制作一個遙控氦氣球

在氣球中充滿氦氣，由于氦氣密度小于空氣平均密度，氣球排開了一定體積的空氣，受到升力大于其自身重力，氣球就可以向上飛了。

當我們給氣球加上適當的負載之后，此時升力等于重力，那么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，并且仍然保證氣球所獲得升力等于重力，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

制作一個好的控制板是非常重要的，其負責接受控制信號并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，那么藍牙SOC就當之無愧的入選了，藍牙可以方便的和手機進行鏈接，并且功耗也較低。

SOC全稱為System on chip,也就是片上系統的意思。對于一塊藍牙SOC來說，就是將藍牙射頻電路，單片機（MCU）功能集成到了一個芯片上。使用它不僅可以降低成本，并且芯片所占面積大大減少。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，這對于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之后，控制板還需要驅動我們的推進電機工作，那么我們就需要設計一個電機驅動電路了。由于氣球的載重量有限，需要在各個環節都要減少重量，過于復雜的電路一概不予考慮，只需要最最簡單的就可以了。

電機驅動芯片占地面積小，使用起來簡單，驅動以及保護功能齊全，并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芯片DRV8837，并且繪制好了電路的原理圖

除了電機驅動芯片以及SOC芯片的電路之外，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文件并且進行簡單的布局，布線等等操作。完成之后的樣子可以初步的看出板子的樣子。

這一次制作的板子為4層板，因為板子面積過于狹小，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，導入到渲染軟件中得到板子大概的效果圖

板子拿到手之后，對于這種元件比較小、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。最后費了好大勁才焊接成功，這次長記性了，下回一定開鋼網。

控制板到這里就算制作好了，給它編程之后就可以使用了。我在Nordic給的SDK（software development kit）軟件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并且保存下來，方便后面控制電機使用。

電機轉速采用PWM（Pulse width modulation）控制，所以我需要初始化一下NRF52832的pwm外設。

到這里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、以及前進后退的角色。在氣球上使用的推進電機肯定不宜太重，那么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，用里面的銅絲來制作導線，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，電池盡量使用最小的，這里使用的是一塊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，并且使用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

關于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，我在網上購買了一只形狀是鯊魚的氣球。內充的氣體一般是選擇氦氣，氦氣屬于惰性氣體，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，由于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，完成后的樣子，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

從背后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，用于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，這樣可以免去很多復雜的數學計算就可以輕易的獲得歐拉角。對于閉環算法，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。

最后來幾張在飛行的圖片