STM32 四轴飞行器 (Quadcopter Flight Controller)

基于 STM32F103C8T6 的四轴飞行器项目，包含飞控端和遥控器端，通过 NRF24L01 2.4GHz 无线通信，运行 FreeRTOS 实时系统。

项目结构

├── flight/                # 飞控端（STM32F103C8T6, FreeRTOS）
│   ├── Core/              # HAL 硬件抽象层 + FreeRTOS 任务入口（CubeMX 生成）
│   ├── Drivers/
│   │   ├── BSP/           # 板级驱动（传感器、电机、无线、OLED）
│   │   ├── COM/           # 计算模块（姿态解算、PID、滤波、光流、高度融合）
│   │   └── APP/           # 应用任务（飞控主循环、遥控接收、OLED 显示）
│   ├── freeRTOS/          # FreeRTOS V202212.01 内核源码
│   ├── MDK-ARM/           # Keil MDK 工程文件
│   └── flight.ioc         # CubeMX 项目配置
│
└── remote/                # 遥控器端（STM32F103C8T6, FreeRTOS）
    ├── Core/              # HAL 层 + FreeRTOS 入口
    ├── Drivers/BSP/       # 板级驱动（摇杆、按键、NRF24L01、MPU6050、OLED）
    ├── freeRTOS/          # FreeRTOS 内核
    ├── MDK-ARM/           # Keil MDK 工程文件
    └── remote.ioc         # CubeMX 项目配置

分层架构

APP  (应用层)   → flight_task / nrf24l01_task / led_task / oled_task / power_mgmt_task
COM  (计算层)   → 姿态解算(Mahony) / 串级PID / 数字滤波 / 光流处理 / 高度融合
BSP  (驱动层)   → MPU6050 / PMW3901 / SPA06 / VL53L1X / QMC5883P / NRF24L01 / Motor / OLED
Core (HAL层)    → CubeMX 生成（外设初始化、时钟树、FreeRTOS 配置）

硬件配置

主控

参数	值
MCU	STM32F103C8T6 (Cortex-M3)
主频	72MHz (HSE 8MHz × PLL 9)
Flash / SRAM	64KB / 20KB

传感器与模块

传感器	型号	接口	用途
六轴惯性	MPU6050	I2C2 (0x68)	姿态解算，陀螺仪 ±2000°/s，加计 ±2g，采样 500Hz
光流	PMW3901	SPI2	水平位移/速度，160 CPI
激光测距	VL53L1X	I2C2 (0x52)	低空定高，最远 4m，分辨率 1mm
气压计	SPA06 (DPS310)	I2C2 (0xEE)	气压定高，300~1200hPa，16 倍过采样
磁力计	QMC5883P	I2C2 (0x58)	航向修正，±8Gauss，200Hz
无线通信	NRF24L01	SPI1	2.4GHz，2Mbps，17 字节数据包
蓝牙串口	BlueSerial	USART2	调试输出（printf）
OLED 显示	SSD1306	I2C2 (0x78)	128×64，0.96 英寸，状态显示
电机	空心杯 ×4	TIM1/2/3/4	PWM 18kHz，X 型四旋翼布局

飞控功能

飞行模式

模式	说明
LOCKED	上电锁定，摇杆解锁后进入 IDLE
IDLE	已解锁，待命状态
NORMAL	正常飞行，光流自稳（水平位置保持）
FIX_HEIGHT	定高飞行（激光 + 气压计融合）
MANUAL	手动角度自稳，不使用光流
FAIL	通信超时 150ms → 自动停转，安全保护

控制算法

• 姿态解算：Mahony 互补滤波四元数法，融合 MPU6050 + QMC5883P，输出 Pitch/Roll/Yaw
• PID 控制：串级 PID（角度外环 P + 角速度内环 PD），控制周期 6ms
• 高度融合：VL53L1X 激光 + SPA06 气压计 + MPU6050 Z 轴加速度 → 互补滤波
• 光流定位：PMW3901 → 坐标映射 → 旋转补偿 → 高度补偿 → 物理速度
• 数字滤波：一阶低通、卡尔曼滤波、滑动窗口延迟线（传感器时序对齐）
• 积分抗饱和：输出饱和且误差同向时停止积分累积

FreeRTOS 任务

任务	优先级	周期	功能
nrf24l01_task	3 (最高)	6ms	NRF24L01 收发 + 飞行状态机 + 遥测回传
flight_task	2	6ms	姿态 → PID → 电机输出 → 光流/高度融合 → OLED 队列投递
led_task	1	6ms	LED 状态指示（通信 + 飞行状态）
oled_task	1	事件驱动	OLED 队列消费渲染，约 100ms 刷新
power_mgmt_task	1	10s/事件	电源管理，按键关机（双击）/ 维持供电（单击）

PID 参数

控制回路	Kp	Ki	Kd	输出限幅
俯仰/横滚角外环	7.0	0	0	±30 °/s
俯仰/横滚角内环	-3.0	0	-0.5	±200
偏航角内环	3.5	0	0	±100
高度位置外环	10.5	0.05	0	±2 m/s
垂直速度内环	35.0	5.0	3.0	±100 油门
光流速度环	-0.02	0	0.01	±15°

遥控器功能

• 摇杆 ADC 采集 + 按键检测（消抖）
• NRF24L01 发送遥控指令（6ms 周期）
• 接收遥测回传并 OLED 显示
• FreeRTOS 多任务

数据流

遥控器 →(NRF24L01)→ nrf24l01_task → remote_data_queue → flight_task → PID/电机
                                                          ↓
                      遥测回传 ← telemetry_queue ← 姿态/高度/电量

开发环境

• IDE：Keil MDK-ARM (UVision 5)，路径 D:\Keil5\UV4\UV4.exe
• HAL 库：STM32F1xx HAL Driver
• RTOS：FreeRTOS V202212.01
• 配置工具：STM32CubeMX
• 烧录：ST-Link

编译与烧录

1. 用 Keil MDK 打开 flight/MDK-ARM/ 或 remote/MDK-ARM/ 下的 .uvprojx 工程
2. 编译（Build）生成 .hex 文件
3. 通过 ST-Link 烧录到 STM32

注意事项

• Core/ 目录下的代码由 CubeMX 生成，不可手动修改（USER CODE 区域除外）
• 自定义代码全部写入 Drivers/ 独立文件
• 修改外设配置请在 CubeMX 中操作后重新生成