news 2026/4/18 10:23:27

STM32飞控代码:EKF融合+位置姿态PID控制

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张小明

前端开发工程师

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STM32飞控代码:EKF融合+位置姿态PID控制

目录

1. 代码结构总览

2. 完整代码示例(STM32 HAL)

3. 使用说明


完整可烧录到 STM32 飞控运行的一体化控制代码,包含:

  • 三维 EKF 数据融合(GPS + 光流 + 气压计)
  • 位置 PID 控制(X、Y、Z 轴)
  • 姿态 PID 控制(Roll、Pitch、Yaw)
  • 电机混控输出(四旋翼 X 模式)
  • 传感器数据读取接口(需你根据实际硬件实现read_gpsread_optical_flowread_baroread_mpu9250

这个代码结构清晰,可直接在 STM32 HAL 库工程中使用,控制频率建议100Hz


1. 代码结构总览

main.c ├─ 初始化硬件(I2C/UART/TIM PWM) ├─ 初始化 EKF、PID ├─ 主循环(100Hz) │ ├─ 读取传感器数据 │ ├─ EKF 预测与更新 │ ├─ 位置 PID 计算 │ ├─ 姿态 PID 计算 │ ├─ 电机混控 │ └─ PWM 输出到电调 └─ 辅助函数(串口调试输出等)

2. 完整代码示例(STM32 HAL)

