鸭式布局制导探空火箭
简介
基于STM32的塔式火箭飞控,搭载ICM42688六轴传感器,SPL06气压计,通过控制鸭翼舵面偏转,进而实现火箭制导,支持GPS定位,数据回传,定高开伞回收等功能.
简介：基于STM32的塔式火箭飞控,搭载ICM42688六轴传感器,SPL06气压计,通过控制鸭翼舵面偏转,进而实现火箭制导,支持GPS定位,数据回传,定高开伞回收等功能.开源协议
：CC BY-NC-ND 3.0
(未经作者授权，禁止转载)描述
视频链接：
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项目简介
一枚鸭式布局制导火箭，基于STM32的自研塔式火箭飞控,搭载ICM42688六轴传感器,SPL06气压计,通过控制鸭翼舵面偏转,进而实现火箭制导,支持GPS定位,数据回传,定高开伞回收等功能。本项目软件,硬件,机械设计资料在CC-BY-NC-ND 3.0协议下发布，仅供爱好者DIY学习交流使用，未经本人许可严禁任何形式的商业使用及贩卖。火箭研发具有危险性,禁止在无安全防护的情况下进行试验。本设计不提供任何形式的工作保障/售后保修，不对任何因产品设计、操作不当以及违反当地法律法规所造成的制作人、第三方人身财产资源损坏/损害的后果及连带责任负责。
火箭在2025年7月7日进行了首次发射测试
项目功能
火箭由分布于箭体的四路鸭翼舵面控制姿态。飞控实时感知火箭当前飞行姿态，飞行高度，垂直速度，经纬度等，进而控制鸭翼舵面偏转，实现基本的火箭制导功能。飞控通过卡尔曼滤波融合六轴传感器与气压计高度数据，估测垂直速度，当火箭到达最高点时，垂直速度为0，此时火箭开伞。搭配VOFA+地面站，火箭使用Lora实时回传飞行数据，位置信息，用于火箭回收与后期分析研究。
项目参数
火箭飞控由功能明确的三块PCB堆叠而成：
电源层：由12V锂电池或Type-C接口供电，经DCDC芯片和LDO芯片转换为5V与3.3V后，分别给舵机与主控层，信号层供电。电源板有四路舵机接口，通过XH2.54-4P的排线连接主控板，接收PWM信号后用来控制舵机。
主控层：使用STM32F103C8T6作为主控芯片，板上集成ICM42688-P六轴传感器，SPL06-001气压计，通过姿态解算与卡尔曼滤波估测垂直速度后，用于控制火箭姿态与定高开伞功能。同时支持GNSS定位报文解析，获得经纬度与对地速度等位置信息，并一同发送至信号层。
信号层：集成大夏龙雀DX-GP10 GNSS定位芯片，使用泽耀A39C系列（可选）Lora模块，通过串口接收来自主控层的数据并转发至地面站。
连接VOFA+上位机
火箭飞控可通过Lora或数传连接上位机，波特率默认115200，使用FireWater数据协议。
代码内默认传输欧拉角,经纬度,垂直速度,对地速度,高度,加速度等信息。
VOFA+上位机下载地址 https://www.vofa.plus/
3D打印与组装
- 火箭的每个功能舱段使用M36mm + M312mm 十字螺丝固定，鸭翼舵面使用银燕舵机摇臂+1mm螺丝+502胶水固定，火箭摔过几次，依旧能用，当然有更好的方式欢迎讨论。
2. 塔式飞控使用四根M2.5螺纹棒+六角螺母固定，外壳使用长100mm，外径63内径57的亚克力管，需要对其进行钻孔，以便使用螺丝固定亚克力管。舵机依次排列在舵机舱内。舵机型号：银燕ES08MA金属模拟12g
3. 组装舵机舱时,将四组舵机依次放置在舵机舱内,再盖好舵机舱顶盖,舱内上下均有卡扣固定,安装时需要对准卡扣,注意调整。
4. 使用火箭连接件（图中黑色部分）连接各舱段，这样的连接件你一共需要打印四个，整理好舵机的线缆。
5. 组装好降落伞舱还有整流罩，降落伞舱预留了一个M2.5的小孔,用于固定整流罩或者安装挂件,降落伞舱内也预留了小孔,可以安装电子点火头,触发开伞。
6. 火箭底座可以用来安装20mm外径的火箭发动机，例如四凯模型火箭发动机或者自制发动机。你可以使用Soildworks对其尺寸进行修改，以适配其他型号的火箭发动机，将发动机塞进底座圆孔之后，使用螺丝和强力胶水固定即可。火箭发射需在有安全保护的条件下进行。
7. 靠近发动机舱的舱段（图中白色部分是电池舱，可以存放一个三角形的12V锂电池组，购买时注意尺寸）,安装螺丝时将电池垫高一点,注意螺丝不要贯穿电池,以免发生危险。我的发动机舱是红色的，3D打印的时候适当提高热床温度，以免发动机舱脱离热床。
8. 打螺丝（hh），建议使用电动螺丝刀。如果把握不了螺丝长度，建议都使用 M3*6mm 的十字螺丝
实物展示
使用加热台焊接飞控各元器件，注意焊接温度不要长时间超过180度，以免损坏气压计和惯性传感器。主控层有两个按键，分别是复位和屏幕信息切换，GPS经纬度，气压高度，欧拉角等重要信息，可以通过此按键切换。飞控组装完成后，建议在飞控与电池之间再外接一个开关,给火箭底部的舱段开一个口 , 就可以在不拆解火箭的情况下开启/关闭电源.
