ESP32-S3四轴飞行器

四轴飞行器效果

（广告位）
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一、项目使用元件
核心板 ESP32 30PIN
电源 1S航模 电压3.7V-4.2V 高倍率 500mah（5-10分钟）
调试网页 http://192.168.4.1
MPU6500模块 陀螺仪（加速度计 姿态传感器模块） 稳压模块 ME6118A33PG
肖特基二极管 B5819W
N沟道MOS场效应管 AO3416

二、设计思路

（逆向工程与破坏性测试）
为什么这么设计、哪里设计得不好、以及踩过的坑

1.修改代码

  • 如果重新绘制pcb，引脚修改
  • 调参记录（如PD调参）
  • 增加串口输出（如打印MPU6500原始数据或者PID环计算结果）-串口波形图

2.架构图绘制

  • 必须：主循环闭环图
    读取传感器（IMU）-姿态融合（Filter）- 串级PID运算-混控分配（Mixer）-输出PWM
    需要知道函数在哪几个文件
  • 中断与定时器
    飞控基于多少HZ？运行，是通过delay还是硬件定时器中断触发

3. 破坏性测试

示例：

  • 拔掉旋钮/线缆
  • 逆向通信测试
  • 传感器遮挡/干扰测试

4. 挑刺-开源项目的不足（也是我们的改进点）

客观评价优缺点，给出优化

5.硬件精通（物理层）

硬件板上的东西需要知道是什么，也需要知道为什么选择它
原理图
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1）电源部分-稳压电路

LDO稳压芯片ME6118A33PD数据手册

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理解：
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2）电源部分-ADC电量检测

经典电阻分压网络，用来做电池电压检测

问：

  1. 为什么要分压？电池为3.7V-4.2V，那为什么不把VBAT连接欸到ESP32的ADC引脚？
  • 查找数据手册。ADC最大安全输入电压为3.3V，当电池满电的时候，ESP32会冒烟，因此需要分压降低电压

  1. 计算：当电池满电达到4.2V时，经过R11和R10的分压，中间ADC_1这个点的电压是多少伏？
    串联分压，串联电路中电流处处相等，电阻越大，分到的电压越多。
    总电阻= R11+R10 = 43K
    总电流=VBAT/总电阻 = VBAT/43K
    电压= 电流R10（测R10两端电压）
    串联电路分压公式： Vout=Vin    (R10/(R11+R10))
    下偏电阻R10=33K，上偏电阻R11=10K
    总电阻43K，
    ADC_1的电压 = 4.2V*(33/43) = 3.22V
    处于3.3V这个极限的边缘

  2. 当电池没电的时候，降压到3.3V时，ADC_1的电压是多少？

Vin = 3.3V
ADC_1电压= 3.3V*（33/43）=2.53V
当单片机ADC电压调到2.5V左右，就相当于飞机快没电，需要降落，设计低电量保护/失控保护

飞控中，ESP32读到ADC_1的是数字，需要推算：
实际电池电压=ADC读出电压*（（10+33K）/33K）

  • ADC读出的电压 = 实际电池电压*（33/43）

  • 实际电池电压 = ADC读出的电压/（33/43）

  • ADC转换电压为数字，
    12位ADC，max为4095，
    -- ADC引脚物理电压= ADC原始读取值/4095 x参考电压（3.3V）
    -- ADC原始读数（如3995（ = ADC引脚的物理电压（3.22V）/量程（3.3V） * 4095

  1. C9（100nF）的作用是？
    电机转动的时候，电池电压（VBAT）会剧烈抖动，纹波大，C9充当硬件低通滤波器，小电容过滤高频噪声，平滑ADC引脚电压。帮助读取ADC电压值相对平稳。

  2. 单节锂电池的保护截止电压？

  • 满电最高电压4.2V
  • 标称电压3.7V
  • 保护截止电压 3.3V/3.2V

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3）电机驱动部分（MOS管）AO3416,N沟道MOS管

  1. ESP32的PWM信号不直接接电机，而是链接Q4？
    ESP32的GPIO引脚输出电流极小，无法驱动大安培的空心杯电机，用到MOS作为功率放大器。
    ESP32通过PWM信号控制MOS管开关频率来控制电池的大电流是否流过电机。

  2. 栅极电阻R7 （47Ω）的作用？
    保护MOS管，限流和缓冲，也能起到抑制PWM高频开关时产生的信号振铃（高频振荡）
    PWM信号快速切换时，瞬间给电容充放电的电流过大会烧坏ESP32的引脚，

  3. 下拉电阻R8（10KΩ）的作用？能不能省略？
    防止炸机。在ESP32刚商店时，程序还没有初始化的瞬间，GPIO处于悬空，电压会扰乱，加R8是给一个默认状态。
    不加会可能导致MOS管意外导通，会导致电机一上电就转。

