四旋翼无人机项目

基于 STM32 的自主开发四旋翼无人机飞行控制系统，支持姿态自稳、气压计定高、无线遥控等功能。

项目演进

本项目共经历了三代硬件迭代，从使用开源固件到完全自主开发飞控软件：

版本	MCU	固件方案	状态
第一版	STM32H743VIT6	APM 开源固件	已完成
第二版	STM32H743VIT6	APM 开源固件	已完成
第三版	STM32F103C8T6	自主开发飞控	进行中

第一版 & 第二版 (开源固件方案)

MCU: STM32H743VIT6 (ARM Cortex-M7, 400MHz, 2MB Flash)
固件：APM (ArduPilot) 开源飞控固件
状态：已完成打板焊接，成功烧录 APM 固件并实现飞控链接
地面站界面：[APM 固件页面](Demo/APM 固件页面.png)

第三版 (自主开发方案)

MCU: STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3, 72MHz, 64KB Flash)
固件：自主开发飞控软件 (基于 FreeRTOS)
状态：PCB 已下单 (因春节假期尚未发货)，元器件已备齐，固件已编写完成待调试
设计思路：从使用开源固件转向自主开发，旨在深入理解飞控系统的核心算法，包括姿态解算、PID 控制、传感器融合等关键技术

硬件设计思路

分电板演进

第一版分电板

设计：rzt设计焊接和调试的，外部分电板同时给电调供电和经降压给飞控板供电
问题：
1. 尺寸和孔位与机架不匹配
2. 电调自带 BEC 输出，无需额外降压给飞控供电
实物图：

第二版分电板

改进：
- 移除降压电路，简化设计
- 1 个带线 XT60 接口输入，4 个卧式 XT60 接口输出
- 孔位与机架匹配
实物图：

飞控板演进

第一版飞控板

设计者：hqg 同学
板层：四层板
问题：
1. 部分接口和外设没有引出
2. 尺寸和孔位与机架不匹配
实物图 3D预览
设计图：

正面背面

第二版飞控板

设计者：本人
状态：焊接成功，成功烧录 APM 飞控固件
问题：
1. 单纯使用开源固件学不到核心技术
2. 难以适配自定义遥控器
3. 孔位与机架仍有 1mm 偏差
实物图：

实物图 3D预览
设计图：

正面背面

第三版飞控板

设计者：本人
MCU：改用 STM32F103C8T6，简化外设
改进：孔位和尺寸与机架完全适配
状态：PCB 已下单 (因春节假期尚未发货)，计划开学回校后焊接、烧录、调试
设计图：

正面背面

功能描述

核心功能

姿态自稳飞行：MPU6050 六轴传感器，四元数姿态解算
气压计定高：SPL06-001 高精度气压计，高度测量精度 ±0.5m
无线遥控：nRF24L01 2.4GHz 无线模块，ANO_DT 通讯协议
LED 状态指示：连接状态、飞行状态可视化
蜂鸣器提示：解锁、模式切换、失控报警音频反馈
电机控制：4 路 PWM 输出，支持好盈天行者 40A 电调

飞行模式

模式	说明	进入条件
IDLE	怠速/未解锁	上电默认状态
NORMAL	姿态自稳模式	解锁成功后进入
FIX_HEIGHT	定高模式	AUX1 < 1450 或 AUX1 > 1550
FAIL	失控保护	遥控器失联

解锁流程 (日本手 Mode 1)

油门摇杆推到最大 (≥1900) 保持 1 秒
油门摇杆拉到最小 (≤1100) 保持 1 秒
解锁完成，电机怠速旋转，蜂鸣器长鸣提示

遥控器校准

油门校准

油门 (右摇杆) 推到最下
长按校准按键直到灯光闪烁
重复一次

通道映射 (日本手 Mode 1)

通道	摇杆/按键	范围	说明
THR (油门)	右摇杆上下	1000-2000	控制飞行器高度
YAW (偏航)	右摇杆左右	1000-2000	控制飞行器旋转
PIT (俯仰)	左摇杆上下	1000-2000	控制飞行器前后
ROL (横滚)	左摇杆左右	1000-2000	控制飞行器左右

微调按键说明

按键	功能	说明
前按键	PIT +10	俯仰通道增加 10
后按键	PIT -10	俯仰通道减少 10
左按键	AUX1 +10	辅助通道 1 增加 10
右按键	AUX1 -10	辅助通道 1 减少 10

软件架构

系统架构

graph TB
    subgraph FreeRTOS["FreeRTOS 实时操作系统"]
        F["flight_task (6ms/优先级 3)
MPU6050 读取、姿态解算、PID 计算、电机输出"]
        C["com_task (6ms/优先级 2)
nRF24L01 接收、ANO_DT 协议、解锁逻辑、状态机"]
        L["led_task (100ms/优先级 1)
LED1/2 连接指示、LED3/4 状态指示"]
        B["baro_task (24ms/优先级 2)
SPL06-001 读取、高度计算、定高 PID"]
    end

