1 OLDX-开源多旋翼开发平台项目
OLDX多旋翼开发平台（OLDX-FC）是由北京理工大学自动化学院所属《北理云逸科技》团队开发的一个目前国内最完整的免费开源飞控项目，随着国内开源飞控的逐步发展如匿名、 INF、无名和ACFly飞控的陆续推出，如光流、气压计和GPS等相关算法已经逐步完善，但是相比Pixhawk等国外开源飞控平台的发展和定位仍然有发展空间。OLDX-FC于14年开始对多旋翼飞行器进行研究期间也经历过开源和借鉴的过程，为希望进一步推动国内开源飞控协作开发和 相互学习、相互分享的趋势，团队将该OLDX-FC转化为开源项目，采用自由捐赠的形式继续发展 [捐赠地址](https://user-gold-cdn.xitu.io/2019/1/26/1688aa1c3f3ecb53) 。 项目遵循GPL协议，能自由下载项目PCB进行加工使用但请勿作为商业用途，开源所有飞行控制和组合导航源码，可以进行修改和二次开发。
项目荣誉
| 项目 | 奖项 | 年份 |
|---|---|---|
| IMAV国际微小型无人机大赛 | 室外赛第3名 室内最佳自动化 | 2018 |
| 中航工业杯 | 三等奖 | 2018 |
| IMAV国际微小型无人机大赛 | 室外赛第5名 | 2017 |
| 中航工业杯 | 二等奖 | 2017 |
| 中航工业杯 | 三等奖 | 2016 |
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2 基本功能介绍
OLDX-FC是一个基于STM32F4系列单片机的多旋翼飞控平台，其采用双处理器、双IMU冗余的设计，飞行控制和组合导航分别运行与不同的单片机中基于串口DMA进行高速数据交互 板载两套6轴惯性传感器、1个三轴磁力计、1个气压计并支持外部罗盘接入。组合导航CPU采用UCosII嵌入式操作系统基于卡尔曼滤波算法实现对GPS、光流、UWB和气压计数据的可靠 融合，从而实现室内外可靠的悬停和航线飞行，姿态和高度控制采用自抗扰（ADRC）控制算法实现对外部扰动的可靠控制同时具有响应快、信 跟踪性能好的特点，通过对自抗扰算法 改进实现了基于飞行器轴距、姿态、航向和高度三通道感度和快速调参。飞控在内部封装SDK二次开发接口和部分Demo，能快速实现一键起飞降落，视觉降落，目标跟踪和自主避障， 另外预留多个扩接口能作为地面机器人、无人车和无人船的硬件载体。飞控源码移植了Mavlink航向设置源码能实现基于Qground和MissonPlanner的任意航点、高度和速度的设置， 基于匿名地面站能实现对飞控内部任意融合结果、传感器参数、控制反馈期望和状态信息的实时显示和参数调节，基于板载NRF2.4通讯芯片能与地面手持遥控实现最远900米 的数据交互，实时显示飞行器经纬度、姿态，并对任意参数进行在线设定和修改，免去室外参数调节需要携带电脑和平板的不便。
飞控特性：
*UCosII操作系统(正点原子)
*自抗扰姿态控制
*卡尔曼组合导航
*SDK快速开发
*Mavlink航线规划和匿名地面站快速调参
*移动遥控端状态显示和参数在线修改
*GPS导航、视觉导航、自动降落、光流图像定位
飞控性能演示视频连接：
SDK开发演示
室外GPS航线测绘和地面站航点设置
视觉固定目标降落
视觉移动小车降落
室内二维码地标阵列定位
室外光流悬停
室内气压计定高
3 PCB硬件参数
OLDX-FC硬件采用4层板设计，通过外部电源模块进行供电支持2S~4S电池供电，具有最大12路PWM输出4路AD信 输入，板载NRF2.4通讯芯片，预留6路串口1路CAN接口
硬件参数：
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| 处理器 | STM32F405RGT6-2 |
| 处理器性能 | 32Bit ARM Cortex-M4 168MH |
| 陀螺仪 加速度计 | ICM20602 + LSM6DS33 |
