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L'uso di droni negli ultimi anni si è espansa a livello globale, spaziando dai soccorsi di emergenza e dalle ispezioni industriali alle riprese aeree dei consumatori e alla gestione dei parassiti agricoli. Come il "cervello e sistema nervoso" dei droniI PCB sono una parte essenziale che gestisce l'elaborazione dei dati, la regolazione dell'alimentazione, la trasmissione dei segnali e le connessioni di interfaccia per i vari sensori.
Questa guida fornisce un'introduzione dettagliata ai PCB per droni, compresa la composizione e la selezione dei materiali, il processo di produzione e la progettazione, nonché le modalità di esecuzione dei test di qualità.
Che cos'è un PCB per droni?
Il drone PCB è responsabile della supervisione del sottocircuito elettronico di ogni drone. Fornisce la struttura meccanica e l'interconnessione elettrica tra le parti fondamentali, quali:
- Controllori di volo
- Modulo GPS
- Regolatori elettronici di velocità (ESC)
- Trasmettitori/ricevitori radio
- Telecamere e cardanici
- Sensori (IMU, barometri, bussole, giroscopi)
- Scheda di distribuzione dell'alimentazione (PDB)
- Sistemi di gestione delle batterie (BMS)
Tipi di PCB nei droni
Volo Controllore PCB
La sua funzione è quella di controllare l'assetto di volo, regolare la stabilità e calcolare la navigazione, rendendolo l'equivalente del "cervello" di un drone.
Scheda di distribuzione dell'alimentazione
Garantisce la sicurezza del volo distribuendo uniformemente l'energia elettrica della batteria a ciascun motore e modulo elettronico.
Sensore PCB
Consente la percezione dell'ambiente e la localizzazione della posizione collegando moduli di percezione, tra cui telecamere, GPS e un'unità di misura inerziale (IMU).
Alta velocità PCB
Facilita la trasmissione rapida di video ad alta definizione (ad esempio 4K FPV) e di dati telemetrici, garantendo una latenza minima delle immagini e dei segnali di controllo.
Ibrido PCB
L'uso di una combinazione di pannelli rigidi e flessibili FR4 consente un fissaggio meccanico ad alta resistenza e soddisfa i requisiti di layout di piegatura strutturale.
Componenti importanti dei PCB dei droni
- Unità di elaborazione centrale: Questo modulo può essere considerato come il cervello del drone PCB, in quanto contiene un microcontrollore che svolge tutte le funzioni di calcolo e di decisione. Dispone di una serie di sensori che inviano tutte le informazioni percepite dall'ambiente circostante.
- Regolatori elettronici di velocità (ESC): I regolatori elettronici di velocità sono responsabili di monitoraggio e controllo della velocità del motore brushless mentre il drone vola. In un progetto complesso, i regolatori (ESC) sono fissati alla scheda principale e questo elimina le complessità di cablaggio e il peso.
- Unità di misura inerziale (IMU): L'IMU è dotato di accelerometri e giroscopi che aiutano a identificare il movimento e il posizionamento. Con l'ausilio di questi dati, i controllori di volo prendere decisioni critiche come il livellamento il drone mentre vola.
- Circuito di gestione dell'alimentazione: La scheda del drone è dotata di diversi circuiti di regolazione dell'alimentazione per stabilizzare il livello di tensione su tutti i sottosistemi. Hanno un Sistema di gestione della batteria (BMS) che comprende un convertitore buck o boost e filtri di condensatori.
- Modulo GPS: Questo modulo viene utilizzato per accedere alla posizione del drone in aree specifiche. Questa tecnologia è utile quando i droni devono raggiungere il punto di partenza in caso di batteria scarica al punto di atterraggio.
- Moduli di telemetria e comunicazione: Questi moduli sono destinati a trattare RF trasmissioni alle stazioni di terra o alle unità di controllo tramite protocolli come LoRa, Wi-Fi o sistemi a 2,4GHz/5,8GHz.
- Interfaccia telecamera e controllo gimbal: FPV (First Person View) droni o droni di registrazione richiedono hardware per la trasmissione video (come connettori a sfera o piatti, adattatori per telecamere e, occasionalmente, driver per motori cardanici).
Sfide e considerazioni sulla progettazione di PCB per droni
I circuiti stampati dei droni hanno una grande importanza per quanto riguarda le considerazioni sulla progettazione del drone. Alcuni di questi punti sono citati di seguito:
Peso Ottimizzazione
Le dimensioni di un drone sono un problema molto delicato da affrontare. I circuiti stampati devono anche essere leggeri e di dimensioni piuttosto ridotte senza compromettere alcuna funzionalità. Un circuito stampato correttamente ottimizzato consentirà ai droni di aumentare il carico utile o di effettuare voli più lunghi.
Strategie chiave:
- Interconnessione ad alta densità (HDI) e PCB rigido-flessibile: Sono comunemente utilizzati nei circuiti stampati per droni grazie ai loro vantaggi in termini di risparmio di spazio.
- Miniaturizzazione dei componenti: Ridurre le dimensioni della scheda senza sacrificare la funzionalità utilizzando i moduli integrati e più piccolo, montaggio in superficie componenti.
