RocNaV：客製化LoRa（後期HC-12）與GPS追蹤電路板模組

設計之旅：飛行板的四次迭代

這塊板子不是一次性完成的。這過程經歷了四次完整的設計迭代——每一次都教出一堂塑造最終成果的課題。

迭代 1：ATmega328 PU（KiCad）— SRM-20 Wall

第一台飛行電腦是以 Kicad 中的 ATmega328 PU 微控制器設計的。理論上是穩固的。問題出在盧安達 FabLab 的 SRM-20 PCB 銑床上製造：

第一次嘗試：誤印反

向

>第二次嘗試：細間距晶片封面合併 — 線路融合而非分離

第三次嘗試：因床未調平而中途失敗

第四次嘗試：一次乾淨的列印——但立刻發現手工焊接ATmega的細間距焊盤

幾乎不可能

我們也沒有ATmega晶片現貨。是時候徹底重新思考晶片的選擇了。

>迭代2：ESP32-DEVKIT-V1（KiCad）— 可行但太大

切換到ESP32-DEVKIT-V1解決了製造問題。其體積較大且間距更廣，使銑削與手工焊接都更為真實。它還內建 Wi-Fi。該板由 KiCad 重新設計，成功列印並測試良好。

但當我們想把它安裝進火箭本體時，它裝不進去。這塊板子對我們現有的機體來說太寬了。現實世界的物理限制扼殺了原本可行的設計。

迭代3：RocNaV 3.3 — 首個 EasyEDA 版本（68mm × 62mm）

尺寸限制明確後，Lambert 和我一起用 EasyEDA 重建板子——特別因為它讓密集且協作的版面更方便。設計被大幅刪減。這個版本在68毫米×62毫米，能裝進我們的第一個火箭體體：一條內徑100毫米的PVC水管。

此版本成功測試測試。這是我們對設計端到端運作的驗證。

ESP32 機載天線下方的銅製接地平面已被清除。天線下方的銅線會產生電磁干擾，降低無線效能。此間隙可見於主板底部，對於飛行期間可靠的 LoRa 遙測至關重要。

迭代4：RocNaV 3.3 — 最終版本（52mm × 60mm）

第二枚火箭——75mm內徑紙板機身——板材需要進一步縮小。我們把它剪成52mm×60mm。這就是飛行的版本。

完整的航電堆疊——RocNaV 3.3、GPS模組、LoRa遙測、LiPo電池及次要Arduino控制器——安裝在雷射切割的木製航空電子雪橇上，並置於機身管內，並以泡棉墊緩衝發射震動。  dir="ltr">兩次發行都使用此板。第二次發射時，火箭發生了快速且未預定的拆解——原因在於引擎外殼因絕緣不良導致材料薄弱，而非電子系統故障。飛行電腦在兩次飛行中正確記錄了數據。

 

Project Function

RocNav 自主管理模型火箭的完整飛行序列——從發射偵測到遠地點再到著陸。它以完全可製造、開源且可在任何 FabLab PCB 工廠上組裝的替代方案取代市售飛行電腦。
 

