小白飞控入门——认识Pixhawk架构思想

金钢狼

来自：学飞无人机

今天我们要讲的主要是APM和PX4的载体Pixhawk架构。而讲这个之前，就不得不提一下多旋翼飞行器的背景。

首先，这个多旋翼飞行器的发展得益于近年来低成本MEMS的快速发展。

然后，这个多旋翼飞行器的研究热潮起源于一大批开源爱好者，而这帮很牛的爱好者们，什么都干，开源的爱好者们制作开源的硬件飞行控制板，设计开源的飞行自动控制算法，还包括通信链路，地面控制软件等等……所谓有人的地方就有江湖，就有帮派，就有团伙，于是这帮人就成立了帮派，并且有了自己的地盘——开源无人机爱好者社区。比如早期的Mikrokopter、KKmulticopte、Paparazzi，以及后来的Multiwii、Aeroquad、Autoquad。

近几年发展最好的两个开源飞控Pixhawk和Ardupilot。也许很多人不太搞得清楚这两个开源飞控之间的关系，但是我告诉你哦，他俩之间的关系是：

首先

Ardupilot通常被我们叫做APM，是早在2007年由DIY无人机社区(DIY Drones)推出的飞控产品。APM刚开始是基于Arduino的开源平台，那时候的处理器还是AVR系列的Mage2560，性能没有现在这么强大；

然后

而Pixhawk是一款开源硬件，是最近几年由苏黎世理工大学推出来的高性能飞控硬件板，目前已经发展到第二代，并且即将发展到第三代。同时苏黎世理工大学还推出了他们的自动飞行控制固件代码PX4，也就是我们平常所说的原版固件PX4。

但是

随着APM飞控软件的快速发展，AVR的板子性能已经不能满足需求，所以只能逐步移植到Pixhawk的硬件架构上来进行开发。

总之

1、APM和PX4是由两波人员分别开发的开源飞控固件，目前都可以跑在Pixhawk这款硬件板上的。

其中，PX4固件相当于多线程跑在这块板子上，而APM固件相当于一个线程。

2、APM和PX4在功能上面都实现了姿态稳定、定高、定点，沿轨迹飞行，光流和超声波室内定点，环绕飞行，地面站实时显示等主要功能，同时都可以延伸至无人车，无人机，多旋翼等移动机器人平台上面。

不同的是，APM功能较多，比较适合商业开发整合，而PX4架构比较好，便于扩展维护，模块化。

那么接下来我们重点了解Pixhawk为何能够吸引世界上两大开源固件，他有哪些优秀的架构和特点?

Pixhawk是一块高性能板子，适用于固定翼、多旋翼和直升机，船舶以及一切其他可移动的机器人架构。它采用了ST先进的处理器M4架构，同时搭载了NuttX实时系统，且有一个自定义的PX4底层驱动来确保全周期的实时处理。

该板子包含两块独立的子模块，即飞行管理单元(FMU)和输入输出单元(IO)，其接口分配图如下图所示:



Pixhawk板子的主要特征参数如下:

1)168MHz Cortex M4核心处理器，256KB RAM 2MB Flash

2)MPU6000三轴加速度计/陀螺仪，L3GD20 16位陀螺仪，LSM303D 14位加速度计/磁力计，MS5611 MEAS气压计

3)14路PWM输出，8位硬写入

4)故障时多重电源供应

5)5个UART串口，1个支持大功率，2个有硬件流量控制

6)2个CAN口，1个I2C口，1个SPI口，3个ADC输入

7)遥控器输入支持:PWM,PPM,S_BUS1/2,DSM2/X,RSSI输入

整套系统硬件的输入输出框架如下图所示:



该套系统提供了一系列终端接口来监控该系统硬件的状态，系统启动是通过一系列的脚本和参数来完成的，其嵌入的MAVLink通信协议提供了一个管理控制器和系统参数的友好界面，并能够在飞行中存储或改变系统参数。

该套架构使用高精度定时器，并且支持中断唤醒。这些唤醒函数非常适用于高效且准确地读取传感器数据。唤醒延迟都在4毫秒以下。该套硬件架构能够支持大多数的外设，包括MEMS传感器，扩展的空速计和压力传感器，PWM,I2C和CAN总线，同时也支持PX4定制的外围设备，如光流传感器。目前该硬件框架支持5个串口通信，可以一对一或者一对多进行无线电通信。同时也支持非商业的数字无线控制系统如S.BUS1/2，PPM，Spektrum。

Pixhawk嵌入式系统的架构设计思想

1) 控制器实时性要求

Pixhawk里面的控制器可以封装成一系列嵌套的控制环。每个控制环都以一个参考设定值和当前状态值作为输入。然后它产生下一个内环的参考值。即使是一些先进的控制算法也可以被看作一系列的嵌套控制环。通常外环对实时性的要求要比内环低，这也给予了系统设计者在外环设计上的灵活空间，如下图所示，阐述了无人机模型与控制的典型流程图:



2) 可重复使用性

Pixhawk为了方便科研团体只关注他们自身的研究领域，提供了一个开放模块化的体系架构。Pixhawk实现了上层可重复使用，并提供了以下功能:

Ø  可以清除底层传到上层的软件接口

Ø  多线程点架构，这样可以将上层应用解耦分开

Ø  可以获得当前传感器的状态和执行器信息

Ø  可以在硬件上扩展总线来增加新的传感器

Ø  可以随时在硬件上进行安全的硬覆盖

3) Pixhawk的软件架构

这里说的软件架构并不是指具体算法里面的架构，而是整个pixhawk提供的体系架构，其主要分为四个层，如下图所示:



最底层是驱动层，有许多特殊的底层代码(如特殊的微处理器或者总线类型)；

往上一层便是将这些转化为系统的接口作为驱动点，这一部分是操作系统的一部分；

第三层是处理进程之间通信，提高通信效率，确保数据在各个进程之间的传递；

第四层是应用层，如飞行控制或者状态估计模块都在这一层。

其中最大的优势是中间的通信层，提供了设备驱动和对象请求发送机制(uORB)，该机制提供了特定的数据结构用于数据发布。它遵循着“一对多，发布与订阅”的设计模式:一个发布者想要分享信息需要先呈递一个话题。一个话题被定义成为语义信息通道如姿态或者位置。订阅者订阅这个话题，建立订阅之后可以建立新的请求并推送新的数据，或者等待线程时钟唤醒，直到有新的数据获得。如下图描述了发布者和订阅者之间的关系:

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