PX4项目学习::（一）项目架构：：软件简明架构

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于 2023-02-01 20:22:02 首次发布

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1 软件构架

PX4软件架构由两个层次组成：
一是飞行控制栈(flight stack)，即自驾仪的软件解决方案，
二是中间件，一种可以支持任意类型自主机器人的通用机器人中间件。

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High-Level Software Architecture

2.1 中间件

中间件主要由嵌入式传感设备驱动，控制驱动，以及消息通信接口组成。除此之外，还引入了模拟层做各种模型模拟及仿真。

 ├──> 硬件驱动&适配
 │   ├──> 飞控板硬件适配
 │   ├──> 操作系统硬件适配
 │   ├──> 传感&控制驱动适配
 ├──> 消息通信
 │   ├──> uORB消息机制
 │   ├──> MAVLink消息机制
 │   ├──> RTPS/DDS消息机制
 └──> 模拟器
     ├──> jMAVSim模拟
     ├──> Gazebo模拟
     ├──> Ignition Gazebo模拟
     ├──> FlightGear模拟
     ├──> JSBSim模拟
     ├──> AirSim模拟
     ├──> Multi-Vehicle模拟
     ├──> Failsafes模拟
     ├──> FHITL模拟
     └──> SIH模拟

2.1.1消息总线 uORB

PX4软件架构的核心思想就是去耦合，所以消息中间件（uORB）处于整个框架图的中心位置。这样的设计是基本所有的大型软件系统的通用设计，比如ROS、ROS2。关于uORB详细分析，将在下一讲中详细描述。

2.1.2基础服务

1.任务管理

        这部分在这个框图中没有体现，作为系统的基础服务，其接口在 platforms/common/include/px4_platform_common中申明

        任务接口 platforms/common/include/px4_platform_common/tasks.h

        工作队列接口 platforms/common/include/px4_platform_common/px4_work_queue

2.日志系统

px4的日志系统框架不同于apm，用户使用非常简单，日志系统会记录uORB消息，用户无需手动定义需要记录数据的格式，只需要正常定义uORB消息即可，APM记录日志会稍微麻烦一些，需要手动编写不少代码。当然方便的同时也有一定的灵活性不足的问题。

用户需要添加的新消息可在这个文件中添加需要记录的topic即可src/modules/logger/logged_topics.cpp

3.参数系统

PX4可以在任意模块目录下定义参数，在编译时由src/lib/parameters/px_generate_params.py脚本生成一个全局的参数源文件，生成在build目录中build/xxx/src/lib/parameters，可以在这里找到飞控所有的参数

2.1.3外部接口

1.mavlink

飞控与地面站和机载计算机、外部设备的主要通信协议

2.fast-rtps

一种实时可靠的分布式消息框架，应用于ROS2中作为消息中间件，在PX4中为高频消息传递提供了一个除了mavlink外的一个新的选择

PX4开发者文档中提供的描述 https://docs.px4.io/master/en/middleware/micrortps.html

2.1.4设备驱动与框架

PX4的设备驱动大致可以分为：

1.SPI/IIC设备

        加速度计、陀螺仪、气压计、罗盘、RGB灯等

这两类设备类都会继承两个基类:

        I2CSPIDriver类

        在platforms/common/include/px4_platform_common/i2c_spi_buses.h文件中申明该类

用于获取总线相关参数，如总线类型、地址、频率以及定义设备id等等

        device::I2C/SPI类

        对于nuttx系统，在src/lib/drivers/device/nuttx中定义这两个类

这两个类定义SPI与IIC的总线操作方法，如总线初始化、读写接口

2.串口设备

GPS、部分定高雷达等

3.其他设备

包括adc、pwmin、pwmout、io

2.2 飞控代码

飞行控制栈是自主无人机的制导、导航和控制算法的集合。它包括固定翼、多旋翼和垂直起降机身的控制器以及姿态和位置估算。

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2.2.1导航系统

导航系统使用各种传感器数据经过状态估计算法获取姿态、位置等状态数据，是PX4的核心算法。

状态估计的核心算法库位于 src/lib/ecl ; 它的主要作者为Paul Riseborough，他同时也是APM的AP_NavEKF2/3的主要作者。

2.2.2控制系统

1.任务系统

PX4的位置指令生成模块，包括:

控制指令 src/modules/commander
任务模式的控制（定高、定点、航线、返航、降落等模式）src/modules/navigator
2.位置与姿态控制器

内回路控制器，根据Vechile类型的不同（多旋翼、固定翼、小车、船、飞艇等）执行不同的位置和姿态控制器

多旋翼位置控制器 src/modules/mc_pos_control
多旋翼姿态控制器 src/modules/mc_att_control
多旋翼角速率控制器 src/modules/mc_rate_control
固定翼L1位置控制器 src/modules/fw_pos_control_l1
固定翼姿态控制器 src/modules/fw_att_control
垂起姿态控制器 src/modules/vtol_att_control
小车位置控制器 src/modules/rover_pos_control