| 磁力计 | LIS3MDL |
| 气压计 | MS5611 |
| 预留接口 | GPS-1 串口-4 CAN-1 图像-1 |
| PWM 输出通道 | 8 通道PWM + 4 路AUX |
| 供电 | 5V输入 IO输出5V |
| 飞行器类型 | 四旋翼 六旋翼 八旋翼 共轴六旋翼 |
| 高度悬停精度 | ±0.02m（超声波） ±0.1m（气压计） |
| 位置悬停精度 | ±0.2m（GPS） ±0.1m（光流） |
飞控外壳：
提供飞控3D打印外壳STL文件，设计为气压计增加缓冲空间并设计了减震球底座。
4 软件说明
OLDX-FC基于C语言和Keil5进行开发，飞行控制部分基于匿名早期裸奔程序架构，采用状态机调度保证不同线程的运行周期， 对其姿态控制部分进行修改，采用SO3下的旋转矩阵求取外环控制误差，姿态内环采用改进ADRC控制器保证对给的角速度的 稳定跟踪；高度控制部分替换原始互补滤波融合算法采用扩展卡尔曼滤波器融合气压计和加速度计，同样使用ADRC控制器控制 高速速度环。位置方面通过串口数据接收组合导航模块解算机体速度和位置，采用位置+速度+加速度三环控制飞行器位置； 通讯方面在保留匿名上位机调参功能外增加2.4G无线通讯，可脱离遥控器采用体感进行飞行器控制，另外移植Mavlink通讯协议实现 与Qground和MissonPlanner地面站的通信，实现室外飞行器航点设置和轨迹显示；增加SDK二次开发接口，封装了多种常用函数，如 速度给定，位置移动给定，航向飞行，图像目标对准，图像目标跟踪，地标引导降落的多个子API，通过简单的流程书写既可以实现 复杂的智能导航、图像导航功能，十分适合于Demo研发、电子竞赛、无人机竞赛和DIY开发中。
组合导航模块基于UCOSII操作系统，基于UKF和KF算法完成GPS、UWB、光流与加速度传感器数据的融合，采用非线性AHRS算法实现 可靠的姿态解算和机体加速度解算，同时预留CAN总线接口方便后续外扩其他传感器数据。
飞行控制模块
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| 姿态解算 | 互补滤波(匿名) |
| 高度融合 | 扩展卡尔曼(PX4)/抗差卡尔曼 |
| 姿态控制 | SO(3)误差(PX4)+PD(角度)+ADRC(角速度) |
| 高度控制 | PD(高度)+ADRC(垂直速度) |
| 位置控制 | PD(高度)+PID(机体速度)+P(机体加速度) |
| 通讯接口 | 2.4G无线通讯(匿名+OLDX手持遥控器) 串口数传(匿名+Mavlink) |
| 控制方式 | 遥控器(PPM+SBUS) OLDX手持遥控器 SDK自主飞行 |
| 外部控制信 | 4路舵机输出 支持使用飞控姿态控制两轴舵机云台稳相和无刷云台目标跟踪(RobotMaster) |
| 地面站支持 | 匿名地面站(参数显示+波形显示+参数设置) Qground/MissionPlanner(位姿轨迹显示+航点写入) |
组合导航模块
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| 姿态解算 | 非线性AHRS/梯度下降/扩展卡尔曼/互补滤波(匿名) |
| 位置融合 | 抗差卡尔曼/无迹卡尔曼(AutoQuad) |
| 传感器接口 | GPS(NEO-8M 乐迪迷你)+UWB(INF)+光流(Pixflow/OLDX-AMF)+超声波(串口/PWM)+激光测距仪(VL53L0X) |
5 飞控使用教程
5.1 PCB接口说明
| 接口 | 说明 | 支持模块 |
|---|---|---|
| 飞控下载 | 飞控模块SWD下载口 | download_fc模块 C->SCLK D->SWD |
| 导航下载 | 导航模块SWD下载口 | download_stlink模块 |
