PX4-Autopilot代码解析（1）-概述

PX4 自动驾驶仪是一款开源飞行控制软件栈，专为无人机、探测车、船舶和航天器等自动驾驶飞行器而设计。本文档详细介绍了 PX4 代码库架构及其核心子系统。

什么是 PX4 自动驾驶仪

PX4 自动驾驶仪是一套完整的飞行控制解决方案，提供驱动程序、中间件、控制算法、状态估计和通信协议，以实现各种飞行器类型的自主运行。

主要特点：

• 多平台：支持 NuttX RTOS、Linux 和 macOS
• 多飞行器：支持多旋翼飞行器、固定翼飞机、垂直起降飞机、漫游车、船只和实验车辆类型
• 模块化架构：基于组件的设计，具有明确定义的接口
• 实时能力：专为硬实时飞行控制应用而设计

支持的车辆类型：

车辆类型	描述	控制方法
多旋翼飞行器	多旋翼旋翼机	推力矢量位置/姿态控制
固定翼	传统飞机配置	基于能量的控制面
垂直起降	垂直起降飞机	具有模式转换的混合控制
罗孚	地面车辆	差速转向和速度控制
实验	船只、潜艇、宇宙飞船等	特定车辆的控制策略

系统架构

PX4 系统采用分层架构，硬件抽象、核心控制逻辑和外部接口之间清晰分离。中央通信主干是 uORB（微对象请求代理）消息总线，它实现了系统组件之间的松散耦合。

高级系统架构

关键子系统

模块组织

PX4 模块组织在src/modules目录下，每个模块实现飞行控制系统的一个特定方面。构建系统会根据目标配置自动发现并编译模块。

模块类别	关键模块	目的
状态估计	ekf2，attitude_estimator_q	传感器融合和车辆状态估计
飞行控制	commander，，navigator​flight_mode_manager	高级控制逻辑和任务管理
车辆控制	mc_pos_control，，fw_pos_control​vtol_att_control	特定车辆的控制算法
沟通	mavlink，rc_update	外部通信和远程控制
模拟	simulator，gazebo	软件在环测试

数据流架构

构建系统和配置

PX4 使用基于 CMake 的构建系统，并使用 Kconfig 进行配置管理。这种方法允许跨不同的硬件平台和操作系统进行灵活的目标配置。

构建配置结构

关键构建系统组件：

成分	文件位置	目的
内核配置	[配置:1-219]	主配置定义系统
CMake 根目录	[CMakeLists.txt:102-497]	主要构建配置和模块编排
生成文件	[Makefile:1-588]	用户友好的构建目标界面
平台配置	platforms/${PX4_PLATFORM}/cmake/	特定于平台的构建设置
主板配置	boards/*/default.px4board	特定于板的配置

系统启动过程

开发和测试基础设施

PX4 包括用于开发、测试和持续集成的综合工具。

开发工具：

• Python集成：CMakeLists.txt175-188- 构建工具和测试需要 Python 3
• 代码覆盖率：CMakeLists.txt184-188- Python组件的覆盖率分析
• 外部模块：CMakeLists.txt211-216- 支持树外开发
• 测试框架：CMakeLists.txt394-427- CTest 与自定义测试目标集成

模拟支持：

• SITL（软件在环）：Gazebo 集成，实现逼真的车辆模拟
• 锁步调度程序：CMakeLists.txt203-209- 确定性模拟时间
• 硬件在环：支持使用模拟传感器进行硬件测试

有关模拟功能的详细信息，请参阅Gazebo 模拟和硬件在环测试。