火箭飞控启动后,在火箭朝相应方向倾倒时,鸭翼应保持竖直,以提供相反方向的力矩,从而修正火箭姿态.
使用一个频率在1575.42/1561mhz的GPS有源陶瓷天线，通过SMA接口连接到信号板，在窗台或者室外可以搜索到GPS信号。通过主控板上的按键切换到GPS数据显示模式，可以观察此时的经纬度，对地速度等数据。搜索到GPS卫星并且定位有效时，信号板上会有LED闪烁。
ICM42688P与SPL06驱动(完整代码请参考附件)
ICM42688P
typedef struct{
int16_t AccX;
int16_t AccY;
int16_t AccZ;
}ICM42688AccData;
typedef struct{
float gx;
float gy;
float gz;
}AccG;
typedef struct{
int16_t GyroX;
int16_t GyroY;
int16_t GyroZ;
}ICM42688GyroData;
ICM42688AccData *DataAcc;ICM42688GyroData *DataGyro;
void ICM42688_Read_Reg(uint8_t reg,uint8_t *Data)
{
*Data = 0;
MySPI_ICM42688_Start();
reg |= 0x80;//高1位是读写位
MySPI_ICM42688_SwapByte(reg);
*Data = MySPI_ICM42688_SwapByte(0xFF);//将需要的数据交换过来,0xFF没有意义
MySPI_ICM42688_Stop();
}
void ICM42688_Write_Reg(uint8_t reg,uint8_t Data)
{
MySPI_ICM42688_Start();
MySPI_ICM42688_SwapByte(reg);
MySPI_ICM42688_SwapByte(Data);
MySPI_ICM42688_Stop();
}
void ICM42688_Init(uint8_t *State)
{
MySPI_ICM42688_Init();
uint8_t Time=100,ID = 0;
ICM42688_Read_Reg(ICM42688_WHO_AM_I,&ID);
if(ID != 0x47&&Time>0){
ICM42688_Read_Reg(ICM42688_WHO_AM_I,&ID);
Time--; *State = 0;
}
else {*State = 1;} /*判断ICM42688P是否正确连接*/
if(*State == 1)
{
ICM42688_Write_Reg(0x11,0x01);//设备配置.SPI0,软复位
Delay_ms(100);//软复位后等待响应
ICM42688_Write_Reg(ICM42688_PWR_MGMT0,0x0F); //电源配置
// ICM42688_Write_Reg(ICM42688_ACCEL_CONFIG0,0x46); //1KHz,4G
ICM42688_Write_Reg(ICM42688_ACCEL_CONFIG0,0x01); //32KHz,16G
ICM42688_Write_Reg(ICM42688_ACCEL_CONFIG1,0x14); //3级滤波
//ICM42688_Write_Reg(ICM42688_GYRO_CONFIG0,0x66); //1KHz,250度/s
ICM42688_Write_Reg(ICM42688_GYRO_CONFIG0,0x01); //32KHz,2000度/s
ICM42688_Write_Reg(ICM42688_GYRO_CONFIG1,0x0A); //3级滤波
}
}
void ICM42688_Data(ICM42688AccData *DataAcc,ICM42688GyroData *DataGyro)
{
uint8_t buffer[12];
// 读取加速度+陀螺仪数据（共12字节）
MySPI_ICM42688_Start();
MySPI_ICM42688_SwapByte(ICM42688_ACCEL_DATA_X1 | 0x80); // 设置读标志位[4](@ref)
for(int i=0; i<12; i++) {
buffer[i] = MySPI_ICM42688_SwapByte(0xFF); // 连续读取12字节[4](@ref)
}
MySPI_ICM42688_Stop();
