1.前言

翱翔藍(lán)天是人類一直以來的夢想，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，時至今日這個夢想已經(jīng)基本實現(xiàn)。與有人機相比，無人機憑借其可遠(yuǎn)程操控完成任務(wù)、不會對操縱員帶來安全隱患等優(yōu)點，得到了快速發(fā)展，其中最核心的部分就是無人機飛控系統(tǒng)。

廣義上的無人機飛行控制是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包含傳感器、機載計算機、伺服作動裝置、地面站等模塊及相應(yīng)的軟件程序和硬件設(shè)備。狹義上的飛控系統(tǒng)則指運行在無人機飛行控制板上的飛控程序。對于希望了解無人飛控系統(tǒng)的同學(xué)而言，較好的入門方式是首先學(xué)習(xí)目前現(xiàn)有的已經(jīng)相對完善的飛控系統(tǒng)，在充分理解和掌握現(xiàn)有飛控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對自己的需要進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)。

PX4由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)計算機視覺與幾何實驗室的一個軟硬件項目PIXHAWK演變而來，該飛控系統(tǒng)完全開源，為全球各地的飛控愛好者和研究團(tuán)隊提供一款低成本高性能的高端自駕儀。[1]經(jīng)過來自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的世界級開發(fā)人員多年的開發(fā)與完善，目前PX4飛控系統(tǒng)已經(jīng)形成完善合理的軟件架構(gòu)，可支持單旋翼、多旋翼、飛艇等多種載具。

本文將首先介紹PX4軟件架構(gòu)，包括中間層、飛行控制棧和運行環(huán)境，隨后介紹無人機飛控系統(tǒng)架構(gòu)。下圖是Pixhawk 4實物飛控板，PX4可在其上運行。

2.PX4軟件架構(gòu)

PX4軟件架構(gòu)主要包括兩部分，分別是：

·飛行控制棧(Flight Stack)：用于估計和控制無人系統(tǒng)；

·中間層(Middleware)：提供內(nèi)部及外部的通信和硬件集成。

需要注意的是，針對各種載具機型，PX4都共用一個代碼庫，完整的系統(tǒng)設(shè)計是反應(yīng)式的，這意味著：

·所有的功能都可分為可交換和可重復(fù)使用的；

·通信是通過異步通信完成的；

·該系統(tǒng)可處理大量工作。

下圖展示的是PX4軟件架構(gòu)概述。

實際運行中PX4信息傳遞十分復(fù)雜，上圖箭頭僅表明部分重要信號傳遞的方向，如參數(shù)更新的消息在多數(shù)模型中都有調(diào)用，而在上圖中并未標(biāo)出。圖 2上半部分包括外部通信（External Connectivity）、存儲（Storage）、驅(qū)動（Drivers）以及信息總線（Message Bus）就是PX4中間層的內(nèi)容，而下半部分飛行控制（Flight Control）指的就是飛行控制棧。

其中飛控內(nèi)部模塊之間的通信使用訂閱-發(fā)布機制，將其命名為微對象請求代理器（Micro Object Request Broker,uORB），其具有以下特點：

·系統(tǒng)是響應(yīng)式的，即異步通信；

·所有的操作和通信都同步進(jìn)行；

·系統(tǒng)組件可以以線程安全的方式使用來自任何地方的數(shù)據(jù)；

·這種結(jié)構(gòu)使得即使是在運行的過程中,模塊也可以方便地被替換或修改。

2.1中間層

除上圖 2標(biāo)示的中間層具有的存儲、傳感器驅(qū)動、與外部設(shè)備和內(nèi)部模塊間通信之外，中間層還包括仿真功能，可使PX4運行在桌面操作系統(tǒng)下，并控制仿真環(huán)境中的無人機模型，實現(xiàn)對飛控程序正確性的驗證。

2.2飛行控制棧

飛行控制棧是無人器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的集成，負(fù)責(zé)各種類型載具的控制與位姿估計，其結(jié)構(gòu)框圖如下所示。

