四/六旋翼迷你无人机设计制造（一）硬件设计制作_无人机设计与制作

四旋翼，小飞机
飞到东，飞到西
上日天，下怼地
我的飞机真神奇
——鲁迅

很早就有弄个小飞机自己玩的想法了，因为疫情拖到现在。不过感谢时间，过滤掉了很多不成熟的想法，也有足够的机会去尝试新的东西。唯一的缺点就是主控芯片的价格涨了10倍还多，真难受。

机械结构部分还是设计异形板的老办法，在solidworks里面画好模型之后转成step文件，然后导入ad，选择3D元件体作为板外形。
如果板子上有大面积挖空，记得在生成外形线条的时候把挖空的槽包含进去，要不然导出gb之后就没有挖空的效果了，将会得到一块实心板子。。。
设计的时候还搞了个电机支架。然后发现很难装上去。双上去之后也很难固定。本来是在支架上拼接处留了俩焊盘，可以用焊锡直接固定。然后我忽视了电机是有磁性的，烙铁在靠近的时候老是自己往电机上怼。下次注意要改进一下这个设计。
还有就是，电机线到板子接口，我是直接预留焊盘焊上去的。想想还是应该用插针，尤其是像这样四六轴可切换的设计。看来还是需要再弄一版这个六轴了。
（卧槽这个结构，一开电吓死我了，电机直接脱离机体自己飞了，机械上没有对电机做垂直方向上运动的约束。下次必须换个设计了）
硬件的设计很常规，用成品模块的都是屑，全部自己搭建。

电源部分：

包括第一次使用锂电池充电芯片tps4056，升压芯片tp61222，降压芯片xc6221，这几块芯片构成了电源部分。

• 似乎好多类似的小飞机都没有3.7升5v这个环节，都是直接电池4.2v出来接LDO给到控制系统。个人感觉还是可以搞一个的，防止电池电压突然降低带来的问题。尤其是当电机负载过大，电池放电电流接近放电倍率的极限的时候，电池电压很容易突降，造成单片机死机。不知道在电源输入端加个大电容会不会有所改善。不过考虑体积跟重量，可能还不如用boost。当然造成这种情况的根本原因是电池放电倍率不足，考虑换个电池。
  

整个板子电源模块大概就这几种电压等级：

• 电池3.7~4.2V
• 充电口5V（直接连锂电池充电管理芯片tp4056）
• 升压5V出来的5V（升压模块从电池取电，3.7v升5v）
• LDO输出的3.3V（LDO从5V取电）

也就是说，系统及可以通过电池单独供电，也可以通过USB 5V供电。USB将同时给电池充电。充电的5V和升压输出的5V中间一定要加二极管，防止电流倒灌。我用的BAT54C，SOT-3封装的2路肖特基。2个5V输入，1个输出给LDO。要不然电池会通过升压模块得到的5V反过来给自己充电，唯一的结果就是烧坏升压，因为61222显然驱动不了4056。第一版做的时候就忘了考虑这个问题了。图发出去之后才意识到。郁闷死。电源部分就这样，看着复杂，好几个芯片，实际上也就那样。布局啥的参考手册就行，没啥坑。

充电路径管理

充电电路的拓扑结构还是有点点讲究的。这是一种很烂的充电路径，因为充电芯片Charger是根据充电电流来判断充电完成的。如果后级LDO和System的功耗大于设定的充电截止电流，那么即使电池已经充满了，充电也不会停止。此外，由于电池电压直接等于系统电压，当电池处于过放状态，插上电之后系统也没办法立即开机，就像很多年前老手机一样要先插着冲一会才能开机。改进方法是让USB直接对系统供电，同时增加开关。像图 路径2一样。但这个样子就必须在电池对系统的输出和USB对系统的输出之间增加二极管，防止电流倒灌。这个开关可以拿个mos管，也可以就用普通的手动机械开关。用mos的话就像蓝牙耳机一样，插上电，电池对自动停止对外放电。但由于USB可以独立供电，系统此时也可以正常工作。这样就很好地解决了没有设计电源路径的问题。但我还在电池输出和LDO之间加了个升5V的Boost，使得输出到系统的电压会更稳定，总体拓扑没什么变化。

