ArduPilot飞控系统代码解读及架构分析

ArduPilot飞控系统架构分析

基于对ArduCopter代码的分析，我将为您详细解释ardupilot飞控系统的架构和工作原理。

1. 系统总体架构

ArduPilot是一个复杂而强大的开源无人机飞控系统，主要由以下几个部分组成：

1.1 核心组件

• 主循环(Copter.cpp): 系统入口点，负责初始化和调度各个任务
• 调度器(Scheduler): 管理不同频率的任务执行
• 飞行模式系统(Mode): 实现不同的飞行控制逻辑
• 姿态控制系统(AC_AttitudeControl): 负责稳定飞行器姿态
• 位置控制系统(AC_PosControl): 负责控制飞行器位置
• 导航系统(AC_WPNav): 负责航点导航和路径规划
• 电机输出系统(AP_Motors): 负责控制电机输出

1.2 传感器系统

• IMU(惯性测量单元): 提供加速度和角速率数据
• GPS: 提供位置、速度和时间信息
• 气压计: 提供高度信息
• 罗盘: 提供航向信息
• 光流传感器: 提供相对位移信息
• 测距仪: 提供对地高度信息

1.3 通信系统

• MAVLink协议: 与地面站通信的标准协议
• GCS(地面控制站)接口: 处理与地面站的通信

2. 主程序流程

Copter.cpp是整个系统的入口点，定义了主要的调度任务和执行流程：

2.1 初始化流程

1. 硬件初始化
2. 传感器初始化
3. 控制器初始化
4. 飞行模式初始化
5. 参数加载

2.2 主循环任务

系统使用调度器(scheduler_tasks数组)来管理不同频率的任务：

const AP_Scheduler::Task Copter::scheduler_tasks[] = {
   
   
    // 高优先级任务（快速循环）
    FAST_TASK_CLASS(AP_InertialSensor, &copter.ins, update),  // 更新IMU数据
    FAST_TASK(run_rate_controller_main),  // 运行姿态控制器
    FAST_TASK(motors_output_main),  // 输出到电机
    
    // 中低优先级任务
    SCHED_TASK(rc_loop, 250, 130, 3),  // 250Hz读取遥控器输入
    SCHED_TASK(throttle_loop, 50, 75, 6),  // 50Hz处理油门
    // ...其他任务
}

这些任务按优先级排序，每个任务都有指定的执行频率和预期执行时间。

3. 飞行模式系统

ArduCopter支持多种飞行模式，每种模式都有不同的控制逻辑和行为：

3.1 模式基类

所有飞行模式都继承自Mode基类，该基类定义了飞行模式的通用接口：

class Mode {
   
   
public:
    // 返回模式编号
    virtual Number mode_number() const = 0;
    
    // 初始化模式
    virtual bool init(bool ignore_checks);
    
    // 运行模式的主逻辑
    virtual void run() = 0;
    
    // 模式特性查询
    virtual bool requires_GPS() const = 0;
    virtual bool has_manual_throttle() const = 0;
    // ...其他特性查询方法
};

3.2 主要飞行模式

系统支持的主要飞行模式包括：

• STABILIZE: 基本的姿态稳定模式
• ALTHOLD: 高度保持模式
• LOITER: 位置保持模式
• AUTO: 自动执行任务模式
• RTL: 自动返航模式
• LAND: 自动降落模式
• GUIDED: 引导模式，接受外部控制命令
• ACRO: 特技模式，提供更直接的角速率控制

4. 控制系统架构

ArduCopter的控制系统采用了层级控制架构：

4.1 位置控制器(AC_PosControl)

位置控制器负责将目标位置转换为目标速度和加速度：

• 输入: 目标位置、速度和加速度
• 输出: 目标姿态(倾角)
• 主要功能:
  • 位置PID控制
  • 速度PID控制
  • 加速度控制
  • 运动学路径规划

4.2 姿态控制器(AC_AttitudeControl)

