如何理解PX4/Pixhawk飛控軟件架構(gòu)

今天就跟大家聊聊有關(guān)如何理解PX4/Pixhawk飛控軟件架構(gòu)，可能很多人都不太了解，為了讓大家更加了解，小編給大家總結(jié)了以下內(nèi)容，希望大家根據(jù)這篇文章可以有所收獲。

1、PX4軟件架構(gòu)簡(jiǎn)介

PX4是目前最流行的開源飛控板之一。PX4的軟件系統(tǒng)實(shí)際上就是一個(gè)firmware，其核心OS為NuttX(http://www.nuttx.org/)實(shí)時(shí)ARM系統(tǒng)。其固件同時(shí)附帶了一系列工具集、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)/模塊與外圍軟件接口層，所有這些軟件（包括用戶自定義的飛控軟件）隨OS內(nèi)核一起，統(tǒng)一編譯為固件形式，然后上傳到飛控板中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛控板的軟件配置。

PX4配套的軟件架構(gòu)主要分為4層。理解其軟件架構(gòu)是開發(fā)用戶自定義飛控應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)。
a) API層：這個(gè)好理解。
b) 框架層：包含了操作基礎(chǔ)飛行控制的默認(rèn)程序集（節(jié)點(diǎn)）
c) 系統(tǒng)庫(kù)：包含了所有的系統(tǒng)庫(kù)和基本交通控制的函數(shù)
d) OS內(nèi)核：提供硬件驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)、UAVCAN和故障安全系統(tǒng)

上述是個(gè)面向PX4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)者的相對(duì)具體的軟件架構(gòu)。實(shí)際上還有另外一種面向PX4自定義飛控應(yīng)用開發(fā)者的高層軟件架構(gòu)描述，相對(duì)抽象，但更簡(jiǎn)單，就是整個(gè)PX4的軟件從整體上分為2層：

a) PX4 flight stack：一系列自治無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制算法的集合
b) PX4 Middleware：一系列針對(duì)無(wú)人機(jī)控制器、傳感器等物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)及底層通信、調(diào)度等機(jī)制的集合

PX4軟件架構(gòu)中，最有意思的一點(diǎn)在于整個(gè)架構(gòu)的抽象性（多態(tài)性）。即，為了最大限度保障飛控算法代碼的重用性，其將飛控邏輯與具體的底層控制器指令實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了解耦合。一套高層飛控算法（如autopilot、GeoFence等）在不做顯著修改的情況下，能夠適用于固定翼、直升機(jī)、多旋翼等多種機(jī)型的控制場(chǎng)合，這時(shí)候就體現(xiàn)出PX4飛控的威力來(lái)了：在用戶程序?qū)懞弥螅绻枰鎿Q無(wú)人機(jī)機(jī)架的話，僅需簡(jiǎn)單的修改一下機(jī)架配置參數(shù)即可，高層的用戶自定義飛控應(yīng)用幾乎無(wú)需修改。

理解上述初衷至關(guān)重要。有很多搞自動(dòng)化出身、沒太多軟件經(jīng)驗(yàn)的朋友傾向于直接使用底層控制協(xié)議來(lái)控制飛控板，但實(shí)際上PX4架構(gòu)已經(jīng)在更高的抽象層面上提供了更好的選擇，無(wú)論是代碼維護(hù)成本、開發(fā)效率、硬件兼容性都能顯著高于前者。很多支持前者方式的開發(fā)者的理由主要在于高層封裝機(jī)制效率較低，而飛控板性能不夠，容易給飛控板造成較大的處理負(fù)載，但實(shí)際從個(gè)人感覺上來(lái)看，遵循PX4的軟件架構(gòu)模式反倒更容易實(shí)現(xiàn)較高處理性能，不容易產(chǎn)生控制擁塞，提升無(wú)人機(jī)側(cè)系統(tǒng)的并發(fā)處理效率。
 

