8、微型四轴二次开发 - XDU-Educational-UAV/Drone_Master_PID GitHub Wiki
8.1 MDK开发环境搭建
我们微型四轴源码工程是基于 MDK5 开发，下面我们先安装这个软件。MDK5 安装源文件在微型四轴资料中有提供，如下图 7.1.1 所示。
图 7.1.1 MDK 安装源文件目录
MDK 安装过程就不详细说明，安装前先看“安装过程.txt”。安装完 MDK 软件之后还需要安装芯片包（图 7.1.1 中.pack 文件），直接双击芯片包文件即可安装（先安装 MDK 软件）。所有都安装完成之后打开微型四轴源码工程如下图 7.1.2 所示。
图 7.1.2 源码工程示图
8.2 CubeMX开发环境搭建
STM32CubeMX 是STM32 芯片图形化配置工具， 允许用户使用图形化向导生成C 初始化代码，可以大大减轻开发工作，时间和费用。STM32CubeMX几乎覆盖了STM32 全系列芯片。
目前，ST公司已基于STM32CubeMX的基础上，融入eclipse开发生态环境，通过arm交叉编译器设计出新一代嵌入式开发IDE——STM32CubeIDE。
首先安装Java运行环境，双击JavaSetup8u151在线下载安装包，全部点击默认安装即可。（需要注意，STM32CubeMX的 Java 运行环境版本必须是 V1.7及以上，如果你的电脑安装过 V1.7以下版本，请先删掉后重新安装最新版本），然后安装STM32CubeMX，直接双击STM32CubeMX 安装包，默认安装在C盘，可以改变安装路径。安装之后打开该软件，接下来我们安装STM32 库，点击Help->Install New Libraries 或者按快捷键 ALT + U。这里我们推荐使用离线下载（在线下载速度较慢而且不支持断点续传功能），也可使用我们提供的STM32G030系列的库函数。注意：固件库的固件要与开发板的主控型号对应，否则无法使用。
8.3 固件下载
首先我们给下载器安装驱动。下载器驱动文件路径：“微型四轴资料\ST LINK驱动及教程\STLINK驱动”。驱动安装过程这里就不详细说明，安装完成后将 USB 线连接好下载器并插入电脑，然后打开设备管理器，在通用串行总线控制器中即可找到 ST-Link driver，如下图 7.2.1 所示。
图 7.2.1 下载器驱动
然后将下载器连接到四轴，下载器通过 4Pin 线连接到四轴，如下图 7.2.2 所示。
图 7.2.2 下载器连接图
然后打开程序源码。驱动安装完成之后，我来看看程序源码文件。程序源码目录树如下
图 7.2.3 程序源码目录树
编译固件并下载。解压 CubeMX_Code.zip 并打开程序工程，点击编译，等待编译完成再点击下载。操作步骤如下图 7.2.5 所示。下载完成后如图 7.2.6 所示。所有程序源码下载都可以按照此方法执行，这里就不重复。
图 7.2.4 固件下载操作步骤示图
图 7.2.5 程序下载完成示图
提示： 下载时，芯片必须是上电状态。
8.4 安卓地面站使用
我们微型四轴兼容了功能强大的MWC地面站，该软件路径：“微型四轴资料\匿名四轴上位机”。MWC地面站支持很多通信方式，这里我们使用的是蓝牙无线串口方式通信。下面介绍怎么使用匿名科创地面站查看飞控姿态，显示数据波形及 PID 调试。
第一步，打开四轴飞行器，使用杜邦线将USB-TTL串口连接至蓝牙无线传输模块，而后将USB-TTL无线串口模块连接至电脑端，在设备管理器中找到端口号。注意：使用遥控器和地面站通信时，只有四轴是开机状态才有数据上传。
第二步，打开软件选择串口通信
图 7.3.1 串口通信设置图
打开软件后点击左边一列图标的程序设置，即可显示程序设置界面，如图 7.3.1 所示。我们选择通信连接方式为 COM 方式，然后选择端口号，设置波特率为 500000，最后点击右下角的打开连接，即可通信。当有数据上传时，RX:显示接收到数据的个数。
第三步，查看飞控状态
图 7.3.2 飞控状态图
点击左边一列图标的飞控状态即可显示飞控状态界面，如图 7.3.2 所示。飞控状态显示主要包括当前四轴姿态（PIT\ROL\YAW）、接收机（遥控器控制数据）、电机输出（PWM）、传感器原始数据（ACC\GYR\MAG）、气压高度（单位cm）、电池电压。飞行模式和 GPS 信息功能未使用。
第四步，查看数据波形
图 7.3.3 数据波形图
