会飞的鲨鱼？记遥控氦气球的诞生

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发布时间: 2020-08-03

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# 制作一个遥控氦气球
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/c591aadf046297b8f46316883e6e7666.jpg)

***在气球中充满氦气，由于氦气密度小于空气平均密度，气球排开了一定体积的空气，受到升力大于其自身重力，气球就可以向上飞了。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/47f2dcb6fb1f6f4197207465d85ca382.png)

***当我们给气球加上适当的负载之后，此时升力等于重力，那么气球就可以悬浮在空中了，如果我们再给气球安装上推进电机，并且仍然保证气球所获得升力等于重力，气球就可以在空中受控制的航行了。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/447592ced712afacd81ef4a5d1f64f27.png)

***这次我们就来开发一个可以飞的气球，我称之为“*飞行气球*"，下面是飞行气球的结构：*** ![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/acc95781fd5d12d190924015e178ab1a.png) #### 其中需要几大比较重要的部件：> + 控制板（飞行控制板，负责接受信号以及驱动推进器）
> + 推进器（推进电机，带动螺旋桨叶推动气球航行）
> + 载具（气球，负载提供给升力）
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## 控制板
***制作一个好的控制板是非常重要的，其负责接受控制信号并且控制各个推进器的动力输出（转速）。所以使用一款兼具无线功能的MCU是最优选择，那么蓝牙SOC就当之无愧的入选了，蓝牙可以方便的和手机进行链接，并且功耗也较低。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/05e61b0e46ae4f4683afb2c251ac16c0.png)
***SOC全称为System on chip,也就是片上系统的意思。对于一块蓝牙SOC来说，就是将蓝牙射频电路，单片机（MCU）功能集成到了一个芯片上。使用它不仅可以降低成本，并且芯片所占面积大大减少。生产蓝牙SOC的厂家有很多，这次用的是比较流行的Nordic公司的NRF52832。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/eb7ad088209e93d825a3b5d9e9856d5e.png)
***由上图可见，在NRF52832中集成了一个性能较好的Cortex M4F内核，主频为64MHZ，这对于我们的应用无疑是给出了很大的拓展空间，带有FPU（float process unit）浮点运算单元使得进行浮点运算更加快速。***
***确定好了SOC之后，控制板还需要驱动我们的推进电机工作，那么我们就需要设计一个电机驱动电路了。由于气球的载重量有限，需要在各个环节都要减少重量，过于复杂的电路一概不予考虑，只需要最最简单的就可以了。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/21670eef8267b89daa3d236944644117.png)
***电机驱动芯片占地面积小，使用起来简单，驱动以及保护功能齐全，并且稳定性十分有保障。所以我选择了一款超级迷你的电机驱动芯片DRV8837，并且绘制好了电路的原理图***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/969b12f17fd7cd7711d07fab8b78058c.png)
***除了电机驱动芯片以及SOC芯片的电路之外，我还给板子上添加了一个姿态传感器MPU6050以及一个气压传感器BM280，用来获取姿态以及高度数据。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/410c86cfb729fae816d73e4440c822bb.png)
***接下来将原理图文件转换成PCB文件并且进行简单的布局，布线等等操作。完成之后的样子可以初步的看出板子的样子。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/adf67bc17ccbe562fe540369b17d1e7b.png)
***这一次制作的板子为4层板，因为板子面积过于狭小，所以两层板布线困难巨大，故给板子添加了两个电源层，所有信号线则从板子表面通过。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/5fb3f07cd023dc4e0d14c1ca40f16898.jpg)
***切换成3D模式下，观察板子表面布局看看是否有问题***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/9dc65df74d9a8f70188ae8a7848b9b05.png)
***将板子的模型文件导出，导入到渲染软件中得到板子大概的效果图***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/367d3c6a61c95efef747a20a34eb08d7.jpg)
***板子拿到手之后，对于这种元件比较小、密度比较大的板子，按照常规来说应该开钢网才比较好焊接。而我这次图便宜没有开钢网，在焊接上栽了不少跟头，不是虚焊就是引脚连锡，反正出现各种问题。最后费了好大劲才焊接成功，这次长记性了，下回一定开钢网。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/08b29eddf6b0d7ebba841d817c261d9d.jpg)
***控制板到这里就算制作好了，给它编程之后就可以使用了。