Les types de circuits imprimés utilisés dans les drones comprennent les contrôleurs de vol, les contrôleurs électroniques de vitesse, les cartes de distribution d’alimentation, les cartes de capteurs et de navigation, les cartes de communication ainsi que les cartes destinées aux caméras ou à d’autres charges utiles. Certains drones regroupent plusieurs de ces fonctions sur un même assemblage ; d’autres utilisent des modules séparés.
Chaque fonction impose des exigences différentes au circuit imprimé (PCB). Un contrôleur de vol a besoin de signaux de capteurs propres, tandis qu’un contrôleur de moteur doit gérer le courant de commutation et la chaleur. Comprendre ces différences aide l’équipe de conception à décider quelles fonctions intégrer et quelles informations transmettre au fabricant de circuits imprimés.
Points clés
- Le contrôle de vol, la commande des moteurs, l’alimentation, la détection, les communications et la commande des charges utiles sont des fonctions. Elles ne nécessitent pas forcément six cartes distinctes.
- La fonction d’un circuit imprimé et sa construction sont deux choix différents : un contrôleur de vol, par exemple, peut utiliser une carte rigide multicouche, tandis qu’une connexion de caméra peut utiliser un circuit flexible.
- Définissez les exigences de courant, de température, de mécanique, de signal et de test pour chaque assemblage avant de choisir les matériaux ou de demander un devis.
- L’inspection d’une carte ou d’une soudure ne remplace pas les essais fonctionnels et environnementaux de l’aéronef fini.
Dans ce guide : Fonctions des cartes | Construction des circuits imprimés | Cartes intégrées ou séparées | Liste de contrôle de fabrication | FAQ
Les circuits imprimés des drones en un coup d’œil
Le tableau classe les composants électroniques des drones selon leur fonction. Le nombre réel d’assemblages dépend de l’aéronef et du degré d’intégration des fonctions dans la conception.
| Carte ou fonction | Fonction principale | Point de conception à prendre en compte | Peut-elle être combinée ? |
|---|---|---|---|
| Contrôleur de vol | Lit les données des capteurs et émet des commandes de contrôle | Bruit des capteurs, vibrations, intégrité de l’alimentation | Souvent intégré à d’autres fonctions de commande ou d’alimentation |
| Contrôleur électronique de vitesse (ESC) | Commande un moteur électrique en réponse aux ordres reçus | Courant, bruit de commutation, chaleur | Peut partager un assemblage avec d’autres ESC ou des composants électroniques de commande |
| Distribution et surveillance de l’alimentation | Achemine et surveille l’alimentation électrique | Parcours de courant, chute de tension, protection | Peut faire partie d’un ESC ou de la carte principale |
| Navigation et capteurs | Fournit des mesures de position, de mouvement, d’altitude ou d’autres paramètres | Emplacement, interférences, vibrations | Les capteurs peuvent être intégrés à la carte ou installés sur des modules séparés |
| Radio et télémétrie | Transmet des signaux de commande, de données ou vidéo | Emplacement de l’antenne, conception RF, interférences | Certaines radios sont intégrées ; d’autres sont séparées |
| Commande de caméra, de nacelle ou de charge utile | Fait fonctionner l’équipement de mission | Interfaces, encombrement, chaleur, mouvement mécanique | Dépend de la charge utile et de l’aéronef |
Il s’agit des catégories fonctionnelles. Les termes. Des termes tels que rigide, flexible, rigide-flexible et interconnexion à haute densité (HDI) décrivent la construction ou le routage d’un circuit imprimé. Une même carte peut appartenir à une catégorie fonctionnelle et présenter simultanément plusieurs caractéristiques de construction.
Les principaux types de circuits imprimés utilisés dans les drones
Carte du contrôleur de vol
Le contrôleur de vol est le centre de commande de l’aéronef. Il reçoit des mesures telles que l’accélération et la vitesse angulaire, traite les commandes et envoie des sorties aux actionneurs. La documentation de PX4 sur les contrôleurs de vol décrit le contrôleur de vol comme le matériel du pilote automatique sur lequel s’exécute le micrologiciel PX4.
Un contrôleur peut intégrer un processeur, une centrale inertielle (IMU), un circuit de régulation de l’alimentation, de la mémoire et des connecteurs pour périphériques. Les composants exacts et le micrologiciel varient selon la plateforme. Les choix d’implantation doivent tenir compte de l’emplacement des capteurs, des vibrations, des interférences de commutation et de la stabilité de l’alimentation. Isoler un capteur sensible sur le plan mécanique ou électrique relève de la conception du système ; cela ne peut pas se réduire au choix d’un seul matériau pour le circuit imprimé.