// 解析加速度数据（前6字节）
DataAcc->AccX = (buffer[0] << 8) | buffer[1];
DataAcc->AccY = (buffer[2] << 8) | buffer[3];
DataAcc->AccZ = (buffer[4] << 8) | buffer[5];
// 解析陀螺仪数据（后6字节）
DataGyro->GyroX = (buffer[6] << 8) | buffer[7];
DataGyro->GyroY = (buffer[8] << 8) | buffer[9];
DataGyro->GyroZ = (buffer[10] << 8) | buffer[11];
}
SPl06_001
typedef struct{
float Pressure;
float Tempreture;
float Height;
}SPL06_Data;
void SPL06_Read_Reg(uint8_t reg, uint8_t *Data) {
*Data = 0;
MySPI_SPL06_Start();
reg |= 0x80; // 设置读标志位
MySPI_SPL06_SwapByte(reg);
*Data = MySPI_SPL06_SwapByte(0xFF);
MySPI_SPL06_Stop();
}
void SPL06_Write_Reg(uint8_t reg, uint8_t Data) {
MySPI_SPL06_Start();
MySPI_SPL06_SwapByte(reg); // 写标志位
MySPI_SPL06_SwapByte(Data);
MySPI_SPL06_Stop();
}
uint8_t SPL06_Init(uint8_t *State) {
uint8_t ID;
MySPI_SPL06_Init();
SPL06_Write_Reg(0x0C, 0x09);
Delay_ms(200);
SPL06_Read_Reg(0x0D, &ID);
if (ID != 0x10) {
*State = 0;
}
else
*State = 1;
// 配置传感器
SPL06_Write_Reg(0x08, 0x07); // 连续测量模式
SPL06_Write_Reg(0x06, 0x76); // 压力配置
SPL06_Write_Reg(0x07, 0xF6); // 温度配置,改完还要改下面的系数
SPL06_Write_Reg(0x09, 0x0C); // FIFO禁用，压力移位
return ID;
}
void SPL06_GetData(SPL06_Data *Data) {
uint8_t buffer[6];
int32_t Ori_Pressure,Ori_Tempreture;
MySPI_SPL06_Start();
MySPI_SPL06_SwapByte(0x00 | 0x80); // 读数据寄存器，地址自增
//依次读取数据寄存器
for (int i = 0; i < 6; i++) {
buffer[i] = MySPI_SPL06_SwapByte(0xFF);
}
MySPI_SPL06_Stop();
//组合原始数据
Ori_Pressure = (int32_t)((buffer[0] << 16) | (buffer[1] << 8) | buffer[2]);
Ori_Tempreture = (int32_t)((buffer[3] << 16) | (buffer[4] << 8) | buffer[5]);
Ori_Pressure = (Ori_Pressure << 8) >> 8; // 保留符
Ori_Tempreture = (Ori_Tempreture << 8) >> 8;
//读取校准系数
int16_t Temp_Config0,Temp_Config1;
int32_t Pressure_Config00,Pressure_Config10;int16_t Pressure_Config20,
Pressure_Config30,Pressure_Config01,Pressure_Config11,Pressure_Config21;
uint8_t data[18];
MySPI_SPL06_Start();
MySPI_SPL06_SwapByte(0x10 | 0x80);
for(int j = 0;j < 18;j++)
{
data[j]= MySPI_SPL06_SwapByte(0xFF);
}
MySPI_SPL06_Stop();
//温度校准
