大疆Spark无人机拆解

无人机既有趣又有用，如果纯粹从工程学角度来看，它是功耗、处理性能、重量、尺寸和成本完美平衡的代表。与大多数电子系统相比，无人机在每平方毫米的空间中封装了更多的传感器、执行器和rf通信部分，这让我们想去拆开它，看看它是如何做到的。因此，我们选用了大疆spark无人机，来一探究竟。

这是一次完全破坏性的拆解，可能要费些功夫才能认出那些七零八落的零件。如果你想尝试自己设计无人机，笔者在此推荐一种非常便宜的迷你无人机开发套件，steval-drone01，它非常适合设计无人机，能满足你设计无人机的欲望并进行测试。

最初的计划其实是拆解uvify oori无人机，但它是由几个无人机玩家为了参加无人机比赛而设计的，其设计的速度很快，可以说非常快。尽管uvify oori售价仅295美元，相当便宜，但对我这样的新手来说，太难控制了，而且它只有两分钟的电池续航时间，这太短了，非常考验耐心。它可以快速从a点到达b点，但只有高手能操控。否则的话，它在飞行中就会发生多次撞击，直至撞地。

还有一个原因，就是uvify oori没有什么有趣的功能，例如物体检测与避开、返航、语音控制和追踪功能。而售价约450美元的大疆spark拥有所有关键功能，而且是由无人机之王大疆出品。无论对玩家还是小白，它都更有趣。

这里要拆解的是大疆fly more combo无人机全能套装，其中包含两个额外的电池、桨叶保护罩、额外的螺旋桨、一个便携式手提包，当然还有无人机和遥控器（图1）。与许多设计一样，遥控器上有主控按钮和操纵杆，同时可以充当智能手机的支架；智能手机既可用作显示屏，还可运行大疆无人机主控制应用程序。

图1：fly more combo套装中大疆spark无人机的三个图以及其他配件：充电座、桨叶保护罩、额外的螺旋桨，以及遥控器（图右下角两个额外电池的下方）。多花点钱买额外的电池是值得的。

spark自从首次亮相就成为有史以来最受期待的无人机之一，这不无原因。打开包装，就有一种“上档次”的感觉，小巧、紧凑、坚固而优雅。这是一款做工精细的产品。它的信号有效距离为2000米，重0.66磅（不含电池），尺寸为5.6×5.6×2.2英寸。其电池容量1480mah，电压11.4v，保证了无人机15分钟的悬停时间，最大速度为31mph。

这款无人机具有多种智能飞行模式，让玩家极为满足，当然对新手来说就不必要了。它采用红外传感器在两个方向避开障碍物，使用12兆像素cmos摄像头在总共五个方向避障。摄像头可以输出分辨率为1920×1080@30fps的视频；无人机使用一个2轴万向节保持稳定，避免俯仰和翻滚。如果再加上第3轴来避免偏航/旋转，就更好了。

这款无人机工作在2.45和5ghz频段，具有gps/glonass功能。其他主要功能在大疆官网上都能查到。毫不夸张地说，它能带给人愉悦，而且它制作如此精良，拆掉不免令人愧疚，然而，这就是我的工作。

spark无人机整体结构牢固，得费些功夫才能打开外壳看到内部。首先需要卸下固定顶盖的螺丝，暴露机腹（图2和图3）。

图2：大疆spark无人机顶部视图和底部视图

图3：取下顶盖后，露出主散热系统。

取下顶盖后，即可看到主散热系统，它采用水平风扇将空气向下推进散热片的导流槽中。散热管理系统位于emi屏蔽罩上面，主电路则位于屏蔽罩下方。gps主模块是可更换的，价格在30至50美元之间。

从尾部视图中可以看到micro usb接口和存储卡插槽，以及四个直流无刷电机（bldc）中的两个，其下是led灯透镜（图4）。这些led灯很“漂亮”，更重要的是，当无人机飞到高空时，人们很容易看到它，特别是在黄昏后或黑暗中，这是合规性的一个重要因素。

图4：尾部视图显示了micro usb接口和存储卡插槽，以及四个电机中的两个，其下是led灯透镜。

接下来要拆下散热管理系统和emi屏蔽罩，露出主板的正面（图5）。

图5：拆下emi屏蔽罩后，可以看见主板上几乎每颗芯片都涂了导热膏。

去除导热膏后，可以更清楚地看到驱动spark的庞大主控中心（图6）。主板上的元器件真的很紧凑！

图6：去除了大部分导热膏的主板正面近距离视图。

很难知道从哪里下手来了解spark的处理能力，所以我们从电机控制部分开始（图6左侧），首先就是意法半导体的stm32f303 mcu（图7）。

图7：spark主板上有一颗意法半导体的stm32f303、一颗英特尔的movidius ma2155 vpu、一颗联芯的lc1860c soc和一颗atheros/高通的ar1021x双频wi-fi soc。

stm32f303是一颗混合信号处理器，完成大部分电机控制功能。它基于72mhz主频的arm cortex-m4微控制器，并配有浮点运算单元（fpu）和dsp指令集。此外，stm32f303还包含7个快速和超快速比较器（25ns）、4个具有可编程增益的运算放大器、2个dac、4个超快速12位adc，以及电机控制计时器。