Carte de contrôleur électronique de vitesse
Un contrôleur électronique de vitesse, ou ESC, régule la puissance transmise à un moteur électrique en réponse à une commande. Dans un multirotor, le système a besoin d’un canal de commande moteur par moteur, mais plusieurs canaux peuvent partager une même carte physique.
Un exemple concret est le concepteur de référence d’ESC pour drone TIDA-00643 de Texas Instruments, qui associe un microcontrôleur, un pilote de grille et des MOSFET pour entraîner un moteur sans balais. Son schéma et son routage sont propres à cette conception et ne constituent pas une spécification universelle.
L’ESC présente un problème d’implantation différent de celui du contrôleur de vol. Ses composants de commutation et ses chemins de courant produisent de la chaleur et du bruit électrique. La géométrie du cuivre, l’emplacement des composants, le chemin de retour et la dissipation thermique de l’ensemble influent tous sur la conception. L’épaisseur de cuivre et les dimensions des pistes nécessaires dépendent du courant, du rapport cyclique, de l’élévation de température, du refroidissement et du reste de l’empilement ; il n’existe pas de spécification universelle pour les ESC de drone.
Cartes de distribution de l’alimentation et de surveillance de la batterie
Une carte de distribution de l’alimentation achemine l’énergie de la batterie vers des charges telles que les contrôleurs de moteur et les circuits électroniques régulés. Un circuit de surveillance de l’alimentation peut mesurer la tension ou le courant et transmettre ces informations au contrôleur. Selon la batterie et l’architecture du produit, un système de gestion de batterie peut assurer des fonctions supplémentaires de surveillance ou de protection propres à la batterie. Ces termes désignent des fonctions apparentées, mais différentes.
La documentation de PX4 sur le système d’alimentation décrit des modules d’alimentation qui alimentent le contrôleur et surveillent la tension et le courant de la batterie. Il faut tenir compte à la fois du chemin de distribution et de l’alimentation régulée du contrôleur.
Pour le circuit imprimé, déterminez les charges normales et de pointe, les connecteurs, les besoins en protection, la chute de tension et la chaleur produite le long du chemin d’alimentation. Une carte compacte peut combiner la distribution d’alimentation avec les ESC ou le contrôle de vol. Cela peut réduire le nombre d’interconnexions, mais rapproche également les circuits de puissance des composants électroniques sensibles.
Cartes de navigation et de capteurs
Les capteurs renseignent l’aéronef sur ses mouvements et son environnement. Une IMU fournit généralement des mesures d’accélération et de vitesse angulaire. D’autres capteurs peuvent fournir des informations d’altitude ou de cap. Un récepteur de système mondial de navigation par satellite (GNSS) peut fournir des informations de position et de synchronisation lorsque le système dispose d’un signal satellite exploitable.
Certains capteurs sont montés sur l’ensemble du contrôleur de vol ; d’autres se trouvent sur des modules distincts. Leur emplacement compte : un capteur peut être affecté par les vibrations, la chaleur, le bruit électrique, les objets métalliques à proximité ou l’environnement physique qu’il est censé mesurer. Pour un module GNSS et boussole externe, les recommandations de montage de PX4 conseillent de le placer aussi loin que possible des câbles d’alimentation des moteurs et des ESC. Une carte de capteurs distincte peut offrir davantage de souplesse de placement, mais implique des choix concernant les connecteurs et le cheminement des câbles.
Cartes radio, de télémétrie et vidéo
Les circuits électroniques de communication transmettent des informations entre l’aéronef et d’autres équipements. Selon le drone, les liaisons peuvent acheminer les commandes de l’opérateur, la télémétrie, la vidéo ou plusieurs de ces fonctions. Un récepteur GNSS utilise également la radio, mais il reçoit les signaux de navigation par satellite ; il ne transmet pas les commandes du pilote.
La documentation de PX4 sur la télémétrie décrit les liaisons entre un véhicule et un logiciel de contrôle au sol ; les équipements et interfaces pris en charge varient selon le système.
Les performances RF dépendent de l’ensemble complet, notamment de l’antenne, de son emplacement, du boîtier, des conducteurs à proximité et du routage du circuit imprimé. Déterminez la fréquence, l’interface, la configuration de l’antenne et les exigences d’impédance avant de choisir un empilement. Un stratifié spécialisé peut être utile pour certaines conceptions, mais la seule présence d’une fonction radio ne permet pas de conclure qu’il est nécessaire.
