LQ-4 四旋翼飞行器飞控系统

基于 STM32F407 + FreeRTOS 的四旋翼飞行器飞控固件。

硬件资源

主控芯片

• MCU: STM32F407ZGTx
• 系统时钟: 168 MHz

外设资源

外设	功能	引脚配置
I2C1	MPU6050_1	PF0, PF1
I2C2	MPU6050_2	PB10, PB11
UART2	GPS_M8N	PA2, PA3
UART3	PPM_MC6RE (SBUS)	PB10, PB11
CAN1	ESP_CAN	PA11, PA12
GPIO	RGB LED	PF3, PF4, PF5
TIM6	系统时基	-

主要外设

• 双 MPU6050: 陀螺仪 + 加速度计，用于姿态解算
• GPS_M8N: 全球定位系统，用于自主悬停
• PPM_MC6RE: SBUS 遥控接收机
• RGB LED: 系统状态指示
• CAN 总线: ESP32-CAM 通信

软件架构

开发环境

• IDE: Keil MDK-ARM
• CubeMX: 外设初始化配置
• HAL库: STM32F4xx HAL Drivers
• RTOS: FreeRTOS v10 (CMSIS-RTOS v2)

目录结构

LQ-4/
├── Core/               # 核心代码
│   ├── Inc/            # 头文件
│   └── Src/            # 源文件
├── Drivers/            # HAL 驱动和 CMSIS
├── Middlewares/        # FreeRTOS 中间件
├── User/               # 用户代码
│   ├── Inc/            # 用户头文件
│   └── Src/            # 用户源文件
├── MDK-ARM/            # Keil 工程文件
└── F407_hal.ioc        # CubeMX 配置文件

用户代码模块 (User/)

文件/模块	功能描述
mpu6050.c/h	MPU6050 驱动（双传感器）
ppm_mc6re.c/h	SBUS 遥控接收机驱动
gps_m8n.c/h	GPS NMEA 数据解析
RGB.c/h	RGB LED 控制（呼吸灯、颜色循环）
esp_can.c/h	CAN 总线通信（ESP32-CAM）
alg_filter.c/h	滤波算法（低通滤波、滑动窗口滤波）
alg_pose.c/h	姿态解算（四元数）
alg_pid.c/h	PID 控制（串级 PID）
config.c/h	系统配置和全局状态
utils.c/h	工具函数（映射、约束等）
drv_sd.c/h	SD 卡驱动
usb_cam.c/h	USB 相机驱动
app_control.c/h	控制应用
app_fly.c/h	飞行应用

FreeRTOS 任务

任务名称	优先级	栈大小	功能描述
SensorTask	High	512	500Hz 采样：读取双 MPU6050，IMU 融合，低通滤波
AttitudeTask	Normal	1024	姿态解算：四元数更新，释放 PID 任务信号量
PIDTask	Low7	1024	串级 PID：角度外环 + 角速度内环，计算电机输出
RCTask	Low6	512	遥控处理：解析 SBUS 数据，映射控制目标
HoverTask	Low5	1024	自主悬停：结合 GPS 和高度数据
GPSTask	Low4	1024	GPS 数据解析：NMEA 数据解析，更新位置
MonitorTask	Low	512	系统监控：看门狗喂狗，电压检测，日志记录
RGBTask	-	-	LED 指示：状态机驱动 RGB 显示
SDTask	Low3	2048	SD 卡存储：飞行数据日志
CamTask	-	-	相机控制
defaultTask	Normal	128	（保留，暂未使用）

互斥锁与信号量

互斥锁

• Mutex_Sensor: 保护原始 IMU 和融合后 IMU 数据
• Mutex_Attitude: 保护姿态数据
• Mutex_RC: 保护遥控数据
• Mutex_GPS: 保护 GPS 数据
• Mutex_System: 保护系统状态

信号量

• Sema_Sensor: I2C DMA 接收完成（触发 SensorTask）
• Sema_Attitude: 传感器数据就绪（触发 AttitudeTask）
• Sema_PID: 姿态数据就绪（触发 PIDTask）
• Sema_GPS: GPS 数据就绪（触发 HoverTask）

参数配置

需要调整的关键参数

主要在 config.c 中配置：

1. IMU 相关

#define IMU_DT     0.004f  // IMU 采样周期（秒）
LPF_Init(&ctrl.lpf_gyro[i], 0.15f);  // 陀螺仪滤波系数
LPF_Init(&ctrl.lpf_acc[i], 0.1f);    // 加速度计滤波系数
Pose_Init(&ctrl.pose, IMU_DT, 2.0f, 0.001f);  // 姿态解算参数

2. 串级 PID 参数

// 横滚/俯仰/偏航 三个轴的 PID
// 外环：角度 Kp/Ki/Kd
// 内环：角速度 Kp/Ki/Kd
// 输出限幅、积分限幅

3. 遥控相关

// 解锁/模式开关阈值
if (ch[CH_THR] < 0.05f) { arm = 0; }
if (ch[CH_AUX1] > 0.8f) { arm = 1; }

// 角度映射范围
ctrl.target_roll = Map_Float(ch[CH_ROL], 0.0f, 1.0f, -30.0f, 30.0f);

4. 双 IMU 融合权重

const float w1 = 0.6f;  // MPU6050_1 权重
const float w2 = 0.4f;  // MPU6050_2 权重

校准要求

• 陀螺仪: 需要初始化时静置校准
• 加速度计: 需要水平校准
• 遥控器: 需要设置中性位置和行程

编译与烧录

编译

1. 打开 MDK-ARM/F407_hal.uvprojx
2. 选择目标 F407_hal
3. 点击编译按钮或按 F7

烧录

• 支持 ST-LINK / J-Link 调试器
• 使用 Keil 的 Download 功能或外部工具

系统状态 LED

状态	RGB 显示
初始化中	白色闪烁
未解锁	红色
已解锁	绿色
自主悬停	蓝色
失控保护	红色闪烁
错误	红色快速闪烁

注意事项

1. 参数调整: PID 参数和滤波系数必须根据实际飞行器调整，默认值仅作参考
2. 安全飞行: 首次试飞前请充分测试，做好安全防护措施
3. 传感器校准: 使用前务必校准 MPU6050 和遥控器
4. SD 卡日志: 飞行数据会记录到 SD 卡，便于后续分析
5. ESP32-CAM: CAN 通信需要配套的固件

依赖项目

• STM32F4xx HAL Drivers
• FreeRTOS

许可证

本项目仅供学习和研究使用。

联系方式

如有问题或建议，请通过以下方式联系：

• 邮箱: 3393775272@qq.com