Temp_Config0 = (int16_t)((data[0] << 4) | ((data[1] & 0xF0) >> 4));
Temp_Config0 = (Temp_Config0&0x0800)?(0xF000|Temp_Config0):Temp_Config0; //补码转换
Temp_Config1 = (int16_t)((data[2]) | ((data[1] & 0x0F) << 8));
Temp_Config1 = (Temp_Config1&0x0800)?(0xF000|Temp_Config1):Temp_Config1;
float Traw_sc = Ori_Tempreture / 1040384.0f;
Data->Tempreture = Temp_Config0 * 0.5 + Temp_Config1 * Traw_sc;
//压力校准
Pressure_Config00 = (int32_t)((data[3] << 12) | ((data[4] << 4) | ((data[5] & 0xF0) >> 4 )));
Pressure_Config00 = (Pressure_Config00&0x080000)?(0xFFF00000|Pressure_Config00):Pressure_Config00; //补码转换(C00,C10是16位,在16-20位判断负数)
Pressure_Config10 = (int32_t)((data[7] ) | ((data[6] << 8) | ((data[5] & 0x0F) << 16)));
Pressure_Config10 = (Pressure_Config10&0x080000)?(0xFFF00000|Pressure_Config10):Pressure_Config10; //补码转换
Pressure_Config01 = (int16_t)((data[8] << 8 ) | ((data[9])));
Pressure_Config01 = (Pressure_Config01&0x08000)?(0xFFF00000|Pressure_Config01):Pressure_Config01; //补码转换
Pressure_Config11 = (int16_t)((data[10] << 8 ) | ((data[11])));
Pressure_Config11 = (Pressure_Config11&0x08000)?(0xFFF00000|Pressure_Config11):Pressure_Config11; //补码转换
Pressure_Config20 = (int16_t)((data[12] << 8 ) | ((data[13])));
Pressure_Config20 = (Pressure_Config20&0x08000)?(0xFFF00000|Pressure_Config20):Pressure_Config20; //补码转换
Pressure_Config21 = (int16_t)((data[14] << 8 ) | ((data[15])));
Pressure_Config21 = (Pressure_Config21&0x08000)?(0xFFF00000|Pressure_Config21):Pressure_Config21; //补码转换
Pressure_Config30 = (int16_t)((data[16] << 8 ) | ((data[17])));
Pressure_Config30 = (Pressure_Config30&0x08000)?(0xFFF00000|Pressure_Config30):Pressure_Config30; //补码转换
float Praw_sc = Ori_Pressure / 1040384.0f;//改这里的系数
Data->Pressure = Pressure_Config00 + Praw_sc*(Pressure_Config10 + Praw_sc*(Pressure_Config20 + Praw_sc * Pressure_Config30))+ Traw_sc * Pressure_Config01 + Traw_sc *Praw_sc*(Pressure_Config11+Praw_sc*Pressure_Config21);
Data->Height = 43300*(1-pow((Data->Pressure/101325),1/5.255));
}
设计图
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