PX4/Pixhawk飛控軟件架構簡介

一、PX4軟件架構簡介

• https://www.dronecode.org/
• http://px4.io/technology/
• http://qgroundcontrol.com/
• http://https://mavlink.io/en/

PX4是目前最流行的開源飛控板之一。PX4的軟件系統實際上就是一個firmware，其核心OS爲NuttX(http://www.nuttx.org/)實時ARM系統(中文介紹：http://blog.csdn.net/zhumaill/article/details/24197637)。其固件同時附帶了一系列工具集、系統驅動/模塊與外圍軟件接口層，全部這些軟件（包括用戶自定義的飛控軟件）隨OS內核一塊兒，統一編譯爲固件形式，而後上傳到飛控板中，從而實現對飛控板的軟件配置。

PX4配套的軟件架構主要分爲4層。理解其軟件架構是開發用戶自定義飛控應用軟件的基礎。
a) API層：這個好理解。
b) 框架層：包含了操做基礎飛行控制的默認程序集（節點）
c) 系統庫：包含了全部的系統庫和基本交通控制的函數
d) OS內核：提供硬件驅動程序、網絡、UAVCAN和故障安全系統

上述是個面向PX4系統實現者的相對具體的軟件架構。實際上還有另一種面向PX4自定義飛控應用開發者的高層軟件架構描述，相對抽象，但更簡單，就是整個PX4的軟件從總體上分爲2層：

a) PX4 flight stack：一系列自治無人機自動控制算法的集合
b) PX4 Middleware：一系列針對無人機控制器、傳感器等物理設備的驅動及底層通訊、調度等機制的集合

PX4軟件架構中，最有意思的一點在於整個架構的抽象性（多態性）。即，爲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現進行了解耦合。一套高層飛控算法（如autopilot、GeoFence等）在不作顯著修改的狀況下，可以適用於固定翼、直升機、多旋翼等多種機型的控制場合，這時候就體現出PX4飛控的威力來了：在用戶程序寫好以後，若是須要替換無人機機架的話，僅需簡單的修改一下機架配置參數便可，高層的用戶自定義飛控應用幾乎無需修改。

理解上述初衷相當重要。有不少搞自動化出身、沒太多軟件經驗的朋友傾向於直接使用底層控制協議來控制飛控板，但實際上PX4架構已經在更高的抽象層面上提供了更好的選擇，不管是代碼維護成本、開發效率、硬件兼容性都能顯著高於前者。不少支持前者方式的開發者的理由主要在於高層封裝機制效率較低，而飛控板性能不夠，容易給飛控板形成較大的處理負載，但實際從我的感受上來看，遵循PX4的軟件架構模式反倒更容易實現較高處理性能，不容易產生控制擁塞，提高無人機側系統的併發處理效率。
 

二、PX4控制協議與邏輯

Mavlink是目前最多見的無人機飛控協議之一。PX4對Mavlink協議提供了良好的原生支持。該協議既能夠用於地面站(GCS)對無人機(UAV)的控制，也可用於UAV對GCS的信息反饋。其飛控場景通常是這樣的：

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

也就是說，若是你想實現地面站控制飛行，那麼由你的地面站使用Mavlink協議，經過射頻信道(或 wifi etc.)給無人機發送控制指令就能夠了。若是你想實現無人機自主飛行，那麼就由你本身寫的應用（運行在無人機系統上）使用Mavlink協議給無人機發送本地的控制指令就能夠了。

然而，爲實現飛控架構的靈活性，避免對底層實現細節的依賴，在PX4中，並不鼓勵開發者在自定義飛控程序中直接使用Mavlink，而是鼓勵開發者使用一種名爲uORB((Micro Object Request Broker，微對象請求代理)的消息機制。其實uORB在概念上等同於posix裏面的命名管道(named pipe)，它本質上是一種進程間通訊機制。因爲PX4實際使用的是NuttX實時ARM系統，所以uORB實際上至關因而多個進程（驅動級模塊）打開同一個設備文件，多個進程（驅動級模塊）經過此文件節點進行數據交互和共享。

在uORB機制中，交換的消息被稱之爲topic，一個topic僅包含一種message類型（即數據結構）。每一個進程（或驅動模塊）都可「訂閱」或「發佈」多個topic，一個topic能夠存在多個發佈者，並且一個訂閱者可也訂閱多個topic。而正由於有了uORB機制的存在，上述飛控場景變成了：

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

有了以上背景基礎，即可以自寫飛控邏輯了，僅需在PX4源碼中，添加一個自定義module，而後使用uORB訂閱相關信息（如傳感器消息等），併發布相關控制信息（如飛行模式控制消息等）便可。具體的uORB API、uORB消息定義可參考PX4文檔與源碼，全部控制命令都在firmware代碼的msg裏面，再也不敷述。

最後值得一提的是，在PX4系統中，還提供了一個名爲mavlink的專用module，源碼在firmware的src/modules/mavlink中，這貨與linux的控制檯命令工具集至關類似，其既能夠做爲ntt控制檯下的命令使用，又可做爲系統模塊加載後臺運行。其所實現的功能包括：1）uORB消息解析，將uORB消息實際翻譯爲具體的Mavlink底層指令，或反之。2）經過serial/射頻通訊接口獲取或發送Mavlink消息，既考慮到了用戶自寫程序的開發模式，也適用於相似linux的腳本工具鏈開發模式，使用起來很靈活，有興趣的能夠看看。