但是这个开关这一版就没做那么复杂，直接用的手动的。这功能以后再说。

充电接口和USB：

充电接口用的mini usb。封装很小，引脚很短。焊的时候特别容易虚焊。我就是焊上去之后发现一直没法用，然后一查果然是虚焊了。狠狠补了一坨锡才弄好。后来画的时候自己把封装改了一下，焊盘弄长了一点。说到这里，QFN封装，如果用烙铁焊的话焊盘也可以加长一点，要不然太容易弄坏了感觉。

mini usb的线序：从母座屁股后面的方向看过去，从左至右：GND、NC、D+（绿色）、D-（白色）、VCC。一般原理图1脚为VCC
顺便贴一下几种常用USB线序：（均是从母座屁股方向看，从左至右）
USB-A（2.0）：GND、D+、D-、VCC

mini usb一方面可以给电池充电，另一方面作为usb接口直接连单片机。stm32f103的usb口是PA11（DM）和PA12（DP），和CAN共用一组引脚。f1只能做从机，连线的时候在DP脚要一个上拉，标明是全速设备。但作为虚拟串口和上位机通信还是不错的，不需要其他任何额外的硬件。f4就可以做主机了。

USB的数据线是差分线。在AD里面使用差分线有几种办法：

• 原理图里面添加，在更新PCB的时候会自动更新过去。顶部快捷菜单里有，直接放置就行。
• PCB里面直接按照网络的名字添加

USB是差分线。要求差分阻抗90 ohm。一般双层板不太容易控制阻抗的，只能用走线周围大面积铺铜（GND）来代替参考层。这样子的话线宽10-12mil，线距6-7mil，然后周围铺地距离大概5-10mil，差不多是能用的，因为f1只支持全速而不支持高速。反正至少虚拟串口这个，貌似对阻抗的要求也不高，随便扯扯就能用了。
如果是四层板，可以用si9000算一下。试过线距6mil，线宽10-12mil，周围包地，临参考地层，可以通信。

传感器：

信号部分，板子上用到了mpu6050和bmp280的iic总线，nrf24l01的spi通信，还有包括控制电机的pwm信号等。这些信号都是几十或者几百kHz的，不足为虑。
6050和bmp280按手册连线就行。没啥难度。iic对si要求没那么高。iic两根线都要上拉。可以按一般的链状总线走，也可以使用6050的外挂总线功能。

无线通信：

无线通信的话用的是Nordic的nrf24l01。算是比较古老的芯片了，下次可以考虑换52832或者esp32这种的。这个用的是标准单口spi通信。外围电路比较复杂。按芯片手册布局，基本能用。有自己的时钟晶振，用的是16MHz的。布局布线的时候就要注意干扰。一个很奇怪的就是，芯片在工作的时候万用表完全测不到晶振引脚上的电压。不知道为什么。说不定下次用示波器看看。还有一点，晶振的负载电容，在手册原理图里画的是22pf，然后手册电特性参数表里面又说最大12pf。很奇怪。反正12pf上去能用。
其实更关键的一点是天线设计。不搞通信，也看不懂各种天线形状有什么优缺点。直接用天线封装库解决。或者陶瓷天线这样的。天线周围还有邻近的参考层要挖空处理。其他部分铺地，并且多打过孔连接地层。过孔不能太过稀疏，否则会干扰。天线信号线要按单端50Ω走线。可以用Π电路匹配阻抗。
这一版在做的时候还不懂这么多。随便按照手册瞎画的。然后不知道是不是阻抗没有匹配的问题，搞出来通信距离贼短，不到10cm。我人都傻了，还在奇怪怎么搞都收不到信息。发现这一点的时候直接特喵的裂开。
真的吐了，等下一版吧。在这之前要好好研究一下射频相关了QwQ。
后来又试了一下拿掉贴片天线，直接焊了一根十几cm长的飞线上去，居然能用。惊了。估计问题出在从末端电容出来到天线的这一小段上，可能这一段阻抗线画细了。参考层离得又远，阻抗太大了。

电机驱动：

电机控制直接用的AO3400 MOS管，电压电流都足够空心杯要求。在有的选的情况下肯定是选N-MOS，内阻低一点。采用典型的低端驱动，电机接在电源侧，MOS管门级通过一个1kΩ电阻直接接到单片机定时器输出。这个电阻其实还是有必要的，主要是防止过冲，但这个电阻也不能太大，否则由于栅极等效电容的存在，上电太慢，会让管子进入线性区，直接就炸了。栅源之间跨接10k的泄放电阻，这个没啥说的。
MOS的pwm信号肯定算不上高速，因此也不需要考虑阻抗匹配之类的问题。那么栅极的电阻就可以放在接收端，靠近MOS管。

关于要不要给mos外部再反并联一个二极管，个人感觉没必要。空心杯电机一个电流不大，再一个无人机电机基本上只需要单向旋转，所以在电机两端反并联一个就行了。有的文档说电机正负极之间可以并联电容，效果比反并联二极管好。个人认为没什么道理。至少二极管加上去完全没有任何问题。
考虑到一块板子上要带多个电机，画图的时候可以采用多通道设计。省时省力。