DIY小四軸之電路設計（一）

DIY小四軸之電路設計（一）

寫在前面

前一陣時間一直在做四軸飛行器，略有一點收穫吧，在這裏分享出來，一方面算是對自己的總結，另一方面希望能給想做小四軸的讀者一些思路。本人並非電學專業，如有不對之處，懇請斧正。

綜合考慮到讀者羣體的能力範圍，可能會講的有些細，涉及到單片機、數字電路、模擬電路的一些內容。另一方面，爲了更好地學習本篇文章，希望讀者具有以下基礎：

1. STM32單片機基礎，任意系列都可以；
2. Altium Designer電路板設計；
3. 一部分數字電路、模擬電路知識。

一、概念篇

四軸飛行器又稱四旋翼飛行器，簡稱四軸，它的基本原理是四個電機直連螺旋槳旋轉，產生升力，帶動四軸飛行。

四軸飛行器的結構特性是，有兩對電機正轉、兩對電機反轉，具有相同旋轉方向的電機在對角線上。

如上圖就是1號3號電機逆時針轉、2號4號電機順時針轉。這樣做的目的是，實現多個自由度的控制。

比如，若1號4號減速，3號2號加速，就可以使得四軸向左側傾斜，從而向左移動；如果1號3號減速，2號4號加速，則可以使得四軸在不傾斜的情況下，發生旋轉，從俯視角度來看四軸會逆時針轉動。

想要理解上面這兩個例子，你可以把四軸的螺旋槳在空氣中的狀態，想象成鴨子的腳蹼在水中划水。要想真正透析其中變化的原因，需要根據牛頓第二定律結合受力分析去推導，然後建立一個模型，從而實現求解，在此不多作展開。

參考資料：
https://baike.baidu.com/item/四軸飛行器/3216074?fromtitle=%E5%9B%9B%E6%97%8B%E7%BF%BC%E9%A3%9E%E8%A1%8C%E5%99%A8&fromid=7293393&fr=aladdin.

四個電機轉速相同就能夠保持平衡

這是個非常理想的狀態，但實際在製作飛行器的過程中，一方面四個電機轉速不一定會完美相同，另一方面受限制於工藝，四軸的重心也不一定在幾何中心。

因而對於四軸四個電機轉速的控制，我們並不是去尋求絕對的平衡，而是需要動態平衡。說句大白話就是，因爲它總是會飛歪，所以我們得不斷地去糾正它的飛行姿態。

那麼既然要糾正它的飛行姿態，我們一般要考慮通過一些傳感器（Sensor）去獲取這個姿態，才能知道該如何去糾正。四軸飛行器常用的傳感器有：陀螺儀、加速度傳感器、氣壓計、激光定高等等，這些傳感器具體的功能如下表所示。

傳感器類型	作用	常見型號
陀螺儀、加速度傳感器	獲取飛行姿態、加速度等信息	MPU6050、MPU9250等等
氣壓計	獲取飛行器高度信息	SPL60、BMP250等等
激光定高	獲取飛行器高度信息	略（百家爭鳴）
光流	獲取飛行器位置信息	略（百家爭鳴）

除了四個電機、傳感器之外，還需要考慮設備之間的通信，比如遙控器信號發送給四軸，四軸把剩餘電量信息返回給單片機。常用的通信模塊有Si24R1、藍牙模塊等等。
經過上面的討論，總體來說四軸的功能齊全了，其整體框圖可以概括如下：

我們要考慮製作的四軸不需要機架，而是通過Altium Designer將電路板（PCB）製作成機架的樣子。其大體形狀類似於這樣，後面會慢慢講。

二、電源設計

電源其實是一種供電方案的設計，小的四軸通常使用3.7v可充電的鋰電池供電。

在此提供一種供電方案，先升壓後穩壓，這種供電電路的特點是，電量消耗可能比較快，但輸出電壓穩定。

第一部分是升壓，目的是將3.7v的鋰電池電壓，升壓到5V，上面是這個升壓電路的原理圖。在原理圖中最左側是一個電池的插座，後面由開關S1控制電池的供電情況。再向後看有一個DC-DC升壓芯片HT7750SA，這個芯片的具體配置方法應該查詢它的數據手冊Datasheet，數據手冊中往往會給出這種芯片的基本電路。

參考資料：
https://html.alldatasheet.com/html-pdf/947649/HOLTEK/HT7750SA/1109/5/HT7750SA.html.

在它的數據手冊中給出的基本電路圖如下

前面有一個電容C-電感L濾波電路，它的作用是去除輸入端的交流分量；後面輸出端的電容Cout是一個旁路電容，能使升壓器的輸出均勻化。

對比上面原理圖，可以看出，我們其實調整了兩個地方，一個是輸入端的電感L，經實際測試常用的4.7uH電容效果比較好；另一個是後面的Cout改爲兩個電容並聯，效果是差不多的。

第二部分是穩壓，使用一個線性升壓器XC6206，目的是將5v的電壓降低至3.3v，從而給單片機以及傳感器供電。這個電路就基本上按照Datasheet裏面給的參考電路去佈置就可以。這裏有一點不同的就是多了一個二極管，這個二極管是爲了避免電流倒灌。

參考資料：
https://wenku.baidu.com/view/2c9edae8cdbff121dd36a32d7375a417876fc155.html.

這樣我們一共有了三條電壓主線，一條是VBAT（3.7v），可以直接給空心杯電機供電，外兩條分別是5v、3.3v，給單片機和各類傳感器等設備供電。

最後還有一個測量電路，如下圖所示，原理是將電池電壓通過兩個相等的大電阻R3、R4，然後測量R4上面的電壓VBAT_T，然後實際的電池電壓量應該爲2倍的VBAT_T，最後根據電池包的電量—電壓特性圖將電壓量轉化爲電量就可以了。其中VBAT_T連接在STM32單片機的ADC上面，通過ADC讀取電壓值。

(未完待續)