PX4系统架构概述

PX4主要由两层构成：飞行堆栈 是一个估算与飞行控制系统，而 中间件 则是一个通用的机器人技术层，可支持任何类型的自主机器人，提供内部/外部通信以及硬件集成功能。

所有PX4 飞行器架构 共享单一代码库（这其中还涵盖如船、漫游车、潜艇等其他机器人系统）。整个系统设计遵循 响应式原则，这意味着：

• 所有功能都能够被拆分为若干可替换、可复用的组件。
• 通过异步消息传递进行通信。
• 系统能够适应不同的工作负载。

顶层软件架构

以下架构图详细概述了PX4的各个模块及其相互之间的关联。图的上半部分为中间件模块，下半部分展示的是飞行控制栈的组件。

源代码被划分为独立的模块/程序（图中以 等宽字体 显示）。通常情况下，图中的一个模块对应一个功能模块。

TIP

在运行时，您可以使用 shell 中的 top 命令查看正在执行的模块，并且每个模块都可以通过 <模块名称> start/stop 单独启动或停止。虽然 top 命令特定于NuttX shell，但其他命令也可在SITL shell（pxh>）中使用。有关这些模块的更多信息，请参阅 模块与命令参考。

箭头表示模块之间 最重要 连接的信息流。采用发布 - 订阅消息总线这一方案意味着：

各模块通过名为 uORB 的发布 - 订阅消息总线相互通信。它包含为固定翼、旋翼和垂直起降（VTOL）无人机设计的控制器，以及相应的姿态、位置估计器。

• 系统是 “响应式” 的 — 系统异步运行，新数据到达时会立即更新。
• 系统内所有活动和通信完全并行。
• 系统组件可在任何位置安全地使用数据，且保证线程安全。

INFO

这种架构使得这些模块中的任何一个都能在运行时快速且轻松地被替换。

飞行控制栈

飞行堆栈是一组用于自主无人机的制导、导航和控制算法的集合。它包括针对固定翼、多旋翼和垂直起降飞行器的控制器，以及用于姿态和位置的估计器。

以下图表展示了飞行堆栈各组件的概述。它包含从传感器、遥控（RC）输入和自主飞行控制（导航器），到电机或舵机控制（执行器）的完整流程。

估计器 获取一个或多个传感器输入，将它们进行融合，并计算出飞行器状态（例如，根据惯性测量单元（IMU）传感器数据得出姿态）。

控制器 是一个组件，它将设定值和测量值或估计状态（过程变量）作为输入。其目标是调整过程变量的值，使其与设定值匹配。输出是为最终达到该设定值而进行的校正。例如，位置控制器将位置设定值作为输入，过程变量是当前估计的位置，输出则是使飞行器朝着期望位置移动的姿态和推力设定值。

混控器 获取力指令（如 “右转”），并将其转换为各个电机的指令，同时确保不超过某些限制。这种转换针对特定的飞行器类型，并且取决于多种因素，例如电机相对于重心的布置，或者飞行器的转动惯量。

中间件

中间件 主要由嵌入式传感器的设备驱动程序、与外部世界（辅助计算机、地面控制站等）的通信，以及uORB发布 - 订阅消息总线组成。

此外，中间件还包括一个 模拟层，它允许PX4飞行代码在桌面操作系统上运行，并在模拟的 “世界” 中控制计算机模拟的飞行器。

更新速率

由于模块等待消息更新，通常由驱动程序定义模块的更新速度。大多数IMU驱动程序以1kHz的频率对数据进行采样，积分后以250Hz的频率发布。系统的其他部分，如 导航器，不需要如此高的更新速率，因此运行速度相对较慢。

通过在系统上运行 uorb top，可以实时 查看 消息更新速率。

运行时环境

PX4可在多种提供POSIX API的操作系统上运行（如Linux、macOS、NuttX或QuRT）。它还应具备某种形式的实时调度（例如FIFO）。

模块间通信（使用 uORB）基于共享内存。整个PX4中间件在单个地址空间中运行，即所有模块共享内存。

INFO

系统设计使得只需付出最小的努力，就有可能在单独的地址空间中运行每个模块（需要更改的部分包括 uORB、参数接口、dataman 和 perf）。

模块有两种不同的执行方式：

• 任务：模块在其自身的任务中运行，拥有自己的堆栈和进程优先级。
• 工作队列任务：模块在共享工作队列上运行，与队列上的其他模块共享相同的堆栈和工作队列线程优先级。
  • 所有任务必须协同工作，因为它们不能相互中断。
  • 多个 工作队列任务 可以在一个队列上运行，并且可以有多个队列。
  • 工作队列任务 通过指定未来的固定时间或通过uORB主题更新回调进行调度。

在工作队列上运行模块的优点是它使用更少的随机存取存储器（RAM），并且可能减少任务切换。缺点是 工作队列任务 不允许睡眠、轮询消息或进行阻塞式输入/输出（如从文件读取数据）。长时间运行的任务（进行大量计算）可能也应该在单独的任务中，或者至少在单独的工作队列中运行。

INFO

在工作队列上运行的任务不会显示在 top 中（只能看到工作队列本身 - 例如 wq:lp_default）。使用 work_queue status 来显示所有活动的工作队列项。

后台任务

px4_task_spawn_cmd() 用于启动独立于调用（父）任务运行的新任务（NuttX）或线程（POSIX - Linux/macOS）：

independent_task = px4_task_spawn_cmd(
    "commander",                    // 进程名称
    SCHED_DEFAULT,                  // 调度类型（RR或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）主函数
    (char * const *)&argv[0]        // 传递给新任务的空指针
                                    // （此处为命令行参数）。
    );

操作系统相关信息

NuttX

NuttX 是在飞行控制板上运行PX4的主要实时操作系统（RTOS）。它是开源的（BSD许可证），轻量级、高效且非常稳定。

模块作为任务执行：它们拥有自己的文件描述符列表，但共享单个地址空间。一个任务仍然可以启动一个或多个共享文件描述符列表的线程。

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检查所有堆栈是否有足够的剩余空闲空间（基于堆栈着色）。

Linux/MacOS

在Linux或macOS上，PX4在单个进程中运行，模块在各自的线程中运行（不像在NuttX中那样区分任务和线程）。