其中：

·傳感器（Sersors）包括板載IMU、GPS、氣壓計等模塊，獲取原始的無人機位置姿態(tài)信息；

·位置和姿態(tài)估計器（Estimator）接收一個或多個傳感器的輸入，它們進(jìn)行融合并計算無人器的實時位置和姿態(tài)信息；

·控制器（Controller）將設(shè)定點和測量值或估計值作為輸入，計算控制量使得無人器達(dá)到設(shè)定點；

·導(dǎo)航（Navigator）模塊生成無人器參考軌跡；

·混控器（Mixer）將無人器的力和力矩分配至每個執(zhí)行器，并且確保不超過其限度；

·執(zhí)行器（Actuator）在傳統(tǒng)多旋翼中即是旋翼動力單元，包括電子調(diào)速器、電機和螺旋槳三個部分，在其他類型的載具中可能還有起落架、舵面等其他類型執(zhí)行器。

2.3運行環(huán)境

PX4可運行在提供POSIX-API的多種操作系統(tǒng)下（如Linux, macOS, Nuttx等），內(nèi)部模塊間通信的uORB機制基于共享內(nèi)存，整個PX4中間層運行在單個地址空間下。

執(zhí)行模塊有兩種不同的方式：

·任務(wù)（Tasks）,模塊在自己的任務(wù)中運行，具有自己的堆棧和進(jìn)程優(yōu)先級；

·工作隊列（Work Queue Tasks）,模塊運行在一個共享的工作隊列中，與隊列上的其他模塊共享相同的堆棧和工作隊列線程優(yōu)先級。

在工作隊列上運行模塊的優(yōu)點是它使用更少的RAM，并可能導(dǎo)致更少的任務(wù)切換，缺點是不允許工作隊列任務(wù)對消息進(jìn)行休眠或輪詢，也不允許執(zhí)行阻塞IO（比如從文件中讀取）。長時間運行的任務(wù)（執(zhí)行大量計算）應(yīng)該在單獨的任務(wù)中運行，或者至少在單獨的工作隊列中運行。

3.飛控系統(tǒng)架構(gòu)

正如本文開頭所述，廣義上的無人機飛行控制系統(tǒng)包含傳感器、機載計算機、地面站、手持遙控器等設(shè)備。下圖展示的是典型飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

其中：

·飛行控制器（Flight Controller）在Pixhawk飛控板上運行PX4程序；

·傳感器（Sensors，GPS,磁力計,氣壓計,光流等）通過I2C, SPI等與飛控連接，獲取無人機位置姿態(tài)等原始數(shù)據(jù)；

·負(fù)載（Payload，如相機等）使用PWM或MAVLINK連接，執(zhí)行特定任務(wù)；

·遙控數(shù)傳（Telemetry Radio）連接到地面站，可在地面站上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；

·手持遙控器（RC Radio）則用于手動發(fā)送控制指令；

·地面站（Ground station）常用的有QGC和MP，用于地面人員實時監(jiān)視和控制無人機狀態(tài)。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，由于沒有自主航跡規(guī)劃、避障等功能，因此僅可實現(xiàn)自主起飛著陸、地面站發(fā)送的航路點飛行等較為簡單的任務(wù)。

在無人機執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時，往往需要其他性能更強的計算機輔助計算，運行如障礙物檢測與避障、運動物體跟隨，精確著陸等任務(wù)。此時，飛控系統(tǒng)與上位機的組成大致如下：

除與圖 4相同的組件外，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還增加了用于分析處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的任務(wù)計算機（Mission Computer），也可稱之為上位機。

·上位機與飛控之間通常使用MAVLink協(xié)議進(jìn)行通信；

·通常使用上位機與地面站或云端進(jìn)行通信；

·上位機一般運行在Linux操作系統(tǒng)上。

4.總結(jié)

無人機飛行控制本身是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文以PX4開源飛行程序為例，對PX4軟件架構(gòu)和無人機飛控系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行介紹，基本理清了兩者之間的關(guān)系和各自的組成部分。后續(xù)將深入研究PX4飛控程序，探究其啟動流程和運行邏輯，并對其進(jìn)行二次開發(fā)，敬請期待。

參考資料

[1]https://blog.csdn.net/qq_38768959/article/details/122473186

[2]http://docs.px4.io/master/en/flight_controller/pixhawk4.html

[3]http://docs.px4.io/master/en/concept/architecture.html

[4]http://docs.px4.io/master/en/concept/px4_systems_architecture.html

封面：https://blog.csdn.net/qq_38768959/article/details/122473186

本文共2167字

由西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實驗室工程師沈佳豪原創(chuàng)

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