從零開始學習四軸無人機開發(fā)詳解（文末附詳細資源鏈接）

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經常有同學給我留言說如何開始學習四軸無人機，我自己在校期間也是做無人車和四軸出身的，當然我的推動手段是靠比賽，這確實是個好方法，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。

首先是基礎知識的積累

下邊幾個原則上是必備的技能，但是初學也不必過分糾結先大致入個門就可以，不要因為細節(jié)放棄大目標。

C語言編程：熟悉基礎概念，結構體、指針和中斷處理這種就可以。

電路基礎：能讀懂原理圖，使用萬用表測量電壓/電流。

數學基礎：PID控制算法、四元數姿態(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

四軸因為要考慮重點和載荷的問題，和小車還不一樣，小車可以自己隨便DIY就可以，四軸的學習我建議一開始開始參考成熟的套件最好，這個某寶很多，基本都可以。后邊熟悉了可以找些免費的開源硬件資源自己打板焊接下，順便還學習了硬件，成就感爆棚！

四軸的硬件組成主要有以下部分：

單片機（MCU）：如STM32F411，負責數據處理和控制邏輯。

傳感器：MPU6050（陀螺儀+加速度計）。

電機和電調：常用的比如720空心杯電機。

遙控器和接收機：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的門檻，其實對于初學者直接先看成熟的源碼學習是個不錯的路徑，不過今天主要是分解下學習步驟，所以一步步分解下。

IDE：STM32CubeIDE（免費，集成HAL庫）

燒錄工具：ST-Link V2

代碼管理：Git（非常推薦學習下，源代碼管理神器）

第四步軟件算法學習

這步還是一樣，初學可以直接看成熟的項目拆解學習，不過本文還是說下主要的算法。

傳感器數據讀?。∕PU6050）

使用I2C協議讀取原始數據，并進行校準和濾波：

// 示例：讀取陀螺儀數據
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控制器實現

實現比例-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;
}

電機控制

通過PWM信號調節(jié)電機轉速：

// 設置電機PWM占空比（0-1000對應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);
}

第五步調試工具及手段

做電子類項目開發(fā)，一定要會調試，不然基本等于沒入門！

串口調試：使用串口調試工具查看傳感器打印數據，也可以用匿名調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信號波形，協議時序報文等，如果財力有效，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目資源：

Crazepony微型四軸

定位：面向大學生和創(chuàng)客的開源平臺，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，集成MPU6050姿態(tài)解算、PID控制算法，支持匿名上位機實時數據監(jiān)控。

亮點：提供完整的Matlab仿真模型，便于調試姿態(tài)融合算法。

應用：適合研究四元數解算和傳感器濾波技術

https://www.anotc.com/wiki/welcome

正點原子ATK-MiniFly系列

特點：完整開源硬件（原理圖、PCB）和軟件（FreeRTOS實時系統），支持光流定高、手機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。

學習資源：提供用戶手冊、固件源碼（V1.0-V1.4）、常見問題解答

http://www.openedv.com/docs/fouraxis-fly/minifly.html

國外的一些開源項目：

Betaflight

GitHub地址：https://github.com/betaflight/betaflight

特點：專注于競速無人機的高性能飛控，支持STM32系列MCU（如F4/F7）。

提供豐富的調參接口（PID、濾波器、電機映射等）。

內置黑匣子（數據記錄）和OSD（屏幕顯示）功能。

適用場景：競速、穿越機、FPV（第一視角飛行）。

學習資源：官方文檔詳細，社區(qū)活躍（Betaflight Discord群組）。

PX4 Autopilot

GitHub地址：https://github.com/PX4/PX4-Autopilot

特點：由Dronecode基金會維護，支持多旋翼、固定翼等多種無人機類型。

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）。

適用場景：科研、農業(yè)測繪、物流運輸。

亮點：與ROS（機器人操作系統）深度集成，適合開發(fā)復雜應用。

ArduPilot（這是我第一份工作參考學習的資料）

GitHub地址：https://github.com/ArduPilot/ardupilot

特點：歷史悠久的開源飛控，支持超過200種飛行平臺。

功能涵蓋自動起飛、航線飛行、自動返航等。

硬件兼容性廣（從STM32到Linux單板機）。

適用場景：教育、農業(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：使用Arduino Nano和空心杯電機，成本低于100元。

提供從焊接、調參到飛行的完整教程。

硬件清單：

電機：8520空心杯

傳感器：MPU6050

遙控：NRF24L01模塊

關于作者：我是Allen，持續(xù)更新職業(yè)規(guī)劃/技術科普/智能生活有關原創(chuàng)文章的知識博主。歡迎關注，也歡迎圍觀我的朋友圈感悟方法論分享~