姿态控制器负责将目标姿态转换为电机输出：

• 输入: 目标姿态(四元数或欧拉角)和角速率
• 输出: 电机控制信号
• 主要功能:
  • 姿态P控制
  • 角速率PID控制
  • 角加速度限制
  • 电机混控

4.3 控制流程

一个典型的控制流程如下：

1. 位置控制器计算目标加速度
2. 位置控制器将目标加速度转换为目标倾角
3. 姿态控制器计算达到目标倾角所需的角速率
4. 姿态控制器计算达到目标角速率所需的电机输出
5. 电机输出被发送到ESC，控制电机转速

5. 关键算法

5.1 姿态估计

系统使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)融合多个传感器数据，估计飞行器的姿态和位置：

• 加速度计和陀螺仪数据提供短期姿态估计
• GPS和气压计数据提供长期位置和高度修正
• 罗盘数据提供航向修正

5.2 PID控制

系统使用多层PID控制器：

• 位置控制使用P控制器
• 速度控制使用PI或PID控制器
• 角速率控制使用PID控制器

5.3 运动学路径规划

系统使用加加速度限制(jerk-limited)路径规划算法，生成平滑的运动轨迹：

void AC_PosControl::shape_pos_vel_accel(...)

这个函数计算从当前状态到目标状态的平滑轨迹，考虑速度、加速度和加加速度限制。

6. 安全机制

ArduCopter实现了多种安全机制：

• 失控保护: 当遥控信号丢失时，可以自动执行返航、降落等操作
• 电池监控: 当电池电量低时，可以触发警告或自动返航
• 地理围栏: 限制飞行器的活动范围
• EKF监控: 当状态估计不可靠时，可以触发失效保护
• 碰撞避免: 支持ADSB和其他避障系统

7. 参数系统

ArduCopter使用参数系统来存储和管理配置：

// 参数实例
Parameters g;
ParametersG2 g2;

参数可以通过地面站修改，并存储在非易失性存储器中。

8. 执行流程示例

以自动模式(AUTO)为例，执行流程如下：

1. 系统初始化并进入AUTO模式
2. ModeAuto::run()方法被调度器定期调用
3. 根据当前任务类型(起飞、航点、降落等)，调用相应的处理函数
4. 处理函数计算目标位置和速度
5. 位置控制器根据目标生成姿态命令
6. 姿态控制器根据姿态命令计算电机输出
7. 电机输出被发送到ESC，控制电机转速

9. 总结

ArduPilot飞控系统是一个复杂而强大的系统，通过模块化设计和分层架构，实现了灵活的飞行控制功能。主要特点包括：

1. 模块化设计: 各个功能模块相对独立，便于维护和扩展
2. 多种飞行模式: 满足不同的飞行需求
3. 强大的控制算法: 实现稳定的姿态和位置控制
4. 完善的安全机制: 保障飞行安全
5. 丰富的配置选项: 通过参数系统实现高度可定制性

这种架构使ArduPilot能够适应从简单的多旋翼到复杂的自主飞行器等各种应用场景。

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起飞控制系统详细解读：

1. 类结构分析：

• Mode基类 (mode.h/mode.cpp)
  |- _TakeOff嵌套类 (处理手动起飞)
  |- _AutoTakeoff嵌套类 (处理自动起飞)

2. 关键成员变量：

• _TakeOff类：

  • _running: 标记起飞是否进行中
  • take_off_start_alt: 起飞开始高度
  • take_off_complete_alt: 起飞完成高度

• _AutoTakeoff类：

  • complete: 标记起飞是否完成
  • no_nav_active: 导航控制是否激活
  • complete_alt_cm: 完成高度(cm)
  • terrain_alt: 是否使用地形高度

3. 核心函数实现：

_TakeOff类关键函数：

• start(): 初始化起飞参数

  void _TakeOff::start(float alt_cm) {
       
       
    _running = true;
    take_off_start_alt = pos_control->get_pos_target_z_cm();