我在Nordic给的SDK（software development kit）软件开发包中修改了一下蓝牙串口的例程，在蓝牙串口接受服务的回调函数中，处理来自手机的数据包并且保存下来，方便后面控制电机使用。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/73d6ff9bc5ea589bfa036cb46c988541.png)
***电机转速采用PWM（Pulse width modulation）控制，所以我需要初始化一下NRF52832的pwm外设。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/4e503730f4c799fe1c9a8e4272eaeb3f.png)
***到这里我们就把代码写好了，控制板可以正常使用了，接下来我们看推进器的选择***
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## 推进器
***推进器主要起着控制气球的姿态、以及前进后退的角色。在气球上使用的推进电机肯定不宜太重，那么空心杯电机肯定是不二之选，轻便的重量使得他可以很好的挂载在气球上。买来的电机以及螺旋桨。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/e15a54ca8740cb8e000144866a6001a3.jpg)
***拆了一个电机，用里面的铜丝来制作导线，铜丝不要太粗否则影响重量***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/a935d27c8628ad2f5866a93eb05a05f1.jpg)
***所有的电子设备此时全部就准备好了，为了重量考虑，电池尽量使用最小的，这里使用的是一块100mah 3.7V锂电池，重量约3g***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/bfa07271e0b8b717f85e62f3221ed0c5.jpg)
***为了安装这四个电机，切割了一些泡沫塑料板，用来做支架，并且使用UHU模型胶粘接到电机上***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/52d50fefc8407b3d006680026cc89d39.jpg)
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/1426aefd599234f05f009d81af0acbfb.jpg)
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/3f1ddc6a8c1e6c512724ef5eebb62308.jpg)
***将电机的另外一头焊接到刚刚做好的控制板上，这样控制板就可以控制电机的运转了***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/f975d9bae06185fde7eaeebe0994a070.jpg)
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## 载具
***关于载具我使用的是铝箔气球，因为铝箔气球有着很好看的外观以及各种造型，我在网上购买了一只形状是鲨鱼的气球。内充的气体一般是选择氦气，氦气属于惰性气体，安全性较高，氦气在花店可以加注，如果找不到花店的话也可以上网购买。
充好气的鲨鱼气球，由于很容易就飘到天花板上，只能用手按住拍照***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/5f10143ad7642a0e8791842332ffbb4c.jpg)
***将控制板使用透明胶带粘接到鲨鱼底部***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/71622b7f33d2dbdf76ae60eee0b656d6.jpg)
***接着依次使用UHU模型胶水粘贴四个电机至鲨鱼气球上，完成后的样子，四个电机就可以完成鲨鱼气球的前进，左右转弯，上浮下沉等等动作***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/4547dc90b2db39bf3ac1a1c6181e9787.jpg)
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/af8193969694952d2947cb573aca8ce4.jpg)
***从背后看看鲨鱼气球的样子***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/c14d7b5c481b18a1ccccd3e42c44a0cf.jpg)
***我顺便开发了一个微信小程序用来遥控气球，如图所示，油门使用中间的滑块控制，而左右转弯以及上浮下沉则是通过手机的重力感应。最上方处则是水平姿态线，用于指示手机此时的姿态。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/1879bef4fc8b2148ac1ae4ee8e6c5dc6.jpg)
***当然之前设计控制板时候设计的姿态传感器也可以用上，我移植了MPU6050的DMP库，这样可以免去很多复杂的数学计算就可以轻易的获得欧拉角。对于闭环算法，我就简单的使用了一个比例项来控制，因为考虑到在室内气球的姿态比较稳定，所以就没有使用过多的算法。***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/f319680c988b58828f02bd1129bb44bb.png)
***最后来几张在飞行的图片***
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/21c1b09d158649dd6d5047c62bb69f4d.gif)
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202008/eabaa27bb4a00d118224475c8be35017.gif)

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