这里要强调的是，低延迟保证了快速响应，从而实现精确控制和避障。它采用磁芯耦合存储器sram（又称例程加速器），这种存储器架构可加速时间关键型例程的执行，据意法半导体称，它比闪存的执行速度还要快43％。

电机驱动部分的另一半包括2个mps的mp6536三通道半桥驱动器芯片，用于驱动3个三相bldc。

右下方是一颗atmel/microchip公司的atsame70q21，它是基于arm cortex-m7的mcu，工作频率高达300 mhz；以及一颗联芯科技的 lc1860c，它是基于arm的四核片上系统（soc），工作频率为1.45ghz。这些处理器均由美光科技的71a98jwb30低功耗dram（lpdram）支持。

atsame70q21包含16 kb的指令缓存、6 kb带误码校正（ecc）的数据缓存、单精度和双精度硬件fpu以及一个16区存储器保护单元。lc1860c则基于28 nm工艺，集成了四核cortex a7处理器，它配有双核malit628图像处理器，处理能力达到1 gpix/s。这是主图像处理器。

图7的底部是atheros/高通的ar1021x双频2.45/5.8ghz wi-fi soc。它用于2×2mimo，有自己的内部功率放大器（pa）和低噪声放大器（lna）。左上方是一颗联芯科技的lc1160电源管理芯片（pmic），其上是一颗带1 gb ddr内存并具有安全启动功能的英特尔movidius ma2155视觉处理单元（vpu）。

大疆对待无人机设计的态度有多认真，从他们采用联芯科技1.45ghz soc和英特尔movidius神经网络处理器就说明了一切。联芯科技位于中国，专门开发智能手机soc（功能、功率、尺寸取得平衡的平台）；英特尔则收购了movidius，从而获得先进的基于神经网络的图像分类功能，这也一直是自动驾驶汽车极为需要的。在spark无人机中，它用于绘制环境地图。

主板的背面有一些无源和分立元件，还有usb otg端口和sd存储卡插槽（如图8）。

图8：主板的背面主要有无源和分立元件，以及usb otg端口和存储卡插槽。

其下的辅助板上有gps/glonass芯片（图9）。spark导航系统的核心为u-blox m8030-kt gnss芯片（专业级版本）。该芯片可以同时接收3个gnss信号（gps、galileo，以及glonass或北斗两个中的任一个），灵敏度为-167dbm。

图9：spark的导航核心为u-blox m8030-kt gnss芯片。

相机模块以45°俯角固定在外壳的下面。它使用一个2轴万向节，通过一条连接到外壳的松紧带转动（图10），这是由旋臂中的驱动装置进行控制的。

图10：相机模块（顶部）通过一条松紧带固定在外壳上，并由旋臂中的驱动装置来控制。

基于led反射信号的3d距离传感器在无人机的前部（图11）。主配电中心（连接至电机）在中间，wi-fi天线在后部。

图11：取下pcb板，可以看到下面的主配电布局线束和wi-fi天线。图中上部为无人机的前端，包含一个基于led反射光的前向3d测距系统（如左侧小图所示）。

传感器的测距范围为16英尺，能够检测反射率>20％且面积大于20×20cm2的漫反射表面，因此可以轻松检测并避开墙面、人和树木。

将机身前端朝下，可以看到外壳里面的声纳和红外测距组合，它们用于高度检测（图12）。

图12：外壳里面的红外和声纳组合持续追踪无人机与地面的距离。

总之，大疆spark无人机是一个制作精良的系统，但也有一些小瑕疵。例如，用于wi-fi连接的qdr代码不起作用，固件更新也会导致无人机锁定。不过，其app在pixel 2 android手机上运行良好。

如果想自己设计无人机，意法半导体的steval-drone01开发套件是一个很好的选择。它包含高性能steval-fcu001v1飞行控制器单元（fcu），以及组装微型无人机所需的电机、螺旋桨、塑料框架和电池。

飞行控制器单元运行固件（stsw-fcu001）来控制每个互连电机的速度并稳定机身，这就需要板子上的stm32f4微控制器分析来自加速度计和陀螺仪传感器的数据，以提供高度准确的稳定性和控制能力。fcu板包含一个蓝牙低功耗spbtle-rf模块，在智能手机上运行一个专用app，这个手机就可以充当遥控器了。