设计一个将PCB臂作为机身的四轴飞行器

大多数四轴无人机都遵循相同的结构模式——碳纤维或塑料框架，飞行控制器板安装在中间，电调(ESC)位于机臂上，电机则安装在末端。这种设计效果良好，易于维修，是进行专业飞行的理想选择。

但我并不是在造一架真正的无人机，而是在开发一个学习工具。

我想找一个学生或业余爱好者能轻松理解的东西——飞行控制器是如何工作的，PID回路如何稳定四轴飞行器，以及IMU数据如何输入到电机输出。传统的多部件结构会隐藏掉很多复杂性。于是我提出一个简单的问题：如果机架和电路板是同一个物体，会怎样?

那个问题成为了澳大利亚国立大学PCB无人机。

设计

设计思路很简单——PCB臂模仿了轻翼无人机的机身结构。ESP32模块位于中央作为飞行控制器，四个无刷电机直接安装在电路板的四个角落。无需单独的框架，也无需线束，一块电路板即可完成所有功能。

PCB采用FR4标准玻璃纤维材料制造，其刚性比我们所用的臂长预期的要强，且重量轻，可轻松在无芯电机上使用1S锂聚合物电池飞行。

为什么选择无刷电机而不是BLDC电机?

有意为之的选择。无核心的刷毛电机可直接通过ESP32的GPIO引脚使用PWM驱动，无需电子调速器(ESC)。这使得PCB更简单、元器件数量减少，且固件更容易理解。对于进行室内悬停和短距离飞行的学习平台而言，这些电机完全足够。任何希望升级到BLDC电机的人，都有一个清晰的下一个项目可以着手。

设计挑战

1. 僵硬

FR4的刚性比大多数人预期的要强。对于这款无人机的臂长来说，弯曲度并不是我预想中的问题。PCB材料能很好地承受静态载荷。

振动是真正的问题。在油门加大时，电机的谐波会直接通过电路板传递到IMU。在我们用泡沫胶带软贴 MPU-6050 之前，它就已经捕捉到了明显的噪声。这一简单改变显著提升了飞行稳定性和PID闭环性能。

2. 电机支架完整性

电机安装孔是应力集中点。在第一个原型机上，经过几次飞行后，我们发现安装孔周围出现了微小裂纹。在每个安装点周围添加铜制加强筋解决了这一问题——铜能够将应力分散到电路板更大的区域。

3. 重量分布

重心在任何四旋翼飞行器上都至关重要。在传统设计中，可以通过移动飞控器和电池来调整重心;而在集成PCB设计中，重心则在布局时通过元件的放置位置固定。在确定ESP32模块的最终布局位置之前，我们已进行了多次重心计算。

4. 可维修性

诚实的权衡——如果一个臂膀折断，你就得更换整个板子。对于一个适合学习和原型开发的平台来说，这是可以接受的。但对于一款在户外高强度飞行的野外无人机而言，这种设计并不合适。我们与所有制造这类设备的人对此都十分清楚。

固件

飞行控制器的固件使用Arduino C++编写，并在GitHub上完全开源。它包含以下内容：

•俯仰、横滚和偏航稳定控制的PID回路

•MPU-6050 惯性加速度计集成

•四旋翼几何的电机混合算法

•通过UDP进行WiFi遥测——将实时飞行数据流式传输至浏览器仪表盘

•标准装填与安全逻辑

PID参数调整花了两周时间

这是整个项目中最困难的部分。对P、I或D参数的任何调整都会以难以通过飞行测试预测的方式改变飞行行为。我们最终开发了一个简单的网页界面，通过Wi-Fi在不重新刷写程序的情况下调整PID参数——仅这一功能就节省了数小时的调试时间。

WiFi遥测仪表板可将姿态、电机输出和电池电压实时传输到同一网络中的任意浏览器。打开192.168.x.x地址，即可实时查看飞行控制器的运行状态。对于学习和调试PID控制行为，这非常实用。

规格

我学到的东西

IMU的软性安装并非可选。在PCB机架上，从电机到IMU的振动路径非常短。若不进行隔离，陀螺仪数据将过于嘈杂，导致无法实现稳定的PID控制。

从第一天起就在电机支架周围加铜制加强筋就值得。我们在第一台原型机上已经用苦涩的方式学到了这一点。

Wi-Fi遥测比我预想的更有用。在别人飞行时，我可以通过浏览器实时查看电机输出和姿态，这使得PID调校速度显著加快。

FR4在小尺度下是一种出人意料的高性能结构材料。我原本预期会有比实际更多的弯曲问题，但真正限制因素是振动，而非刚性。

一体化的设计真正简化了学习体验。

学生可以看着这个板子，将整个系统——电源、处理、传感和执行——都理解为一个整体。这正是目标，而且它确实有效。

更进一步

添加摄像头——安装ESP32-CAM模块，通过WiFi实时传输第一人称视频画面

升级为无刷直流电机——添加电子调速器并重新编写电机混合控制逻辑

自定义您的PID——使用WiFi仪表板实时调整增益，无需重新刷写固件

增加更多传感器——气压计用于高度保持，光流传感器用于位置保持

本文编译自hackster.io