| 导航串口1 | GPS和外部罗盘IIC接口 | 乐迪M8N Mini GPS C->SCL D->SDA |
| 导航串口5 | 光流传感器接口 | Pixflow OLDX-AMF |
| 导航串口3 | 超声波接口 | US100 (串口模式下T->T R->R) 北醒激光测距模块 |
| 导航串口4 | 预留传感器接口 | |
| 导航CAN | 预留CAN总线接口 | |
| 飞控串口3 | 图像处理接口 | 树莓派 Odroid-XU4 （图像处理器需自行供电） |
| 飞控串口1 | 数传接口 | 匿名数传 3DR数传 CUAV WIFI数传 |
| PWM1~8 | 电调接口 | 400Hz |
| AUX1~4 | 电调9~12/舵机控制接口 1俯仰 2横滚 3投递器开关 | 两轴舵机云台 两轴无刷云台 |
| AD1~4 | 模拟电压采集接口 | 压力传感器AD(0~3.3V) |
| SBUS | 接收机接口 | 天地飞接收机 Futaba接收机 |
| 舵机供电选择 | R39外部供电 R38飞控供电 （任选一） | |
| 供电 | 采用6P自锁双头端子线与供电模块连续 | power模块 +->DC B->蜂鸣器信 5->5V降压输入 |
OLDX飞控最少所需配置
| 模块组合 | 实现功能 |
|---|---|
| 飞控+Power模块 | 手动飞行/气压定高 |
| 飞控+Power模块+光流 | 手动飞行/气压定高/超声定高/光流悬停/SDK飞行 |
| 飞控+Power模块+GPS | 手动飞行/气压定高/GPS航线飞行/SDK飞行 |
| 飞控+Power模块+GPS/光流+树莓派/Odroid | 手动飞行/气压定高/GPS航线飞行/SDK飞行/图像导航/视觉降落 |
接线示意图
5.2 程序宏定义和飞控配置说明
5.2.1 遥控器通道
| 通道 | 功能 | 通道说明 |
|---|---|---|
| CH1 | 横滚通道 | |
| CH2 | 俯仰通道 | |
| CH3 | 油门通道 | |
| CH4 | 航向通道 | |
| CH5 | SDK模式使能 | 通道值<1500(关闭自动SDK飞行) 通道值>1500(使能自动SDK飞行) |
| CH6 | 返航和自动起飞 | 通道值<1500(打开AUX3口开关) 通道值>1500(关闭AUX3口开关) |
| CH7 | 位置模式 | 通道值<1500(手动) 通道值=1500(速度悬停) 通道值>1500(位置悬停) |
| CH8 | 高度模式 | 通道值<1500(超声波 气压计自动切换) 通道值=1500(气压计) 通道值>1500(手动) |
飞行器解锁上锁：外八遥控操作
飞行中关闭遥控器：自动返航/自动降落/电机急停
自动起飞和智能飞行：CH5>1500 CH6>1500 CH7>1500 CH8<1500 状态下外八解锁 并把油门置于中位(自主飞行中任意遥感不在中位均会进入自主飞行模式， 回复中位后继续执行当前任务。需要取消飞行则保证CH5<1500)
自主任务状态机重置：在飞行器执行自主任务后无论自动降落或者人工打断都需在着陆上锁后保证CH5<1500 CH7<1500
飞行中自动返航：无论在自主飞行或人工遥控飞行中 如果CH6通道值从大于1500切换到小于1500则进入失控策略，过程中可以通过人为遥控打断，并重新进行触发
陀螺仪校准：CH8<1500 时CH7从小于1500到大于1500 快速切换多次
磁力计校准：CH8>1500 时CH7从小于1500到大于1500 快速切换多次，进入模式后BB响持续发声，蓝色1s间隔闪烁
5.3 飞行器配置和控制参数调整说明
5.3.1 飞行器配置
（1）飞控模块include.h
| 宏定义 | 说明 |
|---|---|
| USE_OLDX_REMOTE | 使用OLDX手持遥控器代替传统遥控器 |
| AUTO_MISSION | 使能SDK飞行 |
| MAXMOTORS | 最大电机数量（4/6/8/12） |
