STM32F407 Quadcopter Flight Controller

基于 STM32F407 的四轴飞行器飞控系统，采用串级 PID 控制，支持 MPU6050 DMP 姿态解算、IBUS 遥控器协议、蓝牙无线调参。

大三实验室开放项目 | 自动化专业 | 独立开发（本项目使用江协科技提供的DMP库源码解算姿态角）

硬件平台

组件	型号
主控	STM32F407ZGT6（Cortex-M4, 168MHz）
IMU	MPU6050（6轴陀螺仪+加速度计，内置DMP）
遥控器	FlySky FS-i6（IBUS协议）
接收机	FS-iA6B
蓝牙模块	HC-05（串口透传，用于调参和数据监视）
电调	BLHeli_S 30A（PWM 500-2000us）
机架	X型 250mm 轴距

硬件使用 STM32F407ZGT6 开发板 + 杜邦线连接各外设模块。

功能特性

• 姿态解算：MPU6050 内置 DMP（Digital Motion Processor）输出欧拉角，500Hz 更新率
• 串级 PID 控制：
  • 外环（角度环）：100Hz，P 控制，将角度误差转换为角速度目标
  • 内环（角速度环）：200Hz，PID 控制（D on measurement），将角速度误差转换为电机输出
• 多级低通滤波：
  • MPU6050 内部 DLPF：42Hz（寄存器配置）
  • 陀螺仪二阶 Butterworth 低通滤波：35Hz 截止频率（biquad_filter.c）
  • 内环 D 项一阶低通滤波：截止约 20Hz@100Hz（PID 内部）
• Slew Rate 斜坡限制：限制角速度目标的变化率，避免阶跃冲击
• 故障保护：角度/角速度超限自动停转（failsafe）
• IBUS 遥控器协议：支持 FlySky FS-i6 14通道数据解析
• 蓝牙实时数据：通过串口 DMA 发送调试数据（12通道 CSV 格式），可用 SerialPlot 实时查看波形
• NRF24L01 无线通信：驱动代码已完成，仅需初始化即可使用（早期用于自制遥控器通信，因抗干扰问题已替换为富斯 IBUS 遥控系统）

控制架构

遥控器(IBUS) ──→ 角度外环PID(100Hz) ──→ Slew Rate限幅 ──→ 角速度内环PID(200Hz) ──→ 电机混控 ──→ PWM输出
                      ↑                                        ↑
                 DMP姿态角                          Butterworth低通(35Hz) + D项低通(20Hz)
                      ↑                                        ↑
                 MPU6050(DMP) ────────────────── MPU6050(原始陀螺仪数据)
                                                      ↑
                                                内部DLPF(42Hz)

PID 参数（当前版本）

回路	Kp	Ki	Kd	积分限幅	输出限幅
Pitch 角度外环	2.0	0	0	100	80
Pitch 角速度内环	0.4	0.08	0.003	100	160
Roll 角度外环	2.0	0	0	100	80
Roll 角速度内环	0.4	0.08	0.003	100	160
Yaw 角度外环	2.0	0	0	100	30
Yaw 角速度内环	0.8	0.15	0	100	100

目录结构

├── User/               # 用户代码（主程序入口）
│   ├── main.c          # 主循环、初始化、中断回调、校准
│   ├── main.h          # 全局宏定义、外环/内环频率配置
│   └── stm32f4xx_hal_msp.c  # HAL 外设 MSP 初始化
├── APP/                # 应用层模块
│   ├── control/        # 飞控核心（串级PID + 混控 + 故障保护）
│   ├── pid/            # PID 控制器（标准PID + D-on-measurement）
│   ├── mpu6050/        # MPU6050 驱动（I2C读写 + DMP接口 + 低通滤波）
│   │   ├── biquad_filter.c/h  # 二阶 Butterworth 低通滤波器
│   │   └── eMPL/       # InvenSense 官方 DMP 驱动库（江协科技提供）
│   ├── motor/          # 电机PWM输出（TIM5 四通道）
│   ├── ibus/           # FlySky IBUS 协议解析
│   ├── nrf24l01/       # NRF24L01 2.4G无线模块驱动（已完成，待集成）
│   ├── pwm/            # PWM初始化
│   ├── iic/            # 软件I2C驱动
│   ├── led/            # LED指示
│   ├── key/            # 按键输入
│   └── tim/            # 定时器初始化
├── Public/             # 公共驱动
│   ├── usart.c/h       # 串口驱动（USART1/3/6 + DMA）
│   ├── system.c/h      # 系统时钟配置
│   └── SysTick.c/h     # 系统滴答定时器
├── Libraries/          # STM32 标准外设库
│   ├── CMSIS/          # Cortex-M4 CMSIS
│   └── STM32F4xx_HAL_Driver/  # HAL 库
├── 姿态参数/           # PID调参时的姿态数据（CSV）
├── 新姿态参数/         # 优化代码后的新PID参数的调试数据（CSV）
└── tools/              # 调试工具（见 GitHub Releases）

