【无人机】无人机PX4飞控系统高级软件架构
目次1、概述（图解）
一、数据存储层（Storage）
二、外部通信层（External Connectivity）
三、焦点通信枢纽（Message Bus）
四、硬件驱动层（Drivers）
五、飞行控制焦点层（Flight Control）
2、Flight Stack 飞行栈
PX4 高级飞行栈
3、中央件
4、更新速率
5、运行时环境
背景任务
6、特定操纵系统信息
NuttX 操纵系统
Linux/macOS 操纵系统
参考：PX4用户手册
PX4 Architectural Overview | PX4 Guide (v1.15)
1、概述（图解）
如图所示，为 PX4 的各个组成部分，图的上半部分是中央件模块，下半部分则展示了飞行栈的各个组件。
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上图中展示了系统各模块的功能及交互关系，具体分析如下：
一、数据存储层（Storage）
[*]Database：通过 dataman 存储任务（Missions）、地理围栏（Geofence）等数据，可写入 SD 卡或内存（RAM）。
[*]Parameters：借助 param 存储参数，支持 EEPROM、SD 卡、FLASH 等存储介质，实现参数的读取与写入。
[*]Logging：通过 logger 将数据记载至 SD 卡，或通过 MAVLink 协议传输，用于飞行数据回溯分析。
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二、外部通信层（External Connectivity）
[*]MAVLink：通过 UART 或 UDP 接口，实现无人机与外部装备（如地面站）的通信，是主流的无人机通信协议。
[*]FastRTPS：借助 micrortps_bridge，通过 UART 或 UDP 实现 CDR 序列化通信，实用于实时性要求高的场景。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/24054043d6444de4840a29c17251f3c2.png
三、焦点通信枢纽（Message Bus）
[*]以 uORB 为消息总线，作为系统内部数据交互的焦点通道，毗连存储、外部通信、飞行控制、驱动等模块，实现数据高效传输。
四、硬件驱动层（Drivers）
[*]包罗 Camera Control（相机触发控制）、GPS、RC Input（支持 PPM/SBUS 等遥控输入协议）、IMU Drivers（通过 SPI、UAVCAN、I²C 接口驱动惯性测量单位）等，负责硬件装备的控制与数据采集。
五、飞行控制焦点层（Flight Control）
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[*]状态与模式管理：
[*]State Machine：通过 commander 实现飞行模式切换、解锁 / 上锁（Arming）等功能。
[*]Autonomous Flight：利用 navigator 处理自主飞行任务，如航点任务（Missions）、返航（RTL）等。
[*]
[*]控制算法链：
[*]Position Controller：处理位置控制，输出姿态设定值，包罗多旋翼（mc_pos_control）与固定翼（fw_pos_control_l1）控制逻辑。
[*]Attitude & Rate Controller：负责姿态与角速度控制，输出推力和扭矩设定值，支持多旋翼、固定翼等不同机型的控制算法。
[*]Control Allocation：通过 control_allocator 进行控制分配，将控制指令转换为电机和舵机的设定值。
[*]Output Driver：终极通过 PWM、UART、CAN 等接口，驱动电调（ESC）和舵机，实现飞行控制。
[*]辅助模块：
[*]RC Handling：处理遥控输入（rc_update），切换手动控制（manual_control）。
[*]Sensors Hub：整合传感器数据，处理故障切换，为系统提供惯性测量单位（IMU）、空速等数据。
[*]Position & Attitude Estimator：利用 ekf2 等算法，融合 GPS、光流、间隔传感器等数据，估计无人机位置与姿态。
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源代码被划分为独立的模块 / 程序（在图中以等宽字体表现）。通常一个构建模块恰恰对应一个模块。
提示
在运行时，你可以在 shell 中利用 top 命令查看正在实验哪些模块，并且每个模块都可以通过 <模块名> start/stop 单独启动 / 停止。虽然 top 命令是 NuttX shell 特有的，但其他命令也可以在软件在环仿真（SITL）的 shell（pxh>）中利用。有关这些模块的更多信息，请参阅《模块与命令参考》。
图中的箭头表现模块之间最重要毗连的信息流。实际上，毗连数量比图中表现的要多得多，并且某些数据（比方参数相关数据）会被大多数模块访问。
模块之间通过名为 uORB 的发布 - 订阅消息总线进行通信。利用发布 - 订阅机制意味着：
[*]系统具有反应性 —— 它是异步的，在有新数据时会立即更新。
[*]所有操纵和通信完全并行化。
[*]系统组件能够以线程安全的方式从任何地方获取数据。
信息
