Betaflight开源飞控系统——代码架构与任务调度系统初探以及视频字符叠加OSD源码详细实战分析

1. Betaflight 概述与架构

Betaflight 是一款专为无人机设计的开源飞控软件，基于 Cleanflight 和 Baseflight 发展而来，提供了强大的飞行控制和配置功能。其代码架构主要分为以下几个核心模块：

1. 硬件抽象层 (HAL)：

   • 提供底层硬件驱动接口
   • 支持多种 MCU 平台 (STM32 系列为主)
   • 包含 GPIO、SPI、I2C、UART、ADC 等驱动

2. 传感器处理层：

   • IMU (加速度计 / 陀螺仪) 数据采集与处理
   • 气压计高度测量
   • 罗盘航向测量
   • GPS 定位数据处理

3. 飞行控制层：

   • 姿态估计 (DCM/Mahony/Madgwick 算法)
   • PID 控制器实现
   • 飞行模式管理
   • 电机输出控制

4. 用户接口层：

   • CLI 命令行界面
   • 配置参数管理
   • OSD (On-Screen Display) 系统
   • 黑匣子日志记录

5. 通信层：

   • 接收机协议支持 (SBUS、PPM、DSM 等)
   • 遥测协议支持 (Mavlink、FrSky 等)
   • 串口通信
   • WiFi/Bluetooth 支持

2. Betaflight 任务调度系统

Betaflight 采用基于时间片的任务调度系统，将不同功能划分为多个独立任务，每个任务有固定的执行周期和优先级。这种设计使得系统能够高效处理实时性要求不同的各种任务。

2.1 任务分类与优先级

Betaflight 中的任务主要分为以下几类：

1. 高优先级任务：

   • 传感器数据采集
   • 姿态估计更新
   • 电机输出更新
   • 这些任务需要在短时间内完成，以保证飞行控制的实时性

2. 中等优先级任务：

   • 飞行模式逻辑处理
   • PID 控制器计算
   • 接收机信号处理
   • 这些任务需要定期执行，但对时间精度要求稍低

3. 低优先级任务：

   • 通信协议处理
   • OSD 显示更新
   • 黑匣子日志记录
   • 用户接口处理
   • 这些任务对实时性要求较低，可以在系统负载较小时执行

2.2 任务调度实现

Betaflight 的任务调度核心代码位于src/main/scheduler目录下，主要由以下几个部分组成：

c运行

// 任务定义结构体
typedef struct taskDescriptor_s {
    taskFuncPtr_t function;       // 任务函数指针
    uint32_t rate_hz;             // 任务执行频率(Hz)
    uint32_t interval_ticks;      // 任务执行间隔(系统时钟 ticks)
    uint32_t last_run;            // 上次执行时间
    uint32_t execution_time;      // 任务执行时间统计
    uint32_t execution_time_max;  // 任务最大执行时间统计
    uint8_t priority;             // 任务优先级
    bool enabled;                 // 任务是否启用
    const char *name;             // 任务名称(用于调试)
} taskDescriptor_t;

// 系统任务列表
static taskDescriptor_t taskDescriptors[TASK_MAX] = {
    // 定义各个任务
    [TASK_MOTORS_OUTPUT] = {
        .function = motorsOutputTask,
        .rate_hz = 400,
        .interval_ticks = 2500,  // 2.5ms @ 1MHz
        .priority = 1,
        .enabled = true,
        .name = "MOTORS"
    },
    [TASK_SENSOR_READ] = {
        .function = sensorReadTask,
        .rate_hz = 800,
        .interval_ticks = 1250,  // 1.25ms @ 1MHz
        .priority = 2,
        .enabled = true,
        .name = "SENSOR"
    },
    [TASK_ATTITUDE_ESTIMATION] = {
        .function = attitudeEstimationTask,
        .rate_hz = 400,
        .interval_ticks = 2500,  // 2.5ms @ 1MHz
        .priority = 2,
        .enabled = true,
        .name = "ATTITUDE"
    },
    [TASK_PID_CONTROL] = {
        .function = pidControlTask,
        .rate_hz = 400,
        .interval_ticks = 2500,  // 2.5ms @ 1MHz
        .priority = 1,
        .enabled = true,
        .name = "PID"
    },
    [TASK_OSD_UPDATE] = {
        .function = osdUpdateTask,
        .rate_hz = 50,
        .interval_ticks = 20000,  // 20ms @ 1MHz
        .priority = 3,
        .enabled = true,
        .name = "OSD"
    },
    // 其他任务...
};

// 任务调度主循环
void schedulerTask(void)
{
    uint32_t currentTime = micros();
    uint32_t nextWakeTime = UINT32_MAX;
    
    // 遍历所有任务
    for (int i = 0; i < TASK_MAX; i++) {
        taskDescriptor_t *task = &taskDescriptors[i];
        
        // 检查任务是否启用且是否到执行时间
        if (task->enabled && (currentTime - task->last_run >= task->interval_ticks)) {
            // 记录任务执行开始时间
            uint32_t taskStartTime = micros();
            
            // 执行任务
            task->function();
            
            // 计算任务执行时间
            uint32_t executionTime = micros() - taskStartTime;
            task->execution_time = executionTime;
            
            // 更新最大执行时间统计
            if (executionTime > task->execution_time_max) {
                task->execution_time_max = executionTime;
            }