- Strato Ottimizzazione: L'adozione di strutture avanzate di impilamento può contribuire a ridurre lo spazio di percorso non necessario.
Integrità del segnale e controllo EMI
I segnali analogici e i segnali ad alta frequenza vengono elaborati nei circuiti stampati per droni. Può portare a interferenze elettromagnetiche (EMI) o la degradazione dei segnali a causa di un layout inadeguato. Il volo può diventare instabile o avere effetti sulla comunicazione. integrità del segnale problema.
- Multistrato PCB Design: Design PCB multistrato (in genere 4-8 strati), con alimentazione, segnale e piani di terra separati per ridurre al minimo le EMI e consentire una migliore gestione termica.
- Instradamento a impedenza controllata: Mantenere un'impedenza costante per le linee ad alta velocità per evitare riflessioni.
- Schermatura e filtraggio: Aggiungere schermi EMI sulle aree sensibili e applicare condensatori di filtraggio alle linee critiche.
- Instradamento delle coppie differenziali: Per i segnali della telecamera e del sensore, utilizzare coppie differenziali strettamente accoppiate per ridurre il rumore.
Gestione termica
Diversi componenti elettronici producono molto calore, ad esempio i regolatori di potenza, i regolatori di velocità elettrici.
- Viali termici: Collegare i pad che generano calore ai piani di rame interni per una migliore dissipazione del calore.
- Versamenti di rame e dissipatori di calore: Aumentare l'area di rame intorno ai componenti di potenza o aggiungere dissipatori di calore dedicati.
Affidabilità in ambienti difficili
I droni di solito devono operare all'aperto e quindi devono essere pronti a sopportare un certo livello di vibrazioni, umidità e variazioni di temperatura.
- I circuiti stampati del drone devono essere robusti e devono possedere rivestimenti conformali o TG.
- È necessario applicare del materiale smorzante nel foro di montaggio della scheda. È inoltre importante assicurarsi che i componenti siano saldati saldamente e che non vi siano giunzioni saldate a secco.
- I connettori devono essere basso, leggero e resistente a condizioni ambientali e vibrazioni estreme.
Instradamento ad alta velocità
I segnali della telecamera e del sensore sono delicati e devono essere instradati per garantire l'integrità del segnale. È necessario eseguire un instradamento e una corrispondenza di impedenza ottimali.
- Corrispondenza di impedenza: Mantenere un'impedenza precisa per le linee ad alta velocità per garantire la qualità del segnale.
- Percorso breve e diretto: Ridurre al minimo la lunghezza della traccia per i percorsi dati critici per ridurre la latenza e la perdita di segnale.
- Isolamento dal rumore: I sensori analogici sensibili devono essere elettricamente e fisicamente isolato da altre fonti di rumore come i circuiti digitali o di potenza.
Materiali e produzione di PCB per droni
Quando si progetta un circuito stampato per un drone, la scelta dei materiali e dei processi produttivi determina non solo le prestazioni elettriche del circuito stampato, ma anche il peso, la stabilità, la qualità del segnale e l'affidabilità del drone in ambienti difficili.
Materiali comuni
Grazie al suo basso costo e all'elevata resistenza meccanica, FR4 è ideale per i droni di fascia consumer.
Poliimmide (PI) I materiali sono spesso utilizzati per droni che richiedono layout flessibili o che operano in ambienti ad alta temperatura. Sono flessibili e possono resistere a temperature superiori a 250°C, il che li rende ideali per circuiti stampati (PCB) flessibili o rigidi.
Substrati metallici (a base di alluminio o di rame) hanno eccellenti prestazioni di dissipazione del calore, per cui questi substrati sono ampiamente utilizzati negli azionamenti dei motori e nelle LED moduli di illuminazione che richiedono una dissipazione del calore ad alta potenza.
| Tipo di materiale | Conduttività termica (W/m-K) | Temperatura di transizione vetrosa Tg (°C) | Costante dielettrica Dk (1GHz) | Assorbimento dell'acqua (%) | Livello di costo |
| FR4 | 0.3 - 0.4 | 130 - 170 | 4.2 - 4.8 | 0.1 - 0.2 | ★ |
| Poliimmide (PI) | 0.3 - 0.4 | >250 | 3.5 - 3.8 | 0.1 - 0.2 | ★★★ |
| Nucleo in alluminio | 1.0 - 2.0 | 130 - 170 | 4.0 - 4.5 | <0.1 | ★★ |
| Nucleo in rame | 2.0 - 3.0 | 130 - 170 | 4.0 - 4.5 | <0.1 | ★★★ |
| Composito in fibra di carbonio | 3.0 - 6.0 | 200 - 250 | 3.2 - 3.6 | <0.05 | ★★★★ |
Tecnologie di produzione
- HDI (PCB di interconnessione ad alta densità)
- Microvia e Sepolti/Viali ciechi
- ENIG (oro per immersione in nichel chimico)
- OSP (Conservanti organici della saldabilità)
- Argento per immersione
Come realizzare un PCB per drone a casa?
