芯耀
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大家好，我是專注分享職業(yè)規(guī)劃/技術(shù)科普/智能生活有關(guān)原創(chuàng)文章的allen康哥。
經(jīng)常有同學(xué)給我留言說如何開始學(xué)習(xí)四軸無人機(jī)，我自己在校期間也是做無人車和四軸出身的，當(dāng)然我的推動(dòng)手段是靠比賽，這確實(shí)是個(gè)好方法，不過這不是今天的主題，感興趣的話之后專門在寫。文末有提供的參考資源鏈接，歡迎自取。
首先是基礎(chǔ)知識(shí)的積累
下邊幾個(gè)原則上是必備的技能，但是初學(xué)也不必過分糾結(jié)先大致入個(gè)門就可以，不要因?yàn)榧?xì)節(jié)放棄大目標(biāo)。
C語言編程：熟悉基礎(chǔ)概念，結(jié)構(gòu)體、指針和中斷處理這種就可以。
電路基礎(chǔ)：能讀懂原理圖，使用萬用表測(cè)量電壓/電流。
數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：PID控制算法、四元數(shù)姿態(tài)解算，比較難理解，先泛泛了解。
第二步是了解四軸硬件組成
四軸因?yàn)橐紤]重點(diǎn)和載荷的問題，和小車還不一樣，小車可以自己隨便DIY就可以，四軸的學(xué)習(xí)我建議一開始開始參考成熟的套件最好，這個(gè)某寶很多，基本都可以。后邊熟悉了可以找些免費(fèi)的開源硬件資源自己打板焊接下，順便還學(xué)習(xí)了硬件，成就感爆棚！
四軸的硬件組成主要有以下部分：
單片機(jī)（MCU）：如STM32F411，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和控制邏輯。
電機(jī)和電調(diào)：常用的比如720空心杯電機(jī)。
遙控器和接收機(jī)：遙控器也可以基于STM32制作，無線連接使用2.4G比較常見。
電池和電源管理：2S-4S鋰電池（7.4V-14.8V），需配低噪聲穩(wěn)壓模塊（如LM2596）。
第三步軟件開發(fā)環(huán)境搭建
到了這一步是難住大部分同學(xué)的門檻，其實(shí)對(duì)于初學(xué)者直接先看成熟的源碼學(xué)習(xí)是個(gè)不錯(cuò)的路徑，不過今天主要是分解下學(xué)習(xí)步驟，所以一步步分解下。
IDE：STM32CubeIDE（免費(fèi)，集成HAL庫(kù)）
燒錄工具：ST-Link V2
代碼管理：Git（非常推薦學(xué)習(xí)下，源代碼管理神器）
第四步軟件算法學(xué)習(xí)
這步還是一樣，初學(xué)可以直接看成熟的項(xiàng)目拆解學(xué)習(xí)，不過本文還是說下主要的算法。
傳感器數(shù)據(jù)讀?。∕PU6050）
使用I2C協(xié)議讀取原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行校準(zhǔn)和濾波：
// 示例：讀取陀螺儀數(shù)據(jù)
void?MPU6050_ReadGyro(int16_t?*gx,?int16_t?*gy,?int16_t?*gz)?{
? ??uint8_t?buf[6];
? ? HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, MPU6050_ADDR, GYRO_XOUT_H_REG,?1, buf,?6,?100);
? ? *gx = (buf[0] <<?8) | buf[1];
? ? *gy = (buf[2] <<?8) | buf[3];
? ? *gz = (buf[4] <<?8) | buf[5];
}
PID控制器實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)比例-積分-微分控制算法：
typedef?struct?{
? ??float?Kp, Ki, Kd;
? ??float?integral;
? ??float?prev_error;
} PID;
float?PID_Update(PID *pid,?float?error,?float?dt)?{
? ? 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;
}
通過PWM信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速：
// 設(shè)置電機(jī)PWM占空比（0-1000對(duì)應(yīng)0%-100%）
void?Motor_SetSpeed(uint8_t?motor_id,?uint16_t?duty)?{
? ? TIM_OC_InitTypeDef pwm_config = {0};
? ? pwm_config.Pulse = duty;
? ? pwm_config.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
? ? HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &pwm_config, motor_id);
? ? HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, motor_id);
}
第五步調(diào)試工具及手段
做電子類項(xiàng)目開發(fā)，一定要會(huì)調(diào)試，不然基本等于沒入門！
串口調(diào)試：使用串口調(diào)試工具查看傳感器打印數(shù)據(jù)，也可以用匿名調(diào)試工具這種集成的四軸專業(yè)工具。
示波器：必備工具，可以檢查PWM信號(hào)波形，協(xié)議時(shí)序報(bào)文等，如果財(cái)力有效，可以買些低速率的開源硬件，也能先撐著用。
最后是一些可以借鑒參考的項(xiàng)目資源：
Crazepony微型四軸
定位：面向大學(xué)生和創(chuàng)客的開源平臺(tái)，主控采用STM32F103，支持二次開發(fā)。
資源：提供原理圖、飛控源碼（含PID調(diào)參示例）及3D打印模型文件
http://www.crazepony.com/
匿名飛控（ANOFly）
功能：基于STM32F4的飛控系統(tǒng)，集成MPU6050姿態(tài)解算、PID控制算法，支持匿名上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。
亮點(diǎn)：提供完整的Matlab仿真模型，便于調(diào)試姿態(tài)融合算法。
應(yīng)用：適合研究四元數(shù)解算和傳感器濾波技術(shù)
https://www.anotc.com/wiki/welcome
正點(diǎn)原子ATK-MiniFly系列
特點(diǎn)：完整開源硬件（原理圖、PCB）和軟件（FreeRTOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)），支持光流定高、手機(jī)APP遙控、4D空翻等特性。
硬件配置：STM32F4主控 + MPU9250/BMP280傳感器 + NRF24L01通信模塊，成本控制在300元以內(nèi)。
學(xué)習(xí)資源：提供用戶手冊(cè)、固件源碼（V1.0-V1.4）、常見問題解答
http://www.openedv.com/docs/fouraxis-fly/minifly.html
國(guó)外的一些開源項(xiàng)目：
Betaflight
GitHub地址：https://github.com/betaflight/betaflight
特點(diǎn)：專注于競(jìng)速無人機(jī)的高性能飛控，支持STM32系列MCU（如F4/F7）。
提供豐富的調(diào)參接口（PID、濾波器、電機(jī)映射等）。
內(nèi)置黑匣子（數(shù)據(jù)記錄）和OSD（屏幕顯示）功能。
適用場(chǎng)景：競(jìng)速、穿越機(jī)、FPV（第一視角飛行）。
學(xué)習(xí)資源：官方文檔詳細(xì)，社區(qū)活躍（Betaflight Discord群組）。
PX4 Autopilot
GitHub地址：https://github.com/PX4/PX4-Autopilot
特點(diǎn)：由Dronecode基金會(huì)維護(hù)，支持多旋翼、固定翼等多種無人機(jī)類型。
提供完整的自主飛行功能（路徑規(guī)劃、避障、RTK定位）。
兼容硬件：Pixhawk系列飛控（如Pixhawk 4, Cube Orange）。
適用場(chǎng)景：科研、農(nóng)業(yè)測(cè)繪、物流運(yùn)輸。
亮點(diǎn)：與ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）深度集成，適合開發(fā)復(fù)雜應(yīng)用。
ArduPilot（這是我第一份工作參考學(xué)習(xí)的資料）
GitHub地址：https://github.com/ArduPilot/ardupilot
特點(diǎn)：歷史悠久的開源飛控，支持超過200種飛行平臺(tái)。
功能涵蓋自動(dòng)起飛、航線飛行、自動(dòng)返航等。
硬件兼容性廣（從STM32到Linux單板機(jī)）。
適用場(chǎng)景：教育、農(nóng)業(yè)、航拍。
工具鏈：Mission Planner（地面站軟件）提供可視化控制。
MicroDrone（空心杯四軸）
教程鏈接：https://github.com/MicroDrone/MicroDrone
特點(diǎn)：使用Arduino Nano和空心杯電機(jī)，成本低于100元。
提供從焊接、調(diào)參到飛行的完整教程。
硬件清單：
電機(jī)：8520空心杯
傳感器：MPU6050
遙控：NRF24L01模塊
關(guān)于作者：我是Allen，持續(xù)更新職業(yè)規(guī)劃/技術(shù)科普/智能生活有關(guān)原創(chuàng)文章的知識(shí)博主。歡迎關(guān)注，也歡迎圍觀我的朋友圈感悟方法論分享~