  4. D4（B5819W肖特基二极管）和C3（100nF）的作用？
    D4是肖特基二极管（恢复时间极短且正向压降小），功能，续流，续流二极管。
    电机是线圈，断电瞬间会产生极高的反向电压尖峰，二极管反向并联在电机两端，平时不通电。
    而在高压产生时，二极管会瞬间导通，把高压短路泄放，保护MOS管。

线圈的特性：电感，电感规律：电流不能突变。
当MOS管突然关断时，原来流过电机的电流突然被掐断，但是线圈为了维持原来的电流，瞬间产生一个极高的反向电压，如果这个电压直接加在只能承受几V的MOS管上会击穿MOS管。

  • 烧坏过
  • 问：
    “为什么电机旁边要反向并联一个肖特基二极管？”

答：“因为空心杯电机是感性负载，内部是线圈。当驱动它的 MOS 管在 PWM 关断的瞬间，线圈电流不能突变，会产生极高的反向电动势（几十伏高压）。如果不加保护，这个高压会直接击穿 MOS 管。所以必须反向并联一个恢复时间极短的肖特基二极管（B5819W）。平时它反向截止，当高压产生时，它瞬间正向导通，形成一个内部泄放回路，保护 MOS 管不被烧毁。我也正是因为没注意这个管子，烧过一次 MOS 管，所以印象极其深刻。”

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  • 三极管（BJT）：电流控制
    需要一股小电流（基极电流Ib）去顶开阀门，才能有大水流（集电极电流Ic）。需要单片机持续输出电流来维持开启。费电。
  • MOS管（场效应管）：电压控制
    G（Gate）栅极：控制端
    D（Drain）漏极：接近电机一端
    S（Source）源极：接地GND
    类似静电开关。栅极（G）和源极（S）之间有一层绝缘膜，相当于小电容。只要给栅极加电压，就会形成一条导电沟道，开关就会打开，几乎不需要电流维持，只需要电压，省电。

4）补充点

  • I2C为什么要接上拉电阻？
    因为I2C它采用的是开漏结构，使用开漏输出模式，是总线结构。那就意味着一条SDA线上可能挂载这MPU6500、气压计、磁力计等多个设备，如果使用推挽输出，那当a想输出高电平，b想输出低电平，就会发生电压短路。
    而使用开漏，开漏输出只能往下拉，接地，不能往上推。所以无论多少个设备，只要有一个设备想拉低总线，总线就是低电平。只有所有设备都释放总线，上拉电阻才能把线拉到高电平。

而上拉电阻的阻值，通常4.7K或者10K，决定信号上升沿时间，阻值太大波形上升慢的话会导致告诉通信失败。

I2C采用开漏结构是为了实现线与逻辑，需要外加上拉电阻才有能力拉高电平。

  • 电机PWM频率是多少？
    代码中给MOS管发PWM波的频率
    空心杯电机的PWMM频率通常设置在20KHz到25kHz之间。
    低于20kHZ，电机线圈会产生人耳能够通道的尖锐啸叫声
    如果高于25KHz，MOS管的开关损耗会急剧上升，导致MOS管发热严重。

  • 板子如何防止掉电重启？
    在飞的时候，如果猛推油门，电机会瞬间抽走几个安培电流，电池电压会瞬间拉低。
    但是ESP32和MPU6500都需要文档3V#，掉电会死机，怎么防止？

  1. 硬件方面才有大电容储能，470uF的电解电容。
  2. LDO采用ME6118，低压差稳压芯片。普通稳压芯片要求输入电压笔输出高2v，但是电池最高4.2v，最低3v3，所必须采用LDO，它能够在输入电压低至3.4v时候依然可以稳定输出3.3v。
  3. 软件层面，在代码中加入软件看门狗（Watchdog），卡死自动复位单片机。

总结

飞控板分为四个部分

  • 供电与检测：
    电池3.7V输入，经过ME6118LDO降压3V3，输入输出配置470uF以及0.1uF大小电容滤波储能。同时10K和33K电阻分压，接入ESP32的ADC实现电量检测。

  • 姿态采集
    ESP32通过I2C总线与MPU6500通信，总线配置10K上拉电阻保证开漏输出的正常工作

  • 动力驱动
    ESP32的4路PWM信号经过47Ω限流电阻，驱动AO3416N沟道MOS管。同时配置10K下拉电阻防止上电失控

  • 抗干扰保护
    每个电机两端反向并联B5819W肖特基二极管，用于吸收感性负载关断时候产生的反向电动势，保护MOS管不会被击穿。

  • 摄像头工程续用

posted on 2026-11-02 20:12  Seeyu^-^  阅读(10)  评论(0)    收藏  举报

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