Se si vuole provare a realizzare il proprio PCB per droni, è possibile utilizzare Software di progettazione di PCB per ottenere un layout e personalizzare la scheda. Guardate questo video come riferimento:
Test e controllo di qualità dei PCB dei droni
Il circuito stampato di un drone deve essere sottoposto a test e verifiche in più fasi per garantire un funzionamento stabile e affidabile. Di seguito viene illustrato un processo di collaudo comune:
Test elettrici e funzionali preliminari
- Ispezione dell'aspetto e della qualità di saldatura
- Utilizzare un microscopio o AOI (ispezione ottica automatica) per verificare la qualità dei giunti di saldatura del PCB.
- Test di continuità elettrica e isolamento
- Per eseguire il test di continuità elettrica, utilizzare un tester o un dispositivo a sonda volante.
- Condotta test di resistenza all'isolamento per garantire che le prestazioni dell'isolamento soddisfino gli standard richiesti per le diverse reti.
- Test funzionali
- Verificare che il firmware della scheda di controllo di volo sia stato programmato correttamente e che funzioni normalmente.
- Verificare la stabilità dei dati acquisiti ed emessi dai vari sensori.
Test di integrità del segnale e prestazioni ad alta velocità
- Impedenza coerenza test
- Utilizzare un TDR (riflettometro nel dominio del tempo)) per verificare che l'impedenza delle tracce di segnale ad alta velocità soddisfi i requisiti di progetto.
- Controllare l'adattamento dell'impedenza delle coppie differenziali per evitare la riflessione e la distorsione del segnale ad alta velocità.
- Valutazione della qualità del segnale
- Utilizzare un oscilloscopio per analizzare la forma d'onda, il jitter e i diagrammi ad occhio dei segnali critici.
- Valutare la stabilità dei segnali in diverse condizioni di temperatura, umidità e alimentazione.
Test di durabilità ambientale e di resistenza strutturale
Questi test includono:
- Test di ciclismo termico
- Test di umidità e calore
- Test di urti e vibrazioni meccaniche
Simulazione di volo e verifica sul campo
Le simulazioni di volo sono condotte in sia in laboratorio che in ambienti esterni complessi per verificare la stabilità e le prestazioni di dissipazione del calore. In base ai risultati di questi test vengono apportati miglioramenti.
Applicazioni dei PCB per droni
| Tipo di applicazione del drone | Requisiti chiave dei PCB |
| Drone per l'irrorazione agricola | PCB che supporta driver motore multicanale e moduli di controllo spray di precisione. |
| Drone per ispezioni energetiche | PCB di elaborazione video ad alta velocità + modulo GPS per la trasmissione delle immagini in tempo reale. |
| Drone per consegne logistiche | Enfasi sulla gestione dell'energia e sulla resistenza alle vibrazioni per la sicurezza dei voli di lunga durata. |
| Drone per interventi di emergenza | È richiesta una resistenza estrema alle intemperie e una capacità di trasmissione delle immagini a bassa latenza. |
Conclusione
I PCB dei droni non sono solo il "sistema nervoso centrale" dei veicoli aerei senza pilota (UAV), ma anche una componente critico che garantisce le prestazioni e la sicurezza del volo. Con l'applicazione della comunicazione ad alta velocità, intelligenza artificialee la tecnologia dei nuovi materiali, la progettazione dei circuiti stampati dei droni diventerà sempre più intelligente, leggera e altamente integrata.
PCB ELE ha oltre un decennio di esperienza in Progettazione e produzione di PCB/PCBA e ha completato con successo numerosi progetti che riguardano i sistemi elettronici dei droni. Forniamo un servizio unico, dalla prototipazione alla produzione di massa, per garantire che il vostro velivolo sia stabile, efficiente e competitivo.
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FAQ
A1: La leggerezza consente al drone un tempo di volo più lungo e la capacità di manovra. I progetti devono essere compatti e il più possibile leggeri.
A2: I circuiti stampati dei droni possono avere 2, 4 o 8 strati a seconda del tipo di drone, come i droni commerciali o industriali più sofisticati che hanno piani separati per l'alta corrente, il segnale e la terra, riducendo al minimo le EMI e consentendo un layout più denso.
A3: La scheda di un drone è generalmente dotata di controllori di volo, regolatori di velocità elettrica, alimentatori come il PDB e i regolatori di tensione, connettori per le batterie, hardware di comunicazione e un'interfaccia per la fotocamera o il gimbal.
A4:
Il costo di un PCB per droni è determinato dal numero di strati, dai materiali e dalla complessità della scheda:
| Tipo | Specifiche tecniche | Fascia di prezzo (USD) |
| PCB rigido a 2 strati | 50×50 mm | $15-$30 |
| PCB FC a 4 strati | Media complessità | $60-$120 |
| 6 strati rigido-flessibile | Modulo di trasmissione video | $60-$120 |
| Scheda RF HDI | Applicazione del segnale ad alta velocità | $180-$300 |
Note chiave:
Sconto sui volumi: Il costo unitario diminuisce di 30-50% per ordini ≥500 pezzi.
Ottimizzazione dei costi: Implementare la progettazione della pannellatura e il controllo del numero di strati per ridurre ulteriormente le spese.
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