Cartes de caméra, de nacelle, d’ordinateur auxiliaire et de charge utile
Une carte de caméra ou de nacelle prend en charge l’imagerie ou la stabilisation ; une autre carte de charge utile peut commander un capteur ou un dispositif propre à la mission. Certains aéronefs embarquent également un ordinateur auxiliaire pour des tâches de traitement distinctes de celles du contrôleur de vol. Ces cartes sont facultatives et dépendent de la fonction de l’aéronef.
Une nacelle mobile impose des contraintes mécaniques et d’interconnexion qui peuvent être absentes d’un contrôleur fixe. Les circuits flexibles peuvent faciliter la connexion de pièces mobiles ou regroupées dans un espace restreint, à condition que la géométrie de courbure, le renforcement et les mouvements prévus soient adaptés à l’application. Consultez le guide des circuits imprimés flexibles pour en savoir plus sur leur construction.
Quelle construction de circuit imprimé convient à chaque carte de drone ?
Choisissez la construction après avoir défini la fonction de la carte, ses exigences électriques, son intégration et son environnement. Les options suivantes sont des pistes de réflexion, et non des associations prescrites.
| Construction des circuits imprimés | Applications possibles | Avantage potentiel | Compromis à évaluer |
|---|---|---|---|
| Circuit multicouche rigide en FR-4 | Contrôle de vol, alimentation et autres ensembles fixes | Permet le montage des composants et le routage avec une construction courante | L’empilement, le cuivre et le montage mécanique doivent tout de même être examinés |
| PCB flexible | Interconnexions de caméra ou de capteur | Peut être acheminé dans des espaces restreints ou mobiles | Il faut tenir compte de la zone de courbure, du renforcement et de la durée de vie en mouvement |
| PCB rigide-flexible | Ensemble nécessitant des zones rigides reliées par une partie flexible | Permet d’intégrer des zones rigides et flexibles | L’empilement, la fabrication et les exigences de courbure doivent être examinés tôt |
| Technologies HDI | Contrôleurs denses ou modules compacts | Les détails fins et les microvias peuvent faciliter le routage des composants à forte densité | Impose des contraintes de fabrication et d’inspection supplémentaires |
| Construction spécialisée pour la RF ou la gestion thermique | Ensemble radio ou de puissance dont les besoins en matériaux sont établis | Peut répondre à une exigence électrique ou thermique précise | Le coût, les options de fabrication et les avantages réels dépendent de la conception |
Pour les connexions flexibles, distinguez un circuit plié pendant l’installation d’un circuit qui se plie de façon répétée en fonctionnement. La présentation d’Altium sur les circuits flexibles statiques et dynamiques explique comment les flexions répétées imposent des exigences différentes aux conducteurs et à l’empilage.
Par exemple, un contrôleur de vol peut être à la fois rigide et HDI. Un ESC n’est pas automatiquement une carte à âme métallique, et une carte radio n’a pas automatiquement besoin d’un stratifié haute fréquence. Discutez des exigences en matière de charge, de pertes, d’espace et de fiabilité avec le fabricant avant de définir l’empilage. Découvrez la fabrication de circuits imprimés rigides-flexibles ou Fabrication de PCB HDI lorsque ces caractéristiques conviennent à la conception.
Cartes de drone intégrées ou modules séparés
L’intégration modifie les interfaces et la facilité d’entretien, ainsi que la disposition des cartes. Considérez deux architectures données à titre d’exemple ; aucune n’est basée sur une conception mesurée ni recommandée pour tous les drones.
Exemple A : assemblage compact intégré. Un petit aéronef regroupe son contrôleur de vol et plusieurs voies ESC sur une seule carte. La réduction du nombre de connexions entre cartes peut simplifier l’intégration. L’équipe doit aussi gérer la chaleur et le bruit de commutation à proximité du processeur et des capteurs. Une panne dans une section peut nécessiter le remplacement de l’ensemble intégré.
Exemple B : assemblages de commande et d’alimentation séparés. Un autre aéronef répartit le contrôleur de vol, les ESC, la distribution d’alimentation et l’électronique de charge utile sur des cartes distinctes. L’équipe peut positionner et remplacer les modules individuellement, mais doit concevoir et fixer davantage d’interconnexions. Chaque câble et connecteur doit avoir une interface électrique et mécanique définie.
| Décision | Assemblage intégré | Modules séparés |
|---|---|---|
| Emballage | Moins d’assemblages séparés ; disposition plus dense | Plus de liberté de positionnement ; davantage d’interconnexions |
| Conception électrique et thermique | Les circuits sensibles et de forte puissance peuvent être proches les uns des autres | Une séparation physique est possible, mais les câbles peuvent entraîner de nouvelles contraintes |
| Réparation ou remplacement | Une carte commune peut être remplacée en tant qu’unité | Un module individuel peut être remplaçable |
| Vérification | Tester les interactions sur la carte intégrée | Tester chaque module et ses interfaces dans le système |
Aucune approche n’est automatiquement plus légère, moins chère ou plus fiable. Comparez les assemblages complets, notamment les connecteurs, le câblage, les boîtiers, le refroidissement, la maintenance et les efforts de test.
