PX4飞控的软件设计——Pixhawk原生固件

开源PX4飞控系统较为复杂，许多软件细节笔者也不是非常熟悉，因此只能简要描述一下其架构。

PX4飞控系统从软件结构上可分为四个层次。每一层内的驱动程序或控制/估计算法都作为独立模块运行，彼此之间能够进行通信。这种模块化设计不仅有助于支持多种机型（因为没有特定机型的主循环），还提升了代码的可移植性。

1. 应用层

应用层是飞控系统运行的核心部分。在这里，大多数日常飞行所需的模块得以实现，包括姿态控制、状态估计、导航模块等，从而实现多旋翼和固定翼的自主飞行。应用层可以使用其他控制软件，如APM:Plane、APM:Copter，但必须建立在中间层之上。

2. 中间层

中间层位于操作系统之上，提供设备驱动和微对象请求代理（uORB），后者用于异步通信，即飞控系统内各任务之间的通信。

3. NuttX操作系统层

NuttX操作系统层为用户提供操作环境，负责底层任务调度。

4. 驱动层

驱动层提供系统运行所需的各种硬件驱动，如传感器和执行器。

uORB通信功能描述

在飞控系统中，应用层的所有功能都是以进程模块的形式实现，并且需要高效的进程间通信。为此，PX4飞控系统采用了uORB通信方式。

uORB（Micro Object Request Broker，微对象请求代理器）是飞控系统的关键组件之一，负责所有传感器数据、GPS信号和PPM信号的传输。实际上，uORB是一种跨进程的进程间通信（IPC）机制。

uORB的发布-订阅模式

uORB使用发布-订阅模式来实现跨进程通信。在这个模式中，一个“源”可以向多个“用户”广播消息，而“用户”不需要关心消息何时发出，只需要接收最新消息即可。这种方式避免了锁定问题，常用于机器人技术。uORB在NuttX系统中表现为一个简单的文件设备对象，通过Open、Close、Read、Write、Ioctl和Poll机制来实现数据交互。

发布/订阅机制示例

例如，传感器应用程序将传感器数据发送至姿态估计应用程序。这些数据通过命名总线交换，一个主题只包含一种类型的消息，如“vehicle_attitude”主题传递包含滚转、俯仰和偏航姿态角的消息。发布者和订阅者可以同时进行，主题对象在发生变化时会通知所有订阅者。

飞控中的优先级设计

飞控软件中，某些任务的优先级更高，主要包括遥控输入、传感器数据读取、姿态估计/控制等基本模块。以下是PX4飞控系统中的一些关键优先级：

1. 快速传感器驱动程序
2. 看门狗/系统状态监控
3. 驱动器输入（PWM输入驱动器线程，IO通讯发送命令线程）
4. 姿态控制器
5. 更新速度较慢的传感器驱动程序（不能阻塞姿态控制器）
6. 航路/位置控制器
7. 默认优先级 - 通用用户代码，shell命令等
8. 日志记录，参数同步程序
9. 低优先级进程

飞控中的更新周期与延迟设计

飞控系统有两个重要的时间概念：更新周期和延迟。为了获得良好的系统性能，必须尽量减少延迟。通常情况下，延迟比更新周期更为关键，因为较大的延迟会导致相位偏移，进而产生错误的控制信号。

在设计时，除了考虑固定的更新周期外，还需要注意延迟的影响。例如，假设以100Hz的采样率读取传感器数据，姿态估计和控制也都是100Hz，那么每一步的最大延迟是10毫秒。

关于传感器读取、姿态估计和控制的设计，有不同的实现方式，例如分别设计三个循环或合并到一个循环中。不同方案可能会带来不同的效果，但具体优劣目前还没有明确结论，有待进一步研究。

测量函数运行时间

在飞控算法中，更新周期是一个重要的变量。如果算法是以固定周期运行，那么该变量的值就是设定的周期。此外，也可以通过代码来动态测量实际运行时间。这种方法可能更加准确，但固定周期运行的算法如果不出错，也是可行的选择。

希望以上内容能帮助你更好地理解PX4飞控系统的软件设计。