点击左边一列图标的数据波形即可显示数据波形界面，如图 7.3.3 所示。首先选中我们要显示的数据，再点击飞控数据即可显示数据波形。
第五步，PID 调试
图 7.3.4 PID 调试图
点击左边一列图标的飞控设置即可显示飞控设置界面，如图 7.3.4 所示。飞控设置包括 PID 设置、飞行模式设置、传感器校准，这里我们只使用了 PID 设置的功能。读取飞控：读取四轴当前 PID 参数。写入飞控：将显示的所有 PID 参数写入到飞控。恢复默认值：将四轴 PID 参数恢复成出厂默认值。这里我们总共使用了 7 组 PID，分别是 roll 速率、pitch 速率、yaw 速率、roll 角度、pitch 角度、yaw 角度、高度位置。
注意：显示的 PID 数值是实际数值的 10 倍。由于地面站 PID 数据传输只能是 int16 类型不能浮点型，所以将实际数值乘以 10 再上传，同时写入时也除以了 10。
8.5 微型四轴 PID 调试
众所周知 PID 调试是四轴最难的一部分，也是最核心的一部分，PID 参数是否合理直接影响四轴飞行的效果。下面就介绍一下我们微型四轴的 PID 调试方法。
第一步，修改 G030 固件代码
图 7.4.1 PID控制函数示图
打开CubeMX_Code源码文件夹，打开MDK-ARM/CubeMX_Code.uvprojx工程文件，PID控制器的内外环函数位于Application/User文件夹下的Control.c，如上图所示。修改后编译固件并下载到四轴。
第二步，搭建四轴调试平台
图 7.4.2 MiniFly 四轴调试平台搭建示图
如上 7.4.2 所示，使用两条细绳一端拴住微型四轴用于固定电池的排针，另一端拴住椅子的两端扶手，并保证微型四轴可以 360 度旋转不会碰到椅子面。绳子拴住的排针最好是四轴中间位置的排针，排针不在机身中间，所以机身中间的排针不一定是排针中间的那一根。最好选择扶手较高的椅子，这样机身离椅子面足够的距离排风。注意：四轴开机后一直晃动陀螺仪是校准不通过的，需要使用物体卡住使其静止等待校准通过。
第三步，遥控器连接上位机
图 7.4.3 PID 初始设置示图
使用 USB 线将遥控器连接到上位机，点击右下角打开连接，然后并打开飞控设置，设置自稳 ROL 和自稳 PIT 的 P 为 10，点击写入飞控，上方会显示“PID 数据 6”发送成功，如图 7.4.3 所示。串级 PID 调试一般先调内环（速率环），所以先将外环（角度环）PID 的 P 设置为 1，I 和 D 设置为 0。注意：上位机显示是放大了 10 倍，后面的调试值均是上位机显示的值。
第四步，调内环 pitch 和 roll 的 P
设置遥控器为手动模式，然后解锁长按 KEY_R 键进入调试界面。按照第三步操作后，我们给内环 ROL 速率和 PIT 速率的 P 同时设置一个值，然后推动油门至 50 左右观察并记录现象。下面是测试我们不同 P 的值和对应的现象：
P = 10 时，四轴乱晃无法固定于某一个角度，用手轻轻干扰四轴会绕绳子旋转，说明 P 值太小，力度不够。
P = 100 时，四轴晃动幅度减小但还是无法固定于某一个角度，用手轻轻干扰四轴还会绕绳子旋转，说明 P 值还是太小，力度不够。
P = 1000 时，四轴已经不晃动了，用手轻轻干扰明显感觉有回复力，说明 P 值已经慢慢趋向理想值。
P = 5000 时，四轴机身晃动严重已经震荡，说明 P 值已经过大，由此可确定理想的 P 值应该在 1000~5000 范围内。
P = 2500 时，四轴不晃动并且能固定在某一个角度了，机身也不震荡，用手去干扰能感觉到明显的回复力。说明 P 值已经很接近理想值了。
P = 3500 时，四轴机身轻微晃动说明已经轻微震荡，用手去干扰能感觉到很强的回复力。说明 P 值已经稍大于理想值了。
P = 3200 时，四轴没有晃动，用手去干扰能感觉到很强的回复力并有点晃动。说明 P 值就是我们的理想值了，晃动问题后期可以通过加点 D 抑制。
第五步，调内环 pitch 和 roll 的 D
根据第四步内环 P 已经调节好，但如果四轴受到干扰则会震荡，说明稳定性不好，这时我们就需要通过加 D 来增强稳定性。按照第四步的操作方法，设置 P 值为 3200，,测试不同的 D 值对应的现象：
D=10 时，用手去干扰四轴，能感觉到很强的回复力并有点晃动，说明 D 值有点小，抑制不了干扰。
D=100 时，用手去干扰四轴，能感觉没有晃动了但四轴需要长时间才能回复到水平，说明 D 值太大了，抑制了 P 的调整。