编译和烧录

环境要求

• IDE: Keil MDK-ARM V5
• 编译器: Arm Compiler 5 或 6
• 调试器: ST-Link V2
• STM32 CubeMX: 用于 HAL 库配置（可选）

编译步骤

1. 用 Keil MDK 打开工程文件（Template.uvprojx）
2. 确认芯片型号为 STM32F407ZGTx
3. 点击 Build（F7）编译
4. 点击 Download（F8）烧录

串口连接

串口	引脚	用途
USART1	PA9(TX), PA10(RX)	printf 调试输出
USART3	PB10(TX), PB11(RX)	蓝牙/SerialPlot 数据发送
USART6	PC6(TX), PC7(RX)	IBUS 遥控器接收

调试工具下载

推荐使用以下工具进行飞控数据可视化与姿态监视（下载地址见 GitHub Releases）：

工具	版本	用途
SerialPlot	v0.12.0	CSV 实时波形查看，观察传感器及 PID 各环节数据
ANO_Tech 匿名四轴上位机	V2.6	3D 姿态可视化、虚拟仪表、飞控参数监视

也可从各自官网下载：SerialPlot 见 hackaday.io，匿名上位机见 淘宝/匿名科创社区。

调试数据格式

USART3 以 115200 波特率输出 CSV 格式的调试数据帧（20ms/帧），可用 SerialPlot 实时查看波形。

数据帧格式（12通道）

target_pitch, current_pitch, pitch_angle_error, pitch_rate_target_raw,
pitch_rate_target_out, current_pitch_rate, pitch_rate_p_out,
pitch_rate_output, motor_pitch_diff, throttle, d_out, i_out

通道	变量	说明	单位
1	target_pitch	遥控器目标角度	deg
2	current_pitch	当前实际角度	deg
3	pitch_angle_error	外环角度误差	deg
4	pitch_rate_target_raw	外环原始角速度输出	deg/s
5	pitch_rate_target_out	斜坡限幅后角速度目标	deg/s
6	current_pitch_rate	当前角速度（滤波后）	deg/s
7	pitch_rate_p_out	内环P项输出	-
8	pitch_rate_output	内环总输出	-
9	motor_pitch_diff	Pitch 差动值	PWM
10	throttle	油门	%
11	d_out	内环D项输出	-
12	i_out	内环I项输出	-

查看方法

1. 打开 SerialPlot
2. 选择对应的串口号，波特率 115200
3. 导入本项目 姿态参数/ 目录下的 CSV 文件作为参考
4. 设置通道数为12，分隔符为逗号

PID 调参记录

姿态参数/ 和 新姿态参数/ 目录下保存了完整的调参过程数据。文件命名规则：

[模式] [参数值].csv

例如：外环 Kp=2.0,内环 Kp=0.4,Kd=0.003,Ki=0.08.csv

这些数据记录了从最初 Kp=0.5 开始逐步调参到最终参数的全过程，可配合 SerialPlot 可视化分析。

已知问题和待改进

• 已完成地面测试（姿态跟随、电机响应），PID 参数可进一步优化，之后进行实际飞行测试
• 飞控上电后需要保持静止等待陀螺仪校准完成（约5秒）
• DMP 姿态角在剧烈机动时可能存在漂移，考虑引入互补滤波/扩展卡尔曼滤波
• I2C 通信缺少超时重试机制
• 仅实现了 Acro（Rate）模式和 Angle 模式，缺少定高、GPS 等高级功能

开发日志

• 2025年7月：搭建硬件平台，完成 MPU6050 驱动和 DMP 初始化
• 2025年8月：实现 IBUS 遥控器协议解析，PWM 电机驱动
• 2025年8-12月：串级 PID 控制器开发与调参，增加低通滤波和保护逻辑
• 2026年3-6月：蓝牙串口调试功能，大量调参测试（见姿态参数数据）
• 2026年6月：代码整理与优化，规范命名及注释，上传 GitHub 发布 v2.0

许可证

MIT License — 详见 LICENSE 文件。

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Author: 杨佳鑫 Contact: 2677177898@qq.com University: 西北民族大学 自动化专业 2023级