这种架构答应这些模块中的任何一个都能快速且轻松地被替换，以致在运行时也可以。
2、Flight Stack 飞行栈
飞行栈是一套用于自主无人机的制导、导航和控制算法集合。它包括固定翼、多旋翼和垂直起降飞行器机体的控制器，以及姿态和位置估算器。
下图展示了飞行栈组成部分的概览。它涵盖了从传感器、遥控（RC）输入和自主飞行控制（导航器），到电机或舵机控制（实验器）的完整流程。
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PX4 高级飞行栈
估算器获取一个或多个传感器输入，将其整合，并计算飞行器状态（比方，根据惯性测量单位（IMU）传感器数据计算姿态）。
控制器是一种组件，它将设定值以及测量值或估算状态（过程变量）作为输入。其目的是调解过程变量的值，使其与设定值匹配。输出是为终极达到该设定值而进行的修正。比方，位置控制器将位置设定值作为输入，过程变量是当前估算的位置，输出则是使飞行器朝着盼望位置移动的姿态和推力设定值。
混控器接收力指令（如 “向右转”），并将其转换为各个电机的指令，同时确保不超出某些限定。这种转换因飞行器类型而异，并且取决于多种因素，比方电机相对于重心的部署方式，或飞行器的转动惯量。
3、中央件
中央件主要由嵌入式传感器的装备驱动程序、与外部装备（如陪同计算机、地面控制站等）的通信模块，以及 uORB 发布 - 订阅消息总线组成。
别的，中央件还包罗一个仿真层，该仿真层使得 PX4 飞行代码能够在桌面操纵系统上运行，并在模拟的 “虚拟世界” 中控制一台由计算机模拟的飞行器。
4、更新速率
由于各个模块会等待消息更新，通常情况下是由驱动程序来界说模块的更新速度。
大多数惯性测量单位（IMU）驱动程序以 1 千赫兹（kHz）的频率对数据进行采样，对采样数据进行整合后，再以 250 赫兹（Hz）的频率发布数据。
系统的其他部分，比如导航器，并不必要如此高的更新速率，因此运行速度会慢很多。
可以通过在系统上运行 uorb top 命令来实时查看消息的更新速率。
5、运行时环境
PX4 可在多种提供 POSIX 应用程序编程接口（API）的操纵系统上运行，比如 Linux、macOS、NuttX 或 QuRT。并且它还应该具备某种情势的实时调度功能（比方先进先出调度，FIFO）。
模块间的通信（利用 uORB）是基于共享内存实现的。整个 PX4 中央件运行在单一的地点空间中，也就是说，所有模块之间共享内存。
信息
该系统的设计理念是，只需付出最小的积极，就能够让每个模块在独立的地点空间中运行（必要修改的部分包括 uORB、参数接口、数据管理模块（dataman）和性能监测模块（perf））。
模块有两种不同的实验方式：
[*]任务方式：模块在其自身的任务中运行，拥有本身的堆栈和进程优先级。
[*]工作队列任务方式：模块运行在一个共享的工作队列中，与该队列上的其他模块共享相同的堆栈以及工作队列线程优先级。
[*]所有任务必须以协作的方式运行，由于它们之间不能相互停止。
[*]多个工作队列任务可以在一个队列上运行，并且可以存在多个队列。
[*]工作队列任务可以通过指定未来的一个固定时间来进行调度，也可以通过 uORB 主题更新回调来调度。
在工作队列上运行模块的优点是它利用的随机存取存储器（RAM）较少，并且有可能淘汰任务切换的次数。
缺点是工作队列任务不答应进入睡眠状态，大概轮询消息，也不答应进行阻塞式输入输出操纵（比如从文件中读取数据）。
长时间运行的任务（进行大量计算的任务）可能也应该在单独的任务中运行，大概至少在单独的工作队列中运行。
信息
在工作队列上运行的任务不会表现在 top 命令的输出中（只能看到工作队列本身，比方表现为 wq:lp_default）。可以利用 work_queue status 命令来表现所有处于活动状态的工作队列项目。
背景任务
px4_task_spawn_cmd() 函数用于启动新的任务（在 NuttX 系统中）或线程（在支持 POSIX 标准的系统如 Linux 或 macOS 中），这些新任务或线程独立于调用它们的（父）任务运行：
以下是 C++ 代码示例：
independent_task = px4_task_spawn_cmd(
"commander", // 进程名称
SCHED_DEFAULT, // 调度类型（循环轮转调度RR或先进先出调度FIFO）
SCHED_PRIORITY_DEFAULT + 40, // 调度优先级
3600, // 新任务或线程的堆栈大小
commander_thread_main, // 任务（或线程）的主函数
(char * const *)&argv // 传递给新任务的空指针
// （此处是命令行参数）。
);
6、特定操纵系统信息
NuttX 操纵系统
NuttX 是在飞行控制板上运行 PX4 的主要实时操纵系统（RTOS）。它是开源的（遵循 BSD 允许证），具有轻量级、高效且非常稳定的特点。
模块作为任务来实验：它们拥有各自的文件形貌符列表，但共享单一的地点空间。一个任务仍旧可以启动一个或多个共享该文件形貌符列表的线程。
每个任务 / 线程都有一个固定大小的堆栈，并且有一个周期性任务会查抄所有堆栈是否剩余足够的可用空间（基于堆栈着色技能来判断）。
Linux/macOS 操纵系统
在 Linux 或 macOS 系统上，PX4 在单个进程中运行，并且模块在各自的线程中运行（不像在 NuttX 系统中那样对任务和线程进行区分）。
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