拆解:大疆Spark無人機

無人機既有趣又有用，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傳感器、執行器和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並進行測試。

為什麼選擇大疆無人機？

最初的計劃其實是拆解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的，其設計的速度很快，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，這太短了，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，直至撞地。

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。無論對玩家還是小白，它都更有趣。

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（圖1）。與許多設計一樣，遙控器上有主控按鈕和操縱杆，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屏，還可運行大疆無人機主控制應用程式。

圖1：Fly More Combo套裝中大疆Spark無人機的三個圖以及其他配件：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，這不無原因。打開包裝，就有一種「上檔次」的感覺，小巧、緊湊、堅固而優雅。這是一款做工精細的產品。它的信號有效距離為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能飛行模式，讓玩家極為滿足，當然對新手來說就不必要了。它採用紅外傳感器在兩個方向避開障礙物，使用12兆像素CMOS攝像頭在總共五個方向避障。攝像頭可以輸出解析度為1920×1080@30fps的視頻；無人機使用一個2軸萬向節保持穩定，避免俯仰和翻滾。如果再加上第3軸來避免偏航/旋轉，就更好了。

這款無人機工作在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。首先需要卸下固定頂蓋的螺絲，暴露機腹（圖2和圖3）。

圖2：大疆Spark無人機頂部視圖和底部視圖。

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。散熱管理系統位於EMI屏蔽罩上面，主電路則位於屏蔽罩下方。GPS主模塊是可更換的，價格在30至50美元之間。

從尾部視圖中可以看到micro USB接口和存儲卡插槽，以及四個直流無刷電機（BLDC）中的兩個，其下是LED燈透鏡（圖4）。這些LED燈很「漂亮」，更重要的是，當無人機飛到高空時，人們很容易看到它，特別是在黃昏後或黑暗中，這是合規性的一個重要因素。

圖4：尾部視圖顯示了Micro USB接口和存儲卡插槽，以及四個電機中的兩個，其下是LED燈透鏡。

接下來要拆下散熱管理系統和EMI屏蔽罩，露出主板的正面（圖5）。

圖5：拆下EMI屏蔽罩後，可以看見主板上幾乎每顆晶片都塗了導熱膏。

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）。主板上的元器件真的很緊湊！

圖6：去除了大部分導熱膏的主板正面近距離視圖。

很難知道從哪裡下手來了解Spark的處理能力，所以我們從電機控制部分開始（圖6左側），首先就是意法半導體的STM32F303 MCU（圖7）。

圖7：Spark主板上有一顆意法半導體的STM32F303、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是一顆混合信號處理器，完成大部分電機控制功能。它基於72MHz主頻的Arm Cortex-M4微控制器，並配有浮點運算單元（FPU）和DSP指令集。此外，STM32F303還包含7個快速和超快速比較器（25ns）、4個具有可編程增益的運算放大器、2個DAC、4個超快速12位ADC，以及電機控制計時器。

這裡要強調的是，低延遲保證了快速響應，從而實現精確控制和避障。它採用磁芯耦合存儲器SRAM（又稱例程加速器），這種存儲器架構可加速時間關鍵型例程的執行，據意法半導體稱，它比快閃記憶體的執行速度還要快43％。

電機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公司的ATSAME70Q21，它是基於Arm Cortex-M7的MCU，工作頻率高達300 MHz；以及一顆聯芯科技的 LC1860C，它是基於Arm的四核片上系統（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）的數據緩存、單精度和雙精度硬體FPU以及一個16區存儲器保護單元。LC1860C則基於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。它用於2×2MIMO，有自己的內部功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA）。左上方是一顆聯芯科技的LC1160電源管理晶片（PMIC），其上是一顆帶1 Gb DDR內存並具有安全啟動功能的英特爾Movidius MA2155視覺處理單元（VPU）。

大疆對待無人機設計的態度有多認真，從他們採用聯芯科技1.45GHz SoC和英特爾Movidius神經網絡處理器就說明了一切。聯芯科技位於中國，專門開發智慧型手機SoC（功能、功率、尺寸取得平衡的平臺）；英特爾則收購了Movidius，從而獲得先進的基於神經網絡的圖像分類功能，這也一直是自動駕駛汽車極為需要的。在Spark無人機中，它用於繪製環境地圖。

主板的背面有一些無源和分立元件，還有USB OTG埠和SD存儲卡插槽（如圖8）。

圖8：主板的背面主要有無源和分立元件，以及USB OTG埠和存儲卡插槽。

其下的輔助板上有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信號（GPS、Galileo，以及GLONASS或北鬥兩個中的任一個），靈敏度為-167dBm。

圖9：Spark的導航核心為u-blox M8030-KT GNSS晶片。

相機雲臺和距離傳感器

相機模塊以45°俯角固定在外殼的下面。它使用一個2軸萬向節，通過一條連接到外殼的鬆緊帶轉動（圖10），這是由旋臂中的驅動裝置進行控制的。

圖10：相機模塊（頂部）通過一條鬆緊帶固定在外殼上，並由旋臂中的驅動裝置來控制。

基於LED反射信號的3D距離傳感器在無人機的前部（圖11）。主配電中心（連接至電機）在中間，Wi-Fi天線在後部。

圖11：取下pcb板，可以看到下面的主配電布局線束和Wi-Fi天線。圖中上部為無人機的前端，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）。

傳感器的測距範圍為16英尺，能夠檢測反射率>20％且面積大於20×20cm2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測距組合，它們用於高度檢測（圖12）。

圖12：外殼裡面的紅外和聲納組合持續追蹤無人機與地面的距離。

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代碼不起作用，固件更新也會導致無人機鎖定。不過，其App在Pixel 2 Android手機上運行良好。

試試自己設計無人機

如果想自己設計無人機，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電機、螺旋槳、塑料框架和電池。

飛行控制器單元運行固件（STSW-FCU001）來控制每個互連電機的速度並穩定機身，這就需要板子上的STM32F4微控制器分析來自加速度計和陀螺儀傳感器的數據，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模塊，在智慧型手機上運行一個專用App，這個手機就可以充當遙控器了。

（原文刊登於ASPENCORE旗下EDN英文網站，參考連結：Teardown: DJI Spark drone。）