| FLASH_USE_STM32 | 使用STM32内部EPRoom模拟Flash 使能则无法存储GPS航点 |
| YAW_INVER | 航向控制输出方向 用于电机转向与标准方向不对下的软件调整，不用重新安装电机 |
| YAW_FC | 不使用磁力计修正航向 |
| MAX_CTRL_ANGLE | 最大控制姿态角度 |
| MAX_CTRL_YAW_SPEED_RC | 最大控制航向角速度 |
| ESO_AI | 姿态控制内环ADRC b0参数（0表示不使用ADRC控制器） |
| ESO_YI | 航向控制内环ADRC b0参数（0表示不使用ADRC控制器） |
| HOLD_THR_PWM | 预设悬停油门 |
| DEBUG_MODE | 室内则封闭PWM输出，解锁后电机不转动可以作为室内Debug使用 |
| TUNING_ONE_AXIX | 使能则参数调节时仅针对一个轴 |
| TUNING_X/ TUNING_Z | 单轴调参目标 |
| USE_KF | 使用带估计加速度偏差的卡尔曼滤波器估计高度否则使用PX4提供的EKF高度估计算法 |
| USE_CARGO | 使用AUX3的舵机投递器 |
（2）飞控模块oldx_api.h
| 宏定义 | 说明 |
|---|---|
| LAND_SPD | 自动降落速度 |
| MAX_WAYP_Z | 最大航点高度限制 |
| WAY_POINT_DEAD1 | 航点达到判断死区 |
| LAND_CHECK_G | 着地检测重量加速度 |
| LAND_CHECK_TIME | 着地检测条件判断时间 |
| YAW_LIMIT_RATE | 旋转航向最大角速度限制 |
（3）导航模块include.h
| 宏定义 | 说明 |
|---|---|
| USE_UKF_FROM_AUTOQUAD | 使用Autoquad提供的UKF融合算法(存在Bug) |
| UKF_IN_ONE_THREAD | UKF融合时不使用UcosII系统 |
| USE_US100/ USE_KS103/ USE_LIDAR | 定高传感器数据选择 |
| SONAR_SAMPLE1/ SONAR_SAMPLE2/ SONAR_SAMPLE3 | 高度传感器数据采样频率 |
| USE_IMU_BACK_IO_AS_SONAR | 使用串口4采集高度传感器数据 |
| SONAR_USE_FLOW | 直接使用Pixflow传感器自带超声波高度数据 |
飞行器型 设置：
（1）采用如下宏定义定义你的飞行器
并在24~42行”唯一”定义该机型：
并在init.c 43行定义飞控对应2.4G通讯通道CHE，修改188行 mode_oldx.rc_loss_return_home选择失控模式(0上锁 1返航 2降落 3无视)
并在pos_ctrl.c 854行定义使用的SDK：
并在scheduer.c 152行定义UART_UP_LOAD_SEL选择上位机波形显示队列
5.3.2 参数调节
飞控已经集成基础参数调节功能在完成飞行器机型设置和固件更新后，进行传感器校准即刻起飞或者进行参数调节。
(1)远程调参与波形显示
飞控默认采用2.4G无线与OLDX手持遥控端进行通讯，参数调节可以直接通过遥控器实现，另外手持遥控器同时具有USB虚拟串口， 遥控器工作后连接PC机则可以使用匿名地面站进行参数调节(115200默认波特率)和参数波形显示。(注：对手持控制器来说需要在PID参数界面 等等数据全部接受完成后在进行调参，否则会出现参数误写入引起的炸鸡；对地面站同样也是建议在数据通信正常后最少读取5次PID参数避免误写入问题)
(2)姿态参数调节
飞控安装好后首先需要进行姿态参数的调节推荐采用万向轴或烤四轴的方式固定飞行器进行参数调节，通过选择调参模式确认是单轴还是全向调参：
