ArduPilot-2-系统架构

zelon1234

在上一篇文章中，我们分享了两大开源飞控ArduPilot与PX4，这一篇我们开始分享ArduPilot的一些知识。

与PX4系列的分享一样，ArduPilot的分享也会从系统到模块的架构和原理上分享，在细节上不做更多的展开，它们的细节的确太多丰富，大家在实际应用中再具体研究。

ArduPilot由几部分组成：

Vehicle应用层，如多旋翼（ArduCopter）、固定翼（ArduPlane）、小车（Rover）等

库：如硬件抽象层（AP_HAL）、传感器驱动（AP_InertialSensor）、传感器融合（AP_NavEKF/2/3）、电机混控输出（AP_Motors）、日志库（AP_Logger）等

第三方模块：RTOS（ChibiOS）、CAN协议层（DroneCAN）、mavlink、DDS库（Micro-XRCE-DDS-Client）、构建工具（waf）等

对于ArduCopter应用，应用与库的调用关系如下图所示：

ArduPilot采用的是将功能模块封装成类，再由具体的应用实例化需要的功能模块类，完成具体的功能。模块间的数据传递依靠函数传参和类指针完成。这样的方式非常灵活，可以比较方便的完成复杂的操作。当然也有一定的缺点，功能的耦合性和模块间的依赖很强，可以发现ArduPilot的应用和库源码中存在大量的宏定义，用于启用和关闭一些功能和模块。

PX4在功能解耦上做的会更好一些，相对而言也带来一些缺点，就是模块间的数据传递不是很灵活，模块间的时序、同步等操作不如ArduPilot方便。

回到ArduPilot这个话题，ArduPilot原本是基于Arduino开发的UAV项目，沿用了Arduino的基本框架，其最为直观的是应用的setup()和loop()接口。

setup()完成应用的初始化，loop()则是应用的循环执行函数。

ArduPilot将这两个接口封装在AP_Vehicle这个类中，所有的应用类都继承这个类，以实现初始化和定时循环任务的接口。

那么setup()和loop()又是怎么被调用的呢，我们以ChibiOS系统举例，在libraries/AP_HAL/AP_HAL_Main.h 中定义了系统的main函数
#define AP_HAL_MAIN_CALLBACKS(CALLBACKS) extern "C" { \
    int AP_MAIN(int argc, char* const argv[]); \
    int AP_MAIN(int argc, char* const argv[]) { \
        hal.run(argc, argv, CALLBACKS); \
        return 0; \
    } \
    }

这里调用了硬件抽线层的run函数，在libraries/AP_HAL_ChibiOS/HAL_ChibiOS_Class.cpp中则是ChibiOS Hal对run函数的实现，在run函数中完成底层初始化，线程初始化以及应用层setup()和loop()接口的调用
static void main_loop()
{
    hal.scheduler->init();

    g_callbacks->setup();

    while (true) {
        g_callbacks->loop();
    }
}

loop()接口中主要实现应用层调度器的运行，而应用层调度器是定义在应用层cpp中一个非常直观的任务列表，如在ArduCopter/Copter.cpp中，
const AP_Scheduler::Task Copter::scheduler_tasks[] = {
    // update INS immediately to get current gyro data populated
    FAST_TASK_CLASS(AP_InertialSensor, &copter.ins, update),
    // run low level rate controllers that only require IMU data
    FAST_TASK(run_rate_controller),
    // send outputs to the motors library immediately
    FAST_TASK(motors_output),
     // run EKF state estimator (expensive)
    FAST_TASK(read_AHRS),
    // Inertial Nav
    FAST_TASK(read_inertia),
    SCHED_TASK(rc_loop,              250,    130,  3),
    SCHED_TASK(throttle_loop,         50,     75,  6),
    SCHED_TASK_CLASS(AP_GPS,               &copter.gps,                 update,          50, 200,   9),
};

