會飛的鯊魚？記遙控氦氣球的誕生
2020-08-04 電子芯吧客製作一個遙控氦氣球
在氣球中充滿氦氣，由於氦氣密度小於空氣平均密度，氣球排開了一定體積的空氣，受到升力大於其自身重力，氣球就可以向上飛了。
當我們給氣球加上適當的負載之後，此時升力等於重力，那麼氣球就可以懸浮在空中了，如果我們再給氣球安裝上推進電機，並且仍然保證氣球所獲得升力等於重力，氣球就可以在空中受控制的航行了。
這次我們就來開發一個可以飛的氣球，我稱之為「飛行氣球「，下面是飛行氣球的結構：
其中需要幾大比較重要的部件：
控制板（飛行控制板，負責接受信號以及驅動推進器）推進器（推進電機，帶動螺旋槳葉推動氣球航行）載具（氣球，負載提供給升力）
控制板
製作一個好的控制板是非常重要的，其負責接受控制信號並且控制各個推進器的動力輸出（轉速）。所以使用一款兼具無線功能的MCU是最優選擇，那麼藍牙SOC就當之無愧的入選了，藍牙可以方便的和手機進行連結，並且功耗也較低。
SOC全稱為System on chip,也就是片上系統的意思。對於一塊藍牙SOC來說，就是將藍牙射頻電路，單片機（MCU）功能集成到了一個晶片上。使用它不僅可以降低成本，並且晶片所佔面積大大減少。生產藍牙SOC的廠家有很多，這次用的是比較流行的Nordic公司的NRF52832。
由上圖可見，在NRF52832中集成了一個性能較好的Cortex M4F內核，主頻為64MHZ，這對於我們的應用無疑是給出了很大的拓展空間，帶有FPU（float process unit）浮點運算單元使得進行浮點運算更加快速。確定好了SOC之後，控制板還需要驅動我們的推進電機工作，那麼我們就需要設計一個電機驅動電路了。由於氣球的載重量有限，需要在各個環節都要減少重量，過於複雜的電路一概不予考慮，只需要最最簡單的就可以了。
電機驅動晶片佔地面積小，使用起來簡單，驅動以及保護功能齊全，並且穩定性十分有保障。所以我選擇了一款超級迷你的電機驅動晶片DRV8837，並且繪製好了電路的原理圖
除了電機驅動晶片以及SOC晶片的電路之外，我還給板子上添加了一個姿態傳感器MPU6050以及一個氣壓傳感器BM280，用來獲取姿態以及高度數據。
接下來將原理圖文件轉換成PCB文件並且進行簡單的布局，布線等等操作。完成之後的樣子可以初步的看出板子的樣子。
這一次製作的板子為4層板，因為板子面積過於狹小，所以兩層板布線困難巨大，故給板子添加了兩個電源層，所有信號線則從板子表面通過。
切換成3D模式下，觀察板子表面布局看看是否有問題
將板子的模型文件導出，導入到渲染軟體中得到板子大概的效果圖
板子拿到手之後，對於這種元件比較小、密度比較大的板子，按照常規來說應該開鋼網才比較好焊接。而我這次圖便宜沒有開鋼網，在焊接上栽了不少跟頭，不是虛焊就是引腳連錫，反正出現各種問題。最後費了好大勁才焊接成功，這次長記性了，下回一定開鋼網。
控制板到這裡就算製作好了，給它編程之後就可以使用了。我在Nordic給的SDK（software development kit）軟體開發包中修改了一下藍牙串口的例程，在藍牙串口接受服務的回調函數中，處理來自手機的數據包並且保存下來，方便後面控制電機使用。
電機轉速採用PWM（Pulse width modulation）控制，所以我需要初始化一下NRF52832的pwm外設。
到這裡我們就把代碼寫好了，控制板可以正常使用了，接下來我們看推進器的選擇
推進器
推進器主要起著控制氣球的姿態、以及前進後退的角色。在氣球上使用的推進電機肯定不宜太重，那麼空心杯電機肯定是不二之選，輕便的重量使得他可以很好的掛載在氣球上。買來的電機以及螺旋槳。
拆了一個電機，用裡面的銅絲來製作導線，銅絲不要太粗否則影響重量
所有的電子設備此時全部就準備好了，為了重量考慮，電池儘量使用最小的，這裡使用的是一塊100mah 3.7V鋰電池，重量約3g
為了安裝這四個電機，切割了一些泡沫塑料板，用來做支架，並且使用UHU模型膠粘接到電機上
將電機的另外一頭焊接到剛剛做好的控制板上，這樣控制板就可以控制電機的運轉了
載具
關於載具我使用的是鋁箔氣球，因為鋁箔氣球有著很好看的外觀以及各種造型，我在網上購買了一隻形狀是鯊魚的氣球。內充的氣體一般是選擇氦氣，氦氣屬於惰性氣體，安全性較高，氦氣在花店可以加注，如果找不到花店的話也可以上網購買。
充好氣的鯊魚氣球，由於很容易就飄到天花板上，只能用手按住拍照
將控制板使用透明膠帶粘接到鯊魚底部
接著依次使用UHU模型膠水粘貼四個電機至鯊魚氣球上，完成後的樣子，四個電機就可以完成鯊魚氣球的前進，左右轉彎，上浮下沉等等動作
從背後看看鯊魚氣球的樣子
我順便開發了一個微信小程序用來遙控氣球，如圖所示，油門使用中間的滑塊控制，而左右轉彎以及上浮下沉則是通過手機的重力感應。最上方處則是水平姿態線，用於指示手機此時的姿態。
當然之前設計控制板時候設計的姿態傳感器也可以用上，我移植了MPU6050的DMP庫，這樣可以免去很多複雜的數學計算就可以輕易的獲得歐拉角。對於閉環算法，我就簡單的使用了一個比例項來控制，因為考慮到在室內氣球的姿態比較穩定，所以就沒有使用過多的算法。
最後來幾張在飛行的圖片
文章來源於電子芯吧客文章頻道，作者：皮皮學電子，點擊下方「了解更多」！
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人被熱氣球、氦氣球帶到高空後是怎麼下來的？
大型熱氣球、氦氣球也能夠上天，並且經常帶著人上天，上天后那些人是怎麼返回地面的？畢竟熱氣球、氦氣球不像飛艇那樣有推進及控制飛行狀態的裝置。對空氣進行加熱，空氣會膨脹，膨脹後氣體的密度變小，當整個氣球的密度小於空氣密度時熱氣球就能夠飛上天了。讓氣球返回地面，也是讓氣球的密度整體上小於空氣的密度後即可。熱氣球的結構一般比較簡單，氣球的下端有一個大洞，燃燒的火焰在大洞口附近將氣體加熱，熱空氣進入氣囊中將氣囊撐起，直到氣球脫離地面。 -
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