目录结构

drone/
├── SoftWare/
│   ├── Flight_Control/       # 飞控固件 (STM32F103)
│   │   ├── Application/      # 应用层 (飞行控制、遥控接收)
│   │   ├── common/           # 通用算法 (PID、滤波、姿态解算)
│   │   ├── interface/        # 硬件驱动层 (电机、传感器、LED)
│   │   ├── Core/             # HAL 库
│   │   ├── FreeRTOS/         # 实时操作系统
│   │   └── doc/              # 技术文档
│   ├── Remoter_Control/      # 遥控器固件
│   ├── Test/                 # 测试程序
│   └── 开源飞控/             # 参考资料 (APM/Pixhawk)
├── Hardware/
│   ├── 第一版/               # 初版原理图/PCB
│   ├── 第二版/               # 当前版本
│   ├── 第三版/               # 改进版本
│   └── datasheet/            # 元器件数据手册
├── Demo/                     # 演示图片与视频
├── 机架/                     # 机架相关资料
└── Learning/                 # 学习资料

数据流

flowchart TD
    RC["遥控器 TX"] --> NRF["nRF24L01 RX"]
    NRF --> COM["com_task
解析 ANO_DT 协议"]
    COM --> RCDATA["rc_data 全局数据"]
    
    RCDATA --> FT["flight_task
6ms 周期"]
    RCDATA --> SM["状态机处理
解锁/模式"]
    RCDATA --> BT["baro_task
24ms 周期"]
    
    FT --> MPU["MPU6050 读取"]
    MPU --> QUAT["四元数姿态解算"]
    QUAT --> MIX["电机混合控制输出"]
    
    SM --> LED["LED/蜂鸣器指示"]
    
    BT --> SPL["SPL06 高度"]
    SPL --> HPID["定高 PID 输出"]
    
    QUAT --> MIX
    HPID --> MIX
    MIX --> PWM["TIMx PWM"]
    PWM --> ESC["电调"]
    ESC --> MOTOR["电机"]

任务说明

任务	周期	优先级	功能
flight_task	6ms	3	MPU6050 读取、姿态解算、PID 计算、电机输出
com_task	6ms	2	nRF24L01 接收、ANO_DT 协议解析、解锁逻辑、状态机
led_task	100ms	1	LED1/2 连接指示、LED3/4 状态指示
baro_task	24ms	2	SPL06-001 读取、高度计算、定高 PID

软件模块

模块	文件	功能
飞行控制	Application/App_flight.c	姿态解算、PID 控制、电机混合
遥控接收	Application/App_receive_data.c	nRF24L01 驱动、ANO_DT 协议、状态机
任务调度	Application/App_freeRTOS_Task.c	FreeRTOS 任务创建与调度
PID 算法	common/Com_pid.c	增量式 PID 控制器
滤波算法	common/Com_filter.c	低通滤波、卡尔曼滤波
姿态解算	common/Com_imu.c	四元数姿态解算
电机驱动	interface/Int_motor.c	TIMx PWM 输出、电调控制
传感器驱动	interface/Int_mpu6050.c, Int_spl06.c	I2C 传感器驱动
无线驱动	interface/Int_nRF24L01.c	SPI 无线模块驱动
指示驱动	interface/Int_led.c, Int_buzzer.c	LED、蜂鸣器控制

PID 参数

串级 PID 结构

飞控采用串级 PID控制，外环控制角度，内环控制角速度：

期望角度 → [角度 PID] → 期望角速度 → [角速度 PID] → 电机输出

当前参数配置

控制环	参数	kp	kd	说明
俯仰角	pitch_pid	-7.00	0.00	外环 - 角度控制
	gyro_y_pid	3.00	0.50	内环 - 角速度控制
横滚角	roll_pid	-7.00	0.00	外环 - 角度控制
	gyro_x_pid	3.00	0.50	内环 - 角速度控制
偏航角	yaw_pid	-3.00	0.00	外环 - 角度控制
	gyro_z_pid	-5.00	0.00	内环 - 角速度控制
定高	height_pid	-0.60	-0.20	气压计高度控制

参数调谐建议

先调内环（角速度环）：
- 逐步增大 kd 直到响应快速且无超调
- 如有静差可加入少量 ki
再调外环（角度环）：
- 逐步增大 kp 直到响应迅速
- 一般不需要 ki 和 kd
定高 PID：
- 先调 kp 使高度跟踪响应快速
- 加入 kd 抑制超调

注意：参数符号与电机混合控制公式相关，修改时需注意方向

状态切换

状态切换流程图

stateDiagram-v2
    [*] --> 上电
    上电 --> IDLE

    IDLE --> NORMAL: 解锁成功<br/>(油门最大 1 秒→最小 1 秒)<br/>长蜂鸣
    NORMAL --> IDLE: 失控恢复

    NORMAL --> FIX_HEIGHT: AUX1<1450 或>1550<br/>进入定高<br/>双蜂鸣
    FIX_HEIGHT --> NORMAL: 1450≤AUX1≤1550<br/>退出定高<br/>单短蜂鸣