这些任务实际上是运行在一个线程中的通过AP_Scheduler调度器调度的分时任务队列，这样的设计非常便于增加自定义的任务。

除了应用层的setup()和loop()，在main_loop()也完成了对底层线程的初始化，如：
void Scheduler::init()
{
    chBSemObjectInit(&_timer_semaphore, false);
    chBSemObjectInit(&_io_semaphore, false);

#ifndef HAL_NO_MONITOR_THREAD
    // setup the monitor thread - this is used to detect software lockups
    _monitor_thread_ctx = chThdCreateStatic(_monitor_thread_wa,
                     sizeof(_monitor_thread_wa),
                     APM_MONITOR_PRIORITY,        /* Initial priority.    */
                     _monitor_thread,             /* Thread function.     */
                     this);                     /* Thread parameter.    */
#endif

#ifndef HAL_NO_TIMER_THREAD
    // setup the timer thread - this will call tasks at 1kHz
    _timer_thread_ctx = chThdCreateStatic(_timer_thread_wa,
                     sizeof(_timer_thread_wa),
                     APM_TIMER_PRIORITY,        /* Initial priority.    */
                     _timer_thread,             /* Thread function.     */
                     this);                     /* Thread parameter.    */
#endif

#ifndef HAL_NO_RCOUT_THREAD
    // setup the RCOUT thread - this will call tasks at 1kHz
    _rcout_thread_ctx = chThdCreateStatic(_rcout_thread_wa,
                     sizeof(_rcout_thread_wa),
                     APM_RCOUT_PRIORITY,        /* Initial priority.    */
                     _rcout_thread,             /* Thread function.     */
                     this);                     /* Thread parameter.    */
#endif

#ifndef HAL_NO_RCIN_THREAD
    // setup the RCIN thread - this will call tasks at 1kHz
    _rcin_thread_ctx = chThdCreateStatic(_rcin_thread_wa,
                     sizeof(_rcin_thread_wa),
                     APM_RCIN_PRIORITY,        /* Initial priority.    */
                     _rcin_thread,             /* Thread function.     */
                     this);                     /* Thread parameter.    */
#endif
#ifndef HAL_USE_EMPTY_IO
    // the IO thread runs at lower priority
    _io_thread_ctx = chThdCreateStatic(_io_thread_wa,
                     sizeof(_io_thread_wa),
                     APM_IO_PRIORITY,        /* Initial priority.      */
                     _io_thread,             /* Thread function.       */
                     this);                  /* Thread parameter.      */
#endif

#ifndef HAL_USE_EMPTY_STORAGE
    // the storage thread runs at just above IO priority
    _storage_thread_ctx = chThdCreateStatic(_storage_thread_wa,
                     sizeof(_storage_thread_wa),
                     APM_STORAGE_PRIORITY,        /* Initial priority.      */
                     _storage_thread,             /* Thread function.       */
                     this);                  /* Thread parameter.      */
#endif

}

/*
  initialise UART TX_thread
*/
void UARTDriver::thread_init(void)
{
    if (uart_thread_ctx == nullptr) {
        hal.util->snprintf(uart_thread_name, sizeof(uart_thread_name), sdef.is_usb ? "OTG%1u" : "UART%1u", sdef.instance);
        uart_thread_ctx = thread_create_alloc(THD_WORKING_AREA_SIZE(HAL_UART_STACK_SIZE),
                                              uart_thread_name,
                                              unbuffered_writes ? APM_UART_UNBUFFERED_PRIORITY : APM_UART_PRIORITY,
                                              uart_thread_trampoline,
                                              this);
        if (uart_thread_ctx == nullptr) {
            AP_HAL::panic("Could not create UART TX thread\n");
        }
    }
}

这些底层任务线程主要完成串口发送、存储器读写、定时器操作等任务，这些任务比较耗时，因此在独立的线程中运行。

后面我们将对ArduPilot的各个模块进行一些分享。

往期分享：

AcmeGCS-21-集群多窗口显示

ArduPilot-1-ArduPilot还是PX4?

AcmeGCS-21-原生ROS2支持

PX4-19-MicroDDS

这里会不定期更新一些我整理的无人机相关知识，如果对您有帮助，欢迎关注转发分享。