Comment choisir et fabriquer un circuit imprimé pour drone
Une demande de fabrication utile décrit les exigences propres à la carte concernée, au lieu de demander un circuit imprimé générique pour drone. Préparez les éléments suivants avec l’équipe de conception et le fournisseur :
- Fonction et environnement. Précisez le rôle de l’assemblage, son mode de fixation, les vibrations prévues, l’exposition à la température et l’espace disponible.
- Charges électriques. Indiquez les tensions et courants de fonctionnement et de crête, le facteur de marche prévu, les signaux sensibles et toute exigence en matière de radiofréquences ou d’impédance contrôlée.
- Conception du circuit imprimé. Fournissez les fichiers de fabrication, les exigences relatives à l’empilage, les spécifications du cuivre, les dimensions, la finition, ainsi que toute contrainte de flexion ou mécanique. Demandez une revue de fabricabilité lorsque certains détails restent à préciser.
- Informations sur l’assemblage. Fournissez la nomenclature, les références de composants approuvées et leurs équivalents, les données de placement, les plans d’assemblage, la polarité et, le cas échéant, les exigences de programmation.
- Inspection et essais. Convenez des contrôles, des outillages, des procédures, des critères d’acceptation et de la documentation nécessaires au projet. Distinguez l’inspection du circuit imprimé et de son assemblage des essais de l’aéronef complet.
A Un fournisseur de circuits imprimés peut examiner les exigences relatives aux cartes nues, tandis que les services d’assemblage de circuits imprimés peuvent prendre en charge le placement des composants et les contrôles d’assemblage. Avant de passer commande, confirmez le procédé proposé et son adéquation à la conception concernée.
Erreurs courantes de conception et d’assemblage des circuits imprimés de drones
- Dimensionner les chemins d’alimentation sans tenir compte des conditions de fonctionnement. Indiquez le courant, sa durée, les limites de température, la géométrie du cuivre et les hypothèses de refroidissement, plutôt que de vous fier à une règle générique sur la largeur des pistes.
- Négliger les interactions entre les capteurs et l’alimentation. Examinez conjointement le placement des composants, les chemins de retour, la régulation de l’alimentation et la fixation mécanique afin que les charges bruyantes ne compromettent pas les mesures sensibles.
- Traiter le connecteur comme un détail secondaire. Vérifiez l’orientation, le maintien, le mouvement des câbles, l’accès pour l’assemblage et les contraintes transmises à la carte.
- Confondre inspection et qualification. L’inspection peut déceler des défauts de fabrication ; à elle seule, elle ne permet pas d’établir qu’un aéronef satisfait aux exigences fonctionnelles, environnementales ou réglementaires. Définissez les essais système nécessaires et leurs critères d’acceptation en fonction de l’utilisation prévue.
Questions fréquentes
Combien de cartes de circuits imprimés un drone possède-t-il ?
Il n’existe pas de nombre fixe. Un drone compact peut regrouper les fonctions de contrôle de vol, de commande des moteurs et d’alimentation sur un même ensemble, tandis qu’une autre conception utilise des modules séparés. Les configurations de caméra, de radio, de navigation et de charge utile varient également selon l’appareil.
Un contrôleur de vol et un ESC sont-ils la même carte ?
Ils remplissent des fonctions différentes. Un contrôleur de vol traite les mesures et les commandes pour piloter l’appareil ; un ESC commande un moteur. Il peut s’agir de cartes séparées ou de fonctions intégrées dans un même ensemble physique.
Les drones utilisent-ils des circuits imprimés flexibles ?
Certains, oui. Les circuits imprimés flexibles peuvent relier des composants dans des espaces restreints ou des ensembles mobiles, comme un mécanisme de caméra. Leur adéquation dépend de la géométrie de pliage, des mouvements, des matériaux et des conditions d’utilisation prévues. Un circuit flexible n’est pas nécessaire pour tous les drones.
Concevez la carte en fonction de sa mission
Commencez par définir les fonctions de l’appareil, puis décidez comment les répartir entre les différents ensembles. Définissez les exigences électriques, thermiques, mécaniques et de test de chaque carte avant d’en choisir la réalisation. Le fabricant disposera ainsi de suffisamment de contexte pour examiner la conception, et l’équipe produit pourra comparer les choix d’intégration à l’échelle du système complet, et non en se fondant uniquement sur la surface des circuits imprimés.