主要功能：
 透過加速度計閾值偵測發射並開始資料記錄

利用氣壓感測器搭配滾動平均濾波器即時追蹤高度，以防止因壓力突升而產生誤觸發

當垂直速度超過零時偵測遠地點（峰值高度）及氣壓高度峰值

在整個飛行過程中將所有感測器資料（高度、加速度、方向、GPS座標）記錄到SD卡

在高度穩定

時監控下降並偵測著陸

測試備註： 

在兩次測試飛行中，引擎點火均透過序列監控器手動觸發。當加速度計記錄起飛時，飛行電腦的自主發射偵測隨即啟動。未來版本將整合完全自主點火序列。
 

應用場景：

業餘與高功率火箭

大學及高中航空航天工程專案

FabLab 基礎的航太教育課程

研究有效載荷需要低成本、客製化的航電

設備

Project Parameters

微控制器：ESP32-WROOM-32E（8MB 快閃記憶體）— 雙核心、Wi-Fi與藍牙

支援

IMU： MPU9250 — 9-DOF（3軸加速度計、3軸陀螺儀、3軸磁力計）透過I2C

高度計：BMP280氣壓感測器，透過I2C

GPS：陶瓷補丁天線 GPS 模組，透過 UART

遙測：LoRa 433MHz無線模組 — 即時數據下行至地面站

資料記錄：MicroSD卡經SPI（MOSI/MISO/SCK/CS）、CSV 格式

Pyro通道：2個獨立通道 — IGNITOR以及 PARACHUTE

伺服輸出：2 通道 — SERVO_X 和 SERVO_Y 用於主動尾翼或推力向量控制

電源：LiPo電池;穩定 3.3V（AMS1117-3.3）和 5V（LM1117-5V）軌道

程式介面：FTDI 序列標頭

使用者控制：板上啟動與重置按鈕

PCB尺寸（最終）：52mm × 60mm

管體相容性：設計為75mm內徑Airframe

遠地點偵測：雙重條件——氣壓峰值+垂直速度零穿越，並搭配滾動平均濾鏡

 

次級航空電子板備註： 整合照片顯示 Arduino 與 RocNaV 3.3 並列。此裝置被加裝為次要控制器，接收主板的降落傘展開信號並處理引擎點火。它是與 RocNaV 3.3 設計本身分開的元件。

 

原理分析（硬體描述）

RocNav 板由六個功能區塊組成：

1。電源管理 A LiPo 電池供電兩條獨立的穩定軌道——3.3V（AMS1117-3.3）供 ESP32 與數位感測器使用，5V（LM1117-5V）供伺服機與 LoRa 模組使用。兩軌上的解耦電容（4.7μF + 1μF）可確保在高電流事件如火燒時保持潔淨電力。

2. 飛行電腦（ESP32-WROOM-32E） ESP32 的雙核心架構允許感測器讀取與飛行邏輯在一核心運行，遙測傳輸則在另一核心執行。它透過 I2C（MPU9250、BMP280）和 UART（GPS、LoRa）與感測器通訊，管理 SPI 以記錄 SD 卡，並輸出 PWM 訊號以進行伺服控制。

3. 感測 MPU9250 透過 I2C 提供 9 自由度的慣性資料，用於發射偵測、方向追蹤及主動控制輸入。BMP280 提供氣壓高度——主要的遠地點偵測感測器。配備陶瓷貼片天線的GPS模組透過UART提供位置座標，用於遙測及飛行後地圖製作。

4. 遙測（LoRa） LoRa 433MHz 模組在飛行期間即時將飛行數據傳送至地面站接收器，實現實時高度、速度及狀態監控。

5. Pyro 通道 兩個獨立的 MOSFET 切換 Pyro 通道（IGNITOR 與 PARACHUTE）僅在確認發射後啟動，且無法在地面靜止點火。

6. 主動控制輸出 兩個PWM伺服輸出（SERVO_X與SERVO_Y）可實現主動鰭片偏轉或推力矢量控制——為未來閉環姿態控制奠定基礎。

7. 資料記錄 透過 SPI 儲存時間戳記、高度（原始及濾波）、加速度（X/Y/Z）、陀螺儀、磁力計、GPS 座標、伺服位置及飛行狀態，並以 CSV 格式記錄整個飛行過程。

 

Software

完整固件 in C/C++ （Arduino framework））.五態飛行狀態機：

IDLE     →感測器初始化，地面壓力基線計算<

p dir="ltr">發射 →加速超過閾值→記錄開始，Pyro Armed

COAST    → 檢測到燒毀，感測器追蹤持續

APOGEE   →氣壓峰值 + 垂直速度 零穿越→彈射炸藥點燃

DESCENT  →持續記錄直到高度穩定（著陸偵測）

 

原始碼： https://gitlab.fabcloud.org/Philemon/philemon-manzi/-/blob/main/public/assets/Final%20Project%3B%20RocNaV/Flight%20Control/Software/Esp32_flight_controller_v1.2/Esp32_flight_controller_v1.2.ino

 Libraries：

Wire.h — I2C 通訊（MPU9250，BMP280）

TinyGPS++.h — 解析來自 GPS 模組的 NMEA 資料

ESP32Servo.h — 伺服馬達控制

SD.h — SD 卡讀寫

SPI.h — SPI 匯流排通訊

LoRa.h — LoRa 無線遙測

 

安全備註

在你抵達發射場準備飛行前，切勿連接彈射裝置。在所有測試台測試中，使用LED或導通蜂鳴器代替火焰爆破。

啟動前請確認連續性。發射前確認準備就緒指示器。

遠地點偵測使用氣壓數據的滾動平均。在強風條件下，請在韌體中調整濾波器視窗大小，以避免誤觸發遠地點。  start="4">地面層級校正很重要。板子在啟動時的壓力是基準。在發射場、發射高度啟動，而不是在室內或移動中的車輛裡。

