方毫米的空間中封裝了更多的傳感器、執(zhí)行器和RF通信部分，這讓我們想去拆開它，看看它是如何做到的。因此，我們選用了大疆Spark無(wú)人機(jī)，來(lái)一探究竟。

這是一次完全破壞性的拆解，可能要費(fèi)些功夫才能認(rèn)出那些七零八落的零件。如果你想嘗試自己設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)，筆者在此推薦一種非常便宜的迷你無(wú)人機(jī)開發(fā)套件，STEVAL-DRONE01，它非常適合設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)，能滿足你設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的欲望并進(jìn)行測(cè)試。

最初的計(jì)劃其實(shí)是拆解UVify OORi無(wú)人機(jī)，但它是由幾個(gè)無(wú)人機(jī)玩家為了參加無(wú)人機(jī)比賽而設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)的速度很快，可以說(shuō)非常快。盡管UVify OORi售價(jià)僅295美元，相當(dāng)便宜，但對(duì)我這樣的新手來(lái)說(shuō)，太難控制了，而且它只有兩分鐘的電池續(xù)航時(shí)間，這太短了，非常考驗(yàn)?zāi)托摹Ｋ�可以快速�(gòu)腁點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)，但只有高手能操控。否則的話，它在飛行中就會(huì)發(fā)生多次撞擊，直至撞地。

還有一個(gè)原因，就是UVify OORi沒有什么有趣的功能，例如物體檢測(cè)與避開、返航、語(yǔ)音控制和追蹤功能。而售價(jià)約450美元的大疆Spark擁有所有關(guān)鍵功能，而且是由無(wú)人機(jī)之王大疆出品。無(wú)論對(duì)玩家還是小白，它都更有趣。

這里要拆解的是大疆Fly More Combo無(wú)人機(jī)全能套裝，其中包含兩個(gè)額外的電池、槳葉保護(hù)罩、額外的螺旋槳、一個(gè)便攜式手提包，當(dāng)然還有無(wú)人機(jī)和遙控器（圖1）。與許多設(shè)計(jì)一樣，遙控器上有主控按鈕和操縱桿，同時(shí)可以充當(dāng)智能手機(jī)的支架；智能手機(jī)既可用作顯示屏，還可運(yùn)行大疆無(wú)人機(jī)主控制應(yīng)用程序。

Spark自從首次亮相就成為有史以來(lái)最受期待的無(wú)人機(jī)之一，這不無(wú)原因。打開包裝，就有一種“上檔次”的感覺，小巧、緊湊、堅(jiān)固而優(yōu)雅。這是一款做工精細(xì)的產(chǎn)品。它的信號(hào)有效距離為2000米，重0.66磅（不含電池），尺寸為5.6×5.6×2.2英寸。其電池容量1480mAh，電壓11.4V，保證了無(wú)人機(jī)15分鐘的懸停時(shí)間，最大速度為31mph。

這款無(wú)人機(jī)具有多種智能飛行模式，讓玩家極為滿足，當(dāng)然對(duì)新手來(lái)說(shuō)就不必要了。它采用紅外傳感器在兩個(gè)方向避開障礙物，使用12兆像素CMOS攝像頭在總共五個(gè)方向避障。攝像頭可以輸出分辨率為1920×1080@30fps的視頻；無(wú)人機(jī)使用一個(gè)2軸萬(wàn)向節(jié)保持穩(wěn)定，避免俯仰和翻滾。如果再加上第3軸來(lái)避免偏航/旋轉(zhuǎn)，就更好了。

這款無(wú)人機(jī)工作在2.45和5GHz頻段，具有GPS/GLONASS功能。其他主要功能在大疆官網(wǎng)上都能查到。毫不夸張地說(shuō)，它能帶給人愉悅，而且它制作如此精良，拆掉不免令人愧疚，然而，這就是我的工作。

Spark無(wú)人機(jī)整體結(jié)構(gòu)牢固，得費(fèi)些功夫才能打開外殼看到內(nèi)部。首先需要卸下固定頂蓋的螺絲，暴露機(jī)腹（圖2和圖3）。

取下頂蓋后，即可看到主散熱系統(tǒng)，它采用水平風(fēng)扇將空氣向下推進(jìn)散熱片的導(dǎo)流槽中。散熱管理系統(tǒng)位于EMI屏蔽罩上面，主電路則位于屏蔽罩下方。GPS主模塊是可更換的，價(jià)格在30至50美元之間。

從尾部視圖中可以看到micro USB接口和存儲(chǔ)卡插槽，以及四個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC）中的兩個(gè)，其下是LED燈透鏡（圖4）。這些LED燈很“漂亮”，更重要的是，當(dāng)無(wú)人機(jī)飛到高空時(shí)，人們很容易看到它，特別是在黃昏后或黑暗中，這是合規(guī)性的一個(gè)重要因素。

接下來(lái)要拆下散熱管理系統(tǒng)和EMI屏蔽罩，露出主板的正面（圖5）。

去除導(dǎo)熱膏后，可以更清楚地看到驅(qū)動(dòng)Spark的龐大主控中心（圖6）。主板上的元器件真的很緊湊！

很難知道從哪里下手來(lái)了解Spark的處理能力，所以我們從電機(jī)控制部分開始（圖6左側(cè)），首先就是意法半導(dǎo)體的STM32F303 MCU（圖7）。