    NORMAL --> FAIL: 失控<br/>(连续失联>300ms)
    FIX_HEIGHT --> FAIL: 失控<br/>(连续失联>300ms)
    FAIL --> IDLE: 系统重置

    note right of FAIL
        连续报警
        每 500ms 一次
    end note

状态切换条件

切换	条件	蜂鸣器反馈
IDLE → NORMAL	油门最大 (≥1900) 保持 1 秒 → 最小 (≤1100) 保持 1 秒	长蜂鸣 (500ms)
NORMAL → FIX_HEIGHT	AUX1 < 1450 或 AUX1 > 1550	双蜂鸣 (2×100ms)
FIX_HEIGHT → NORMAL	1450 ≤ AUX1 ≤ 1550	单短蜂鸣 (100ms)
ANY → FAIL	遥控器连续失联超过 300ms	连续报警 (每 500ms 一次)
FAIL → IDLE	系统重置	无

硬件配置

飞控板

组件	型号	说明
MCU	STM32F103C8T6	ARM Cortex-M3, 72MHz, 64KB Flash
IMU	MPU6050	6 轴陀螺仪 + 加速度计，I2C1 接口
气压计	SPL06-001	高精度气压/温度传感器，I2C2 接口
无线	nRF24L01	2.4GHz 无线收发，SPI1 接口
电调	好盈天行者 40A	支持 2-6S 锂电池，PWM 信号控制

电机布局 (X 型四旋翼)

flowchart TB
    subgraph 机架 ["X 型四旋翼布局"]
        direction TB
        M1["M1 左上前 - TIM3_CH1 (PA6) - 逆时针 CCW"]
        M3["M3 右上前 - TIM2_CH2 (PA1) - 顺时针 CW"]
        M2["M2 左下前 - TIM4_CH4 (PB9) - 顺时针 CW"]
        M4["M4 右下前 - TIM1_CH3 (PA8) - 逆时针 CCW"]
    end
    
    Front[前方] -.-> M1
    Front -.-> M3
    M1 --- M2
    M3 --- M4

机架

LJI X500-X4机架

动力系统

组件	型号	参数
电机	朗宇2212 无刷电机	920KV, 1000W 最大功率
电调	好盈天行者 30A	2-6S LiPo, 持续 30A
螺旋桨	1147 桨	正反桨配对
电池	3S LiPo	11.1V, 2200mAh, 25C

实物图展示

整机实物

启动演示

启动录像

机架展示

机架商品图	机架实物图

更多机架图片见 机架/商品图/ 和 机架/实物图/ 目录。

状态指示

LED 布局

flowchart LR
    subgraph 飞控板 ["飞控板 LED 布局"]
        direction TB
        subgraph 前部 ["前部 - 连接状态"]
            LED1[LED1]
            LED2[LED2]
        end
        subgraph 后部 ["后部 - 飞行状态"]
            LED3[LED3]
            LED4[LED4]
        end
    end
    
    Front[前方] -.-> 前部
    后部 -.-> Rear[后方]

状态表现

状态	LED1/2 (前)	LED3/4 (后)	蜂鸣器
IDLE	连接时常亮	慢闪 (500ms 周期)	无声
NORMAL	常亮	快闪 (200ms 周期)	解锁时长鸣
FIX_HEIGHT	常亮	常亮	进出时提示音
FAIL	熄灭	熄灭	连续报警

详细状态说明见系统状态说明

快速开始

首次上电

连接 3S 锂电池，蜂鸣器短鸣提示上电
观察 LED 状态，等待 LED1/2 常亮 (遥控器连接成功)
执行解锁流程 (油门最大 1 秒 → 最小 1 秒)
蜂鸣器长鸣表示解锁成功，电机怠速旋转

调试输出

通过 UART2 (PA2/PA3) 输出调试信息，波特率 115200：

================================
Flight Control System Started
================================
MCU: STM32F103C8T6 @ 72MHz
FreeRTOS Heap: 3072 bytes
Sensors: MPU6050 (I2C1), SPL06 (I2C2)
================================
Flight: UNLOCKED
Flight: FIX_HEIGHT, alt=12 m

技术文档

文档	说明
飞控系统 README	飞控固件详细说明
系统状态说明	状态切换逻辑和指示说明
ANO_DT 通讯协议	无线通讯协议文档

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Latest commit History 13 Commits
Demo		Demo
Hardware		Hardware
Learning		Learning
SoftWare		SoftWare
baoxiao		baoxiao
机架		机架
.gitignore		.gitignore
README.md		README.md

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解锁流程 (日本手 Mode 1)

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油门校准

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