PCB銑削公差：使用0.4mm V位元進行線路，並用萬用表確認連續性後再焊接。Pyro 通道電路中一條斷線將阻止復原部署。

引擎隔熱至關重要。第二次試飛以機體故障告終，原因是引擎外殼絕緣不足，而非電子系統故障。飛行前務必確保引擎外殼有良好絕緣並符合推進劑燃燒溫度的額定。

 

Assembly Process

Mill PCB 使用 Roland MDX 提供的 Gerber 檔案（或送至製造廠）

檢查所有走線是否通通——在填充前修復任何斷裂<

p dir="ltr" aria-level="1">先焊接SMD元件（被動元件、IC）——從小到大<

p dir="ltr" aria-level="1">焊接穿孔元件（連接器、SD插座）

請在放大鏡下檢查所有焊點

工作台供電時開機——確認3.3V與5V導軌<

p dir="ltr" aria-level="1">透過FTDIFlash韌體 — 確認序列顯示器顯示感測器讀數

驗證 BMP280 高度是否符合你已知的高度（±10 公尺可接受）

Verify MPU9250顯示靜止時垂直軸 ~1.0G，陀螺儀接近零

驗證 LoRa 遙測 — 與地面站配對並確認資料包<

p dir="ltr" aria-level="1">用LED替換品測試兩個Pyro通道

測試SERVO_X與SERVO_Y輸出

雷射切割航電滑橇上的安裝板;防震泡棉墊

座椅滑橇插入車身管並確認合適後再關閉機身

在最終整合後對所有 pyro 通道執行連續性檢查

 

Finished Product

>照片1 RocNaV 3.3 板卡已開機並程式化，板子連接 FTDI 程式器。紅色LED顯示電力。ESP32-WROOM-32E 在中央可見。感測器、伺服機和火花通道周圍有連接器接頭。

照片2 天線間隙（底部）ESP32 內建天線下方的銅製接地平面被移除（「天線空間」）。若沒有這個間隙，銅線平面會干擾 LoRa 訊號品質。

照片3 ESP32-WROOM-32E晶片特寫 Espressif ESP32-WROOM-32E 顯示板載PCB天線（頂部有蛇形線路）。藍色標註標示天線區域，顯示主機PCB上需要銅線間隙。

照片4 雷射切割航空電子雪橇 圓柱形航空電子安裝座由盧安達工廠的雷射切割機製成。這個滑板將所有電子元件置於車身管內，本身是FabLab製造的零件，並非商業採購。

照片5 車身管：限制 75mm 內徑紙板車身管空。這種物理限制驅動了PCB設計中每一次微型化決策——電路板必須縮小到52mm×60mm才能安裝在這裡。

照片6 電池整合於熱熔膠 LiPo 電池內，並以熱熔膠固定於航電艙內，RocNaV 3.3 板顯示於上方，下方為泡棉襯墊。一種實用的現場組裝技術用於隔振。

照片7 航空電子艙與標籤 電子艙打開，顯示飛行電腦（RocNaV 3.3銅板）、泡棉墊片，以及堆疊在機身切口內的鋰聚合物電池。

照片8 火箭完全組裝完成機身：3D列印藍色鼻錐（降落傘艙）、黑色PVC機身管及航電艙區段，透過切口顯示電子設備。黃色降落傘繩索可見於機頭錐體——準備在遠地點彈射。

照片9  首次發射（100mm PVC 火箭） 首枚測試火箭從發射軌道升空。該機使用68毫米×62毫米的電路板，安裝在較大的100毫米PVC機身內——這是對電子設計的驗證飛行。

照片10  第二次發射（75毫米紙板火箭） 第二次發射，最後52毫米×60毫米板材置於75毫米紙板機身內。飛行最終因馬達外殼絕緣失效而迅速非預期拆解，而非電子系統故障。飛行電腦正確記錄資料直到訊號遺失。

照片11  飛行殘骸 T引擎外殼失效後，發動機支架部分的殘骸。3D 列印的鰭罐部分熔化。飛行電腦與航電設備分別回收。教訓：正確絕緣你的馬達外殼。

 

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