2025.01 基于STM32F103C8T6实现无人机飞行控制仿真 项目成员 基于Keil C开发STM32F103C8T6飞控固件，实现基础飞行控制功能。 核心功能：设计双环PID姿态控制器（控制周期5ms），集成MPU6050传感器数据（I²C通信，卡尔曼滤波降噪）。 开发实现：编写PWM电机驱动（50Hz刷新率），构建串口调试协议，完成系统状态监测。 使逻辑清晰一些

<think>好的，用户想了解如何基于STM32F103C8T6使用Keil C开发无人机飞行控制系统，涉及双环PID姿态控制、MPU6050集成、卡尔曼滤波、PWM驱动和串口调试。首先需要明确整个系统的架构。根据引用[2]，飞控系统由硬件和软件组成，硬件包括传感器、控制器等，软件包括固件、算法等。 首先，硬件部分需要连接MPU6050，参考引用[1]和[3]，MPU6050通过I²C接口连接STM32，需要正确配置GPIO和上拉电阻。接着，软件部分需要初始化I²C通信，读取传感器数据，并进行卡尔曼滤波处理。 然后是双环PID控制器的设计，内环控制角速度，外环控制角度。需要实现PID算法，调整参数。PWM电机驱动部分需要配置定时器，生成PWM信号控制电机转速。同时，串口调试协议用于实时监控数据，便于调整参数。 可能还需要参考引用[4]的遥控器部分，确保通信模块如NRF24L01的集成。整个开发过程需要分模块进行，逐一实现并测试每个部分，确保系统稳定可靠。需要查阅STM32的HAL库或标准外设库，编写相应的驱动代码，并在Keil中进行编译调试。过程中要注意实时性和资源管理，确保飞控系统的响应速度。</think>### 基于 STM32F103C8T6 的无人机飞控开发指南 #### 一、系统架构设计 1. **硬件框架** - STM32F103C8T6 作为主控芯片，负责传感器数据融合、控制算法执行和电机驱动 - 六轴传感器 MPU6050 通过 I²C 接口连接主控（SCL/SDA 需上拉 4.7K 电阻）[^1][^3] - PWM 输出引脚连接电调，建议使用 TIM1/TIM2 高级定时器 - 系统框图示例： $$ \begin{array}{ccc} \text{传感器层} & \rightarrow & \text{主控制器} & \rightarrow & \text{执行层} \\ \text{MPU6050} & & \text{STM32F103} & & \text{电机驱动} \\ \text{气压计} & & \text{双环PID} & & \text{PWM输出} \\ \end{array} $$ #### 二、关键模块实现 2. **MPU6050 集成与滤波** - I²C 初始化代码示例（Keil C）： ```c void I2C_Init() { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; I2C_InitTypeDef I2C_InitStruct; // 使能时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE); // 配置 PB6(SCL), PB7(SDA) GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); // I²C 参数配置 I2C_InitStruct.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C; I2C_InitStruct.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2; I2C_InitStruct.I2C_OwnAddress1 = 0xA0; I2C_InitStruct.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable; I2C_InitStruct.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit; I2C_InitStruct.I2C_ClockSpeed = 400000; // 400kHz I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStruct); I2C_Cmd(I2C1, ENABLE); } ``` - 卡尔曼滤波实现步骤： 1) 初始化状态向量和协方差矩阵 2) 预测阶段：$$ \hat{x}_k^- = A\hat{x}_{k-1} $$ 3) 更新协方差：$$ P_k^- = AP_{k-1}A^T + Q $$ 4) 计算卡尔曼增益：$$ K_k = P_k^-H^T(HP_k^-H^T + R)^{-1} $$ 5) 状态更新：$$ \hat{x}_k = \hat{x}_k^- + K_k(z_k - H\hat{x}_k^-) $$ 6) 协方差更新：$$ P_k = (I - K_kH)P_k^- $$ 3. **双环 PID 控制器设计** - 控制结构： $$ \text{外环(角度环)} \rightarrow \text{内环(角速度环)} \rightarrow \text{电机输出} $$ - 离散 PID 实现公式： $$ u(k) = K_p e(k) + K_i \sum_{i=0}^k e(i)T + K_d \frac{e(k)-e(k-1)}{T} $$ - 代码框架： ```c typedef struct { float Kp, Ki, Kd; float integral; float prev_error; } PID_Controller; float PID_Update(PID_Controller* pid, float setpoint, float measurement, float dt) { float error = setpoint - measurement; pid->integral += error * dt; float derivative = (error - pid->prev_error) / dt; pid->prev_error = error; return pid->Kp*error + pid->Ki*pid->integral + pid->Kd*derivative; } ``` 4. **PWM 电机驱动** - 定时器配置要点： - 使用 PWM 模式 1（TIM_OCMode_PWM1） - 设置预分频器使 PWM 频率达到 200-400Hz - 占空比调节范围建议 5%-15%（对应电调校准范围） - 关键寄存器配置： ```c TIM_OCInitTypeDef OC_InitStruct; OC_InitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; OC_InitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; OC_InitStruct.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比 OC_InitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; TIM_OC1Init(TIM2, &OC_InitStruct); ``` #### 三、开发调试建议 1. **串口调试协议设计** - 建议采用二进制协议帧结构： ``` [头标志 0xAA][数据类型][数据长度][数据域][校验和] ``` - 调试数据建议包含： - 原始传感器数据（加速度计、陀螺仪） - 滤波后姿态角（pitch/roll/yaw） - PID 输出值 - 电机 PWM 占空比 2. **系统集成步骤** - 阶段 1：传感器数据采集与滤波验证 - 阶段 2：单轴 PID 控制器调试（建议从俯仰角开始） - 阶段 3：四电机差速控制测试 - 阶段 4：全系统闭环飞行测试