STM32F303是一顆混合信號(hào)處理器，完成大部分電機(jī)控制功能。它基于72MHz主頻的Arm Cortex-M4微控制器，并配有浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）和DSP指令集。此外，STM32F303還包含7個(gè)快速和超快速比較器（25ns）、4個(gè)具有可編程增益的運(yùn)算放大器、2個(gè)DAC、4個(gè)超快速12位ADC，以及電機(jī)控制計(jì)時(shí)器。

這里要強(qiáng)調(diào)的是，低延遲保證了快速響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)精確控制和避障。它采用磁芯耦合存儲(chǔ)器SRAM（又稱例程加速器），這種存儲(chǔ)器架構(gòu)可加速時(shí)間關(guān)鍵型例程的執(zhí)行，據(jù)意法半導(dǎo)體稱，它比閃存的執(zhí)行速度還要快43％。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的另一半包括2個(gè)MPS的MP6536三通道半橋驅(qū)動(dòng)器芯片，用于驅(qū)動(dòng)3個(gè)三相BLDC。

右下方是一顆Atmel/Microchip公司的ATSAME70Q21，它是基于Arm Cortex-M7的MCU，工作頻率高達(dá)300 MHz；以及一顆聯(lián)芯科技的 LC1860C，它是基于Arm的四核片上系統(tǒng)（SoC），工作頻率為1.45GHz。這些處理器均由美光科技的71A98JWB30低功耗DRAM（LPDRAM）支持。

ATSAME70Q21包含16 KB的指令緩存、6 KB帶誤碼校正（ECC）的數(shù)據(jù)緩存、單精度和雙精度硬件FPU以及一個(gè)16區(qū)存儲(chǔ)器保護(hù)單元。LC1860C則基于28 nm工藝，集成了四核Cortex A7處理器，它配有雙核MaliT628圖像處理器，處理能力達(dá)到1 Gpix/s。這是主圖像處理器。

圖7的底部是Atheros/高通的AR1021X雙頻2.45/5.8GHz Wi-Fi SoC。它用于2×2MIMO，有自己的內(nèi)部功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA）。左上方是一顆聯(lián)芯科技的LC1160電源管理芯片（PMIC），其上是一顆帶1 Gb DDR內(nèi)存并具有安全啟動(dòng)功能的英特爾Movidius MA2155視覺處理單元（VPU）。

大疆對(duì)待無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的態(tài)度有多認(rèn)真，從他們采用聯(lián)芯科技1.45GHz SoC和英特爾Movidius神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器就說(shuō)明了一切。聯(lián)芯科技位于中國(guó)，專門開發(fā)智能手機(jī)SoC（功能、功率、尺寸取得平衡的平臺(tái)）；英特爾則收購(gòu)了Movidius，從而獲得先進(jìn)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分類功能，這也一直是自動(dòng)駕駛汽車極為需要的。在Spark無(wú)人機(jī)中，它用于繪制環(huán)境地圖。

主板的背面有一些無(wú)源和分立元件，還有USB OTG端口和SD存儲(chǔ)卡插槽（如圖8）。

其下的輔助板上有GPS/GLONASS芯片（圖9）。Spark導(dǎo)航系統(tǒng)的核心為u-blox M8030-KT GNSS芯片（專業(yè)級(jí)版本）。該芯片可以同時(shí)接收3個(gè)GNSS信號(hào)（GPS、Galileo，以及GLONASS或北斗兩個(gè)中的任一個(gè)），靈敏度為-167dBm。

相機(jī)模塊以45°俯角固定在外殼的下面。它使用一個(gè)2軸萬(wàn)向節(jié)，通過(guò)一條連接到外殼的松緊帶轉(zhuǎn)動(dòng)（圖10），這是由旋臂中的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行控制的。

基于LED反射信號(hào)的3D距離傳感器在無(wú)人機(jī)的前部（圖11）。主配電中心（連接至電機(jī)）在中間，Wi-Fi天線在后部。

傳感器的測(cè)距范圍為16英尺，能夠檢測(cè)反射率>20％且面積大于20×20cm2的漫反射表面，因此可以輕松檢測(cè)并避開墻面、人和樹木。

將機(jī)身前端朝下，可以看到外殼里面的聲納和紅外測(cè)距組合，它們用于高度檢測(cè)（圖12）。

總之，大疆Spark無(wú)人機(jī)是一個(gè)制作精良的系統(tǒng)，但也有一些小瑕疵。例如，用于Wi-Fi連接的QDR代碼不起作用，固件更新也會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)鎖定。不過(guò)，其App在Pixel 2 Android手機(jī)上運(yùn)行良好。

如果想自己設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)，意法半導(dǎo)體的STEVAL-DRONE01開發(fā)套件是一個(gè)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(wú)人機(jī)所需的電機(jī)、螺旋槳、塑料框架和電池。

飛行控制器單元運(yùn)行固件（STSW-FCU001）來(lái)控制每個(gè)互連電機(jī)的速度并穩(wěn)定機(jī)身，這就需要板子上的STM32F4微控制器分析來(lái)自加速度計(jì)和陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)，以提供高度準(zhǔn)確的穩(wěn)定性和控制能力。FCU板包含一個(gè)藍(lán)牙低功耗SPBTLE-RF模塊，在智能手機(jī)上運(yùn)行一個(gè)專用App，這個(gè)手機(jī)就可以充當(dāng)遙控器了。