默认都为0则飞行器全向参数都可调节，则以该情况为例设置 UART_UP_LOAD_SEL=11 使能上位机波形显示为姿态参数调节序列，通过CH6(>1500外环)能选择显示内环还是 外环的期望和给的参数，则波形中Ax Ay Az为期望的横滚 俯仰 航向值，Gx Gy Gz为对应反馈值，Hx Hy Hz为对应误差。参数调节时如果外环PID参数有值则 遥杆给定期望角度，如无值则给定期望角速度。
A.如飞行器机架小于550轴距可直接调整感度来快速完成参数调节，使用手动模式起飞保证飞行器离地观测姿态控制是否响应迅速， 是否存在超调和抖动，感度对应PID参数为：
| 参数 | 说明 | 默认值 |
|---|---|---|
| PID17-P | 横滚、俯仰感度(增大则等于增大飞机调节增益) | 1000 |
| PID17-I | 航向感度 | 1000 |
| PID17-D | 高度感度 | 1000 |
B.如飞行器轴距较大，电机KV值较小则不推荐采用起飞调参的方式，在调试架上固定好飞行器后采用手动模式解锁调参并内外环波形曲线。 调参时首先将ADRC控制器b0置0不使用其控制输出，将外环PID清0仅调整角速度环，解锁后观察飞行器是否能较好地跟踪遥控给定速度， 在能保证基本跟踪上后将姿态ADRC b0在22-300进行调整(默认220)，如果飞机出现晃动则减小，出现顿挫则增大，在基本实现跟踪期望速度后(可存在一定 滞后，特别是大飞机)通过拉拽飞行器轴造成外部扰动和控制器饱和来确定是否需要增大D，如果出现按压时的超调可增大D来保证回弹的柔和。
在完成内环参数调节后，设置外环P参数(默500-700)，在保证出现一定超调下的P时增加D达到最终回中无快速无超调(550以下小飞机可能不需要D)，之后 同样采用人为拉拽或按压测试控制器饱和回中是否出现超调和震荡判断参数是否合适。
对航向来说一般仅需要调整感度既可以满足一般应用，如有更高性能要求可采用类似如上的方式进行参数调节，另外航向ADRC b0参数推荐仅在小轴距飞行器 上使用，则姿态调节对应PID参数表如下：
| 参数 | 说明 | 默认值 |
|---|---|---|
| PID1-P | 横滚、俯仰 内环P | 700 |
| PID1-I | 横滚、俯仰 内环I | 200 |
| PID1-D | 横滚、俯仰 内环D | 2200 |
| PID2-P | 姿态ADRC b0 | 220 |
| PID2-I | 航向ADRC b0 | 220 |
| PID2-D | ADRC 控制死区 | 268 |
| PID3-P | 航向 内环P | 1200 |
| PID3-I | 航向 内环I | 100 |
| PID3-D | 航向 内环D | 1200 |
| PID4-P | 横滚、俯仰 外环P | 700 |
| PID4-I | 横滚、俯仰 外环I | 0 |
| PID4-D | 横滚、俯仰 外环D | 0 |
| PID6-P | 航向 外环P | 800 |
| PID6-I | 航向 外环I | 50 |
| PID6-D | 航向 外环D | 300 |
在完成参数调节后可以采用两种方式将其保存在Flash中，对于感度可以采用遥控触发陀螺仪的方式写入(水平静置)，但还是推荐采用在代码里修改的方式。 其中对于ADRC b0参数在机型宏定义中修改，飞行器感度在Debug watch中修改后选择校准陀螺仪(见6.4.2小节)保存，姿态PID则在parameter.c 40行中进行修改:
(3)高度参数调节
高度参数调节方式类似姿态调节，如对性能要求不高则可采用默认参数通过调整感度的方式实现快速起飞。另外也可以采用上位机 对比期望波形的方式调节，将UART_UP_LOAD_SEL=2显示高度控制波形序列，之后同样采用将ADRC b0置0先内环后外环的方式，调节时 注意保证姿态参数已经可靠，出现震荡时快速切换到手动模式降落。
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