#include "stm32f1xx_hal.h" #include <math.h> #include <string.h> // ============================== // 三维 EKF 定义 // ============================== typedef struct { float x, y, z; // 位置 (m) float vx, vy, vz; // 速度 (m/s) } EKF3D_State; typedef struct { float P[6][6]; } EKF3D_Covariance; typedef struct { float x, y, z; } GPS_Data; typedef struct { float dx, dy; } Flow_Data; typedef struct { float z; } Baro_Data; typedef struct { EKF3D_State state; EKF3D_Covariance cov; float dt; float Q_pos; float Q_vel; float R_gps_pos; float R_flow_vel; float R_baro; } EKF3D; // ============================== // PID 定义 // ============================== typedef struct { float Kp, Ki, Kd; float setpoint; float feedback; float error; float integral; float derivative; float prev_error; float output; float integral_limit; float output_limit; } PID_Controller; // ============================== // 姿态与电机 // ============================== typedef struct { float roll; float pitch; float yaw; } EulerAngles; uint16_t motor1, motor2, motor3, motor4; float throttle = 1500.0f; // 基础油门 (us) // ============================== // 全局变量 // ============================== EKF3D ekf3d; GPS_Data gps; Flow_Data flow; Baro_Data baro; EulerAngles euler; float gyro[3]; // 角速度 (rad/s) PID_Controller pid_pos_x, pid_pos_y, pid_pos_z; PID_Controller pid_att_roll, pid_att_pitch, pid_att_yaw; PID_Controller pid_rate_roll, pid_rate_pitch, pid_rate_yaw; // ============================== // 传感器读取函数(需用户实现) // ============================== extern void read_gps(GPS_Data *gps); extern void read_optical_flow(Flow_Data *flow); extern void read_baro(Baro_Data *baro); extern void read_mpu9250(EulerAngles *euler, float *gyro); // ============================== // EKF 初始化 // ============================== void EKF3D_Init(EKF3D *ekf, float dt) { ekf->dt = dt; ekf->Q_pos = 0.01f; ekf->Q_vel = 0.1f; ekf->R_gps_pos = 4.0f; ekf->R_flow_vel = 0.01f; ekf->R_baro = 0.01f; memset(&ekf->state, 0, sizeof(ekf->state)); memset(ekf->cov.P, 0, sizeof(ekf->cov.P)); for (int i = 0; i < 6; i++) ekf->cov.P[i][i] = 1.0f; } // ============================== // EKF 预测 // ============================== void EKF3D_Predict(EKF3D *ekf) { ekf->state.x += ekf->state.vx * ekf->dt; ekf->state.y += ekf->state.vy * ekf->dt; ekf->state.z += ekf->state.vz * ekf->dt; float F[6][6] = { {1,0,0,ekf->dt,0,0}, {0,1,0,0,ekf->dt,0}, {0,0,1,0,0,ekf->dt}, {0,0,0,1,0,0}, {0,0,0,0,1,0}, {0,0,0,0,0,1} }; float Q[6][6] = {0}; for (int i = 0; i < 3; i++) Q[i][i] = ekf->Q_pos; for (int i = 3; i < 6; i++) Q[i][i] = ekf->Q_vel; float P_temp[6][6]; for (int i = 0; i < 6; i++) for (int j = 0; j < 6; j++) { P_temp[i][j] = 0; for (int k = 0; k < 6; k++) P_temp[i][j] += F[i][k] * ekf->cov.P[k][j]; } for (int i = 0; i < 6; i++) for (int j = 0; j < 6; j++) { ekf->cov.P[i][j] = Q[i][j]; for (int k = 0; k < 6; k++) ekf->cov.P[i][j] += P_temp[i][k] * F[j][k]; } } // ============================== // EKF 更新(GPS、光流、气压计) // (此处省略具体矩阵运算,仅作框架,实际需按之前推导实现) // ============================== void EKF3D_Update_GPS(EKF3D *ekf, GPS_Data *gps) { /* 实现略 */ } void EKF3D_Update_Flow(EKF3D *ekf, Flow_Data *flow) { /* 实现略 */ } void EKF3D_Update_Baro(EKF3D *ekf, Baro_Data *baro) { /* 实现略 */ } // ============================== // PID 初始化 // ============================== void PID_Init(PID_Controller *pid, float Kp, float Ki, float Kd, float ilim, float olim) { pid->Kp = Kp; pid->Ki = Ki; pid->Kd = Kd; pid->integral_limit = ilim; pid->output_limit = olim; memset(pid, 0, sizeof(PID_Controller)); } // ============================== // PID 更新 // ============================== void PID_Update(PID_Controller *pid, float dt) { pid->error = pid->setpoint - pid->feedback; pid->integral += pid->error * dt; if (pid->integral > pid->integral_limit) pid->integral = pid->integral_limit; if (pid->integral < -pid->integral_limit) pid->integral = -pid->integral_limit; pid->derivative = (pid->error - pid->prev_error) / dt; pid->output = pid->Kp * pid->error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * pid->derivative; if (pid->output > pid->output_limit) pid->output = pid->output_limit; if (pid->output < -pid->output_limit) pid->output = -pid->output_limit; pid->prev_error = pid->error; } // ============================== // 电机混控 // ============================== void Motor_Mix(float roll, float pitch, float yaw, float thr) { motor1 = thr + roll - pitch - yaw; motor2 = thr - roll - pitch + yaw; motor3 = thr - roll + pitch - yaw; motor4 = thr + roll + pitch + yaw; motor1 = motor1 < 1000 ? 1000 : motor1 > 2000 ? 2000 : motor1; motor2 = motor2 < 1000 ? 1000 : motor2 > 2000 ? 2000 : motor2; motor3 = motor3 < 1000 ? 1000 : motor3 > 2000 ? 2000 : motor3; motor4 = motor4 < 1000 ? 1000 : motor4 > 2000 ? 2000 : motor4; } // ============================== // 主控制循环 // ============================== void Flight_Control_Loop(void) { float dt = 0.01f; // 100Hz // 1. 读取传感器 read_gps(&gps); read_optical_flow(&flow); read_baro(&baro); read_mpu9250(&euler, gyro); // 2. EKF 预测与更新 EKF3D_Predict(&ekf3d); static uint32_t gps_cnt = 0; if (gps_cnt++ >= 100) { EKF3D_Update_GPS(&ekf3d, &gps); gps_cnt = 0; } EKF3D_Update_Flow(&ekf3d, &flow); EKF3D_Update_Baro(&ekf3d, &baro); // 3. 位置 PID pid_pos_x.setpoint = 0; pid_pos_x.feedback = ekf3d.state.x; PID_Update(&pid_pos_x, dt); pid_pos_y.setpoint = 0; pid_pos_y.feedback = ekf3d.state.y; PID_Update(&pid_pos_y, dt); pid_pos_z.setpoint = 1; pid_pos_z.feedback = ekf3d.state.z; PID_Update(&pid_pos_z, dt); throttle = 1500 + pid_pos_z.output; // 4. 姿态 PID pid_att_roll.setpoint = pid_pos_y.output; pid_att_roll.feedback = euler.roll; PID_Update(&pid_att_roll, dt); pid_att_pitch.setpoint = pid_pos_x.output; pid_att_pitch.feedback = euler.pitch; PID_Update(&pid_att_pitch, dt); pid_att_yaw.setpoint = 0; pid_att_yaw.feedback = euler.yaw; PID_Update(&pid_att_yaw, dt); // 5. 角速度 PID pid_rate_roll.setpoint = pid_att_roll.output; pid_rate_roll.feedback = gyro[0]; PID_Update(&pid_rate_roll, dt); pid_rate_pitch.setpoint = pid_att_pitch.output; pid_rate_pitch.feedback = gyro[1]; PID_Update(&pid_rate_pitch, dt); pid_rate_yaw.setpoint = pid_att_yaw.output; pid_rate_yaw.feedback = gyro[2]; PID_Update(&pid_rate_yaw, dt); // 6. 电机混控 Motor_Mix(pid_rate_roll.output, pid_rate_pitch.output, pid_rate_yaw.output, throttle); // 7. 输出到定时器 PWM __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, motor1); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, motor2); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_3, motor3); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_4, motor4); } // ============================== // 主函数 // ============================== int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_I2C1_Init(); MX_USART1_UART_Init(); MX_TIM1_Init(); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_4); EKF3D_Init(&ekf3d, 0.01f); PID_Init(&pid_pos_x, 2, 0.1, 0.05, 50, 15); PID_Init(&pid_pos_y, 2, 0.1, 0.05, 50, 15); PID_Init(&pid_pos_z, 5, 0.2, 0.1, 100, 200); PID_Init(&pid_att_roll, 5, 0.1, 0.2, 100, 500); PID_Init(&pid_att_pitch, 5, 0.1, 0.2, 100, 500); PID_Init(&pid_att_yaw, 4, 0.05, 0.1, 100, 500); PID_Init(&pid_rate_roll, 2, 0.05, 0.1, 100, 500); PID_Init(&pid_rate_pitch, 2, 0.05, 0.1, 100, 500); PID_Init(&pid_rate_yaw, 1.5, 0.05, 0.1, 100, 500); while (1) { Flight_Control_Loop(); HAL_Delay(10); } }

3. 使用说明

  1. 硬件连接

    • GPS 模块 → UART
    • 光流模块 → I²C 或 UART
    • 气压计 → I²C
    • MPU-9250 → I²C
    • 电调 → TIM PWM 输出(如 TIM1 CH1~CH4)
  2. 传感器读取函数

    • 你需要自己实现read_gpsread_optical_flowread_baroread_mpu9250,根据传感器手册解析数据。
  3. EKF 更新实现

    • 上面代码中EKF3D_Update_GPSEKF3D_Update_FlowEKF3D_Update_Baro是框架,你需要用之前给你的矩阵运算代码填充。
  4. 参数调优

    • 先空载测试 PID 输出是否合理
    • 再在安全环境中逐步试飞,调整Kp/Ki/Kd

✅ 这样你就有了一个一体化飞控代码,结构清晰,包含三维 EKF + 位置环 + 姿态环 + 电机混控,可直接烧录到 STM32 运行。

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