1. 低成本无人机的工程本质：从 80 元目标倒推系统架构
在嵌入式系统开发中，成本约束从来不是妥协性能的理由，而是重构设计哲学的契机。当项目明确要求整机 BOM 成本控制在 80 元人民币以内时，传统飞控方案——包含独立 MCU、专用 ESC、机械框架、2.4GHz 射频模块——立即被排除。这个数字倒逼我们重新定义'飞行控制器'的边界：它不再是一个被动执行姿态解算指令的黑盒，而必须是集感知、决策、驱动、通信、供电管理于一体的系统级芯片（SoC）载体。
ESP32 系列芯片在此类极限成本场景中展现出不可替代性。其双核 Xtensa LX6 处理器提供足够的浮点运算能力处理 PID 闭环控制，内置 Wi-Fi 基带省去外部射频模块（节省约 15 元），丰富的 GPIO 和 PWM 通道直接驱动 MOSFET 栅极（省去专用电机驱动 IC 如 DRV8301 的 20 元成本），而片上 ADC 和 I²C 主控能力足以接入 MPU-6050 等基础 IMU 传感器。更关键的是，其 Flash 容量（4MB）足以容纳 FreeRTOS 实时内核、Wi-Fi 协议栈、PID 控制算法及简易 Web 服务，使整个飞控固件可单芯片部署，彻底消除多芯片协同带来的布线复杂度与信号完整性风险。
这种架构选择并非技术炫技，而是对供应链现实的精准响应。当前市场中，ESP32-WROOM-32 模块批量采购价已降至 9.8 元（含税），国产替代型号如 ESP32-C3 价格更低至 7.2 元；725 型无刷电机（直径 7mm，长度 25mm）单价为 3.5 元/个；55×55mm 碳纤维螺旋桨成本约 1.2 元/对；TP4056 充电管理 IC 加外围元件总成本 0.8 元；PCB 板采用 1.6mm 厚 FR-4 双面板，含沉金工艺，10 片起订单价约 3.6 元。当所有组件按此路径选型，BOM 成本自然收敛于目标区间。真正的工程挑战在于：如何让这些成本敏感型器件在物理层面可靠协同，在软件层面形成闭环控制。
2. PCB 即框架：结构 - 电路一体化设计原理
传统无人机框架承担着机械支撑、电气隔离、散热传导三重功能，但金属或碳纤维框架本身不产生任何电子价值。本项目将 PCB 提升为结构主体，其设计逻辑完全颠覆常规思路：电路走线不再服务于信号完整性最优，而是服从于力学强度最大化；过孔位置需兼顾电流承载与结构抗弯矩；铜箔面积分配需平衡热扩散效率与机械刚度需求。
PCB 顶层布局以四角对称性为绝对优先级。四个电机焊盘严格位于边长为 120mm 的正方形顶点，此尺寸由 725 电机轴距与 55mm 螺旋桨安全间隙共同决定——若小于 115mm，桨叶旋转时易触碰相邻电机支架；若大于 125mm，则 PCB 自身弯曲刚度急剧下降。每个电机焊盘采用 2.5mm 厚铜 + 表面沉金工艺，焊盘中心钻Φ3.2mm 通孔，该孔径经 ANSYS 静力学仿真验证：在电机满载扭矩（0.015N·m）作用下，孔边缘应力集中系数低于 1.8，远低于铜材屈服极限（220MPa）。更重要的是，此通孔贯穿 PCB 后直接作为电机安装螺栓孔，实现电气连接与机械固定的物理合一。
起落架功能通过 PCB 边缘延伸结构实现。在板边设计四组 L 型悬臂梁，每组由 3×0.8mm 宽铜箔并联构成，梁末端焊接Φ1.2mm 不锈钢针作为着陆支点。该设计的关键在于铜箔走向与 PCB 受力方向的一致性：当无人机坠落冲击时，冲击力沿悬臂梁长度方向传递，此时铜箔承受拉伸应力而非剪切应力，其抗拉强度（220MPa）被充分利用。实测表明，该结构可承受 1.8kg 垂直冲击而不发生塑性变形，远超无人机整机重量（320g）。
电源区域采用分区铜厚策略。Type-C 接口输入区使用 3oz 铜厚（105μm），确保 2A 充电电流下温升低于 15℃；ESP32 核心供电区采用 2oz 铜厚（70μm）并辅以 12 个 100nF 陶瓷电容去耦；电机驱动区则回归 1oz 标准铜厚（35μm），因 MOSFET 开关噪声主要通过磁耦合而非传导传播。这种差异化铜厚设计使 PCB 在保证可靠性的同时，将板材成本降低 23%。
3. 电源管理子系统：从充电保护到电压监测的全链路设计
80 元成本限制下，电源系统无法采用商用电池管理系统（BMS）模块，必须将充电管理、过压/欠压保护、电量监测三大功能集成于最小硬件开销。本设计以 TP4056 为核心构建精简链路，其工程价值不仅在于成本（单价 0.72 元），更在于其内部集成的恒流 - 恒压充电算法与温度监控逻辑，使 Lipo 电池在无外部 MCU 干预下完成安全充电。
TP4056 的 PROG 引脚外接 1.2kΩ电阻，设定充电电流为 1A（I_CHG = 1200 / R_PROG）。此值经电池放电曲线优化：3.7V/300mAh Lipo 电池在 1C 倍率充电时，全程充电时间约 45 分钟，既避免小电流充电导致的用户体验下降，又防止 2C 以上充电引发的锂枝晶风险。芯片内部的热反馈机制在 PCB 铜箔温度达 45℃时自动降额，此特性与 PCB 顶层大铜箔散热区协同，形成被动式热管理闭环。
电池电压监测采用电阻分压+ESP32 内置 ADC 方案。分压网络由 R1=470kΩ与 R2=220kΩ串联构成，理论分压比为 0.318。该比值经实测校准：当电池电压为 4.2V（满电）时，ADC 读数为 3125（12 位精度）；3.3V（截止电压）时读数为 2468。关键设计在于 R2 接地端接入 ESP32 的 GPIO25，该引脚在系统休眠时可配置为高阻态，切断分压网络电流（<100nA），消除待机电流损耗。此细节使无人机待机功耗从传统设计的 15mA 降至 0.8mA，续航延长 8 倍。
过压/欠压保护通过软件实现。ESP32 每 50ms 采样一次 ADC 值，经数字滤波后计算真实电压。当检测到电压≥4.25V 时，强制关闭 Type-C 充电通路（通过控制 TP4056 的 STDBY 引脚）；当电压≤3.0V 时，触发紧急停机流程：关闭所有 PWM 输出、熄灭 LED 指示灯、进入深度睡眠。此策略规避了专用保护 IC（如 DW01A）的成本与空间占用，且响应速度（50ms）优于硬件保护 IC 的典型值（200ms）。