D=50 时，用手去干扰四轴，能感觉没有晃动了四轴也能较快回复到水平，说明 D 值接近理想值了。
就这样我们暂时把 D 值调好了，因为后面整机试飞时可能还会调节 D 值，这里先不用精确调节至某一个值。
第六步，调外环 pitch 和 roll 的 P
内环调好了，下面我们开始调外环。外环的主要作用是控制四轴姿态响应快慢，下面我们测试不同的 P 值，观察四轴的响应速度。按照前面操作方法，我们测试 P 值和现象如下：
P=10 时，方向摇杆往前打到最大，发现四轴慢慢倾斜，最终达到设定角度。响应速度不够快，说明 P 太小了。
P=100 时，方向摇杆往前打到最大，四轴瞬间倾斜了达到设定角度，而且力量很大。说明 P 值太大了。
P=50 时，方向摇杆往前打到最大，四轴较快的达到设定角度，不是很快也不是很慢。
说明 P 值是我们理想值了。
第七步，调内环yaw 的 PID
调节内环 yaw 的 PID 前需将第一步注释掉的 ENABLE_PID_TUNING 宏定义重新注释回来，并且编译下载至四轴。然后设置 yaw 外环 P 为 10，内环 P 设定为某一个值，慢慢推油门让四轴起飞至水平，推油门摇杆时不要向左或向右打到航向角。飞至水平后，推油门至 50，然后用手轻轻向左边或向右拨动四轴，感受四轴的回复力，并且听电机的声音。下面是我们设置不同内环 P 的值时对应的现象：
当 P=10 时，四轴几乎没有回复力，受干扰后左右摆晃，电机声音差异不大。说明 P 值太小了，没有修正的回复力。
当 P=100 时，四轴有一点点回复力，受干扰后左右摆晃，电机声音差异不大。说明 P 值还是太小。
当 P=1000 时，四轴有明显的回复力，受干扰后不会摆晃，电机声音差异很大。说明 P 值接近理想值了。
当 P=5000 时，四轴有明显的回复力，受干扰后两个电机停止转动，电机声音差异非常大。说明 P 值已经太大了。
跟以上调试现象和经验我们最终选定 P 值为 1200，然后再逐渐添加一点了积分 I，没有添加 D。内环的反馈是陀螺仪，航向角也是由陀螺仪积分而得，陀螺仪在四轴飞行过程有高频干扰，高频干扰使得 D 具有相反作用，所以我们没有添加 D。
第八步，调外环 yaw 的 PID
调节外环 yaw 的 P 和调节外环 pitch\roll 的 P 方法一样，主要是调节四轴的受控制的响应速度。给外环 yaw 的 P 设定一个值然后推油门和航向角，感受四轴旋转的快慢。这里我们选定 P 的值为 100。
第九步，手动试飞
经过以上步骤调试，四轴基本可以手动飞行了，松开绳子测试手动飞行。飞行过程中如果在无风条件下发现四轴晃动说明内环 pitch 和 roll 的 P 值大了，这时可以通过减小 P 或增加 D 来抑制晃动。如果发现航向角受外力干扰不能快速回复到原本状态，这可能是内环 yaw 的 P 太小了，需要增加 P。如果发现飞行过程会慢慢自旋，说明 yaw 的 I 太大了，需要减小I 值。经过以上反复调试，我们最终确定我们 MiniFly 四轴 PID 参数如下图 7.4.4 所示：
图 7.4.4 微型四轴 PID 参数
第十步，调定高的 PID
定高 PID 调节是比较揪心的，调试过程我们按照正常的 PID 调试方法先调 P 再调 I 最后调节 D，反复调试发现根本行不通，四轴依旧很难定在一定高度范围内。后来经过分析，我们发现使用气压计定高，气压数据有很大的滞后性，并且四轴飞行过程垂直向下的风也会干扰气压读数。所以我们调试时不管怎么调节 P，出现的现象是要么慢慢的上升或慢慢的下降，要么快速上蹿下跳，根本不受控制。后来我们根据 PID 理论中 D 有抑制超调和干扰的作用，索性把 D 也先加上一点点，果然有效果，四轴上蹿下跳没那么厉害了。继续增加 D 四轴更加稳定了，当 D 增加到很大时，我们发现，推动油门四轴不怎么受控制了，说明 D 值太大了将 P 的作用都抑制了。反复调试后，我们最终选定 PID 的值为 210,0,600。
总结
PID 三项的的意义：P 是系统平衡的回复力； I 是消除误差，有辅助 P 的作用；D 是阻尼，抑制超调和干扰的作用。调试时一般先调节 P 找到临界震荡的 P 值，然后减小一点 P 值，增加 I 值消除静态误差，最后增加 D 值抑制干扰。要不要加 I 和 D 需根据实际情况而定。调试定高 PID 时，需要 P 和 D 同时调。PID 调试是比较繁琐的事情，需要耐心观察现象并分析原理。