2、PX4控制協(xié)議與邏輯

Mavlink是目前最常見的無(wú)人機(jī)飛控協(xié)議之一。PX4對(duì)Mavlink協(xié)議提供了良好的原生支持。該協(xié)議既可以用于地面站(GCS)對(duì)無(wú)人機(jī)(UAV)的控制，也可用于UAV對(duì)GCS的信息反饋。其飛控場(chǎng)景一般是這樣的：

a) 手工飛控：GCS -> (MavLink) -> UAV
b) 信息采集：GCS <- (Mavlink) <- UAV
c) 自治飛控：User App -> (MavLink) -> UAV

也就是說(shuō)，如果你想實(shí)現(xiàn)地面站控制飛行，那么由你的地面站使用Mavlink協(xié)議，通過射頻信道(或 wifi etc.)給無(wú)人機(jī)發(fā)送控制指令就可以了。如果你想實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主飛行，那么就由你自己寫的應(yīng)用（運(yùn)行在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)上）使用Mavlink協(xié)議給無(wú)人機(jī)發(fā)送本地的控制指令就可以了。

然而，為實(shí)現(xiàn)飛控架構(gòu)的靈活性，避免對(duì)底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的依賴，在PX4中，并不鼓勵(lì)開發(fā)者在自定義飛控程序中直接使用Mavlink，而是鼓勵(lì)開發(fā)者使用一種名為uORB((Micro Object Request Broker，微對(duì)象請(qǐng)求代理)的消息機(jī)制。其實(shí)uORB在概念上等同于posix里面的命名管道(named pipe)，它本質(zhì)上是一種進(jìn)程間通信機(jī)制。由于PX4實(shí)際使用的是NuttX實(shí)時(shí)ARM系統(tǒng)，因此uORB實(shí)際上相當(dāng)于是多個(gè)進(jìn)程（驅(qū)動(dòng)級(jí)模塊）打開同一個(gè)設(shè)備文件，多個(gè)進(jìn)程（驅(qū)動(dòng)級(jí)模塊）通過此文件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和共享。

在uORB機(jī)制中，交換的消息被稱之為topic，一個(gè)topic僅包含一種message類型（即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。每個(gè)進(jìn)程（或驅(qū)動(dòng)模塊）均可“訂閱”或“發(fā)布”多個(gè)topic，一個(gè)topic可以存在多個(gè)發(fā)布者，而且一個(gè)訂閱者可也訂閱多個(gè)topic。而正因?yàn)橛辛藆ORB機(jī)制的存在，上述飛控場(chǎng)景變成了：

a) 手工飛控：GCS -> (MavLink) -> (uORB topic) -> UAV
b) 信息采集：GCS <- (Mavlink) <- (uORB topic) <- UAV
c) 自治飛控：User App -> (uORB topic) -> (MavLink) -> UAV

有了以上背景基礎(chǔ)，便可以自寫飛控邏輯了，僅需在PX4源碼中，添加一個(gè)自定義module，然后使用uORB訂閱相關(guān)信息（如傳感器消息等），并發(fā)布相關(guān)控制信息（如飛行模式控制消息等）即可。具體的uORB API、uORB消息定義可參考PX4文檔與源碼，所有控制命令都在firmware代碼的msg里面，不再敷述。

最后值得一提的是，在PX4系統(tǒng)中，還提供了一個(gè)名為mavlink的專用module，源碼在firmware的src/modules/mavlink中，這貨與linux的控制臺(tái)命令工具集相當(dāng)相似，其既可以作為ntt控制臺(tái)下的命令使用，又可作為系統(tǒng)模塊加載后臺(tái)運(yùn)行。

實(shí)現(xiàn)的功能包括：

1）uORB消息解析，將uORB消息實(shí)際翻譯為具體的Mavlink底層指令，或反之。

2）通過serial/射頻通信接口獲取或發(fā)送Mavlink消息，既考慮到了用戶自寫程序的開發(fā)模式，也適用于類似linux的腳本工具鏈開發(fā)模式，使用起來(lái)很靈活。

看完上述內(nèi)容，你們對(duì)如何理解PX4/Pixhawk飛控軟件架構(gòu)有進(jìn)一步的了解嗎？如果還想了解更多知識(shí)或者相關(guān)內(nèi)容，請(qǐng)關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝大家的支持。