Px4源码框架结构图

此篇blog的目的是对px4工程有一个整体认识，对各个信号的流向有个了解，以及控制算法采用的控制框架。

PX4自动驾驶仪软件可分为三大部分：实时操作系统、中间件和飞行控制栈。

1.NuttX实时操作系统
提供POSIX-style的用户操作环境(如printf(), pthreads,/dev/ttyS1,open(),write(),poll(),ioctl())，进行底层的任务调度。
2.PX4中间件
PX4中间件运行于操作系统之上，提供设备驱动和一个微对象请求代理（micro object request broker，uORB)用于驾驶仪上运行的单个任务之间的异步通信。Px4被3DR开源后，整个代码结构被⼤改，原先的系统被摒弃，进而采用Nuttx，但是核心思想没变－为了简化开发而采用牺牲部分效率的消息传递机制，这是Px4 与ArduPilot 最本质的差别。
3.PX4飞行控制栈
飞行控制栈可以使用PX4的控制软件栈，也可以使用其他的控制软件，如APM:Plane、APM:Copter，但必须运行于PX4中间件之上。

此部分又可分为

决策导航部分：根据飞行器自身安全状态和接收到的命令，决定工作于什么模式，下一步应该怎么做。

位置姿态估计部分：根据传感器得到自身的位置和姿态信息，此部分算法含金量最高，算法也相当多。

位置姿态控制部分：根据期望位置和姿态设计控制结构，尽可能快、稳的达到期望位置和姿态。

控制器输出部分：mixer和执行器，pwm限幅。

算法在Firmware/src/modules，驱动在Firmware/src/drivers

px4原生固件模块列表：

系统命令程序

mavlink –通过串口发送和接收mavlink信息

sdlog2 –保存系统日志/飞行数据到SD卡

tests –测试系统中的测试程序

top –列出当前的进程和CPU负载

uORB – 微对象请求代理器-分发其他应用程序之间的信息

驱动

mkblctrl–blctrl电子模块驱动

esc_calib –ESC的校准工具

fmu –FMU引脚输入输出定义

gpio_led –GPIO LED驱动

gps –GPS接收器驱动

pwm –PWM的更新速率命令

sensors –传感器应用

px4io –px4io驱动

uavcan –uavcan驱动

飞行控制的程序

飞行安全和导航

commander –主要飞行安全状态机

navigator –任务，失效保护和RTL导航仪

估计姿态和位置

attitude_estimator_ekf –基于EKF的姿态估计

ekf_att_pos_estimator –基于EKF的姿态和位置估计

position_estimator_inav–惯性导航的位置估计

multirotor姿态和位置控制器

mc_att_control–multirotor姿态控制器

mc_pos_control –multirotor位置控制器

fixedwing姿态和位置控制器

fw_att_control –固定翼飞机的姿态控制

fw_pos_control_l1 –固定翼位置控制器

垂直起降姿态控制器

vtol_att_control –垂直起降姿态控制器

3.1决策

3.1.1 任务决策。以任务为导向，任务决策主要决定多旋翼下一步“去哪儿”，进一步，需要规划路径，使得整个过程能满足诸如：飞向航路点并沿航线飞，以及飞向航路点并避障等要求。
3.1.2 健康管理和失效保护。以安全为导向， 失效保护主要决定多旋翼下一步“去哪儿”。多旋翼飞行器在飞行前或飞行中，可能会发生通信故障、传感器失效和动力系统异常等，这些意外会直接导致控制任务无法完成。这一部分包括安全问题的介绍、机载设备的健康评估、机载设备的健康监测、失效后的保护建议。

传感器校正在commander里面

对应的程序在Firmware/src/modules/commander和Firmware/src/modules/navigator

完成任务模式切换，同时考虑电池电量、GPS等传感器是否正常工作等信息。

3.2位置估计和姿态估计

此部分需要大量理论知识，暂时还比较欠缺。

sensors是对陀螺仪、加速度计地磁计的一个处理

3.3位置控制和姿态控制

3.4pwm输出

3.4.1mixer

官方地址(已失效)对应的内容

混合器输出定义控制器的输出是如何映射到电机和伺服输出。所有内置mixer文件位于ROM文件系统的/etc/mixers目录，并编译成固件。Mixer是一组独立的映射器，从控制读入写入，写入执行器输出。一个模块，结合一组根据预先定义的规则和参数的输入，产生一组输出。

(1)语法：
Mixer的定义是文本文件，用一个大写字母后跟一个冒号开头的行。所有其他的行都会被忽略，这意味着解释性文本可与定义相混合。每个文件可以定义多个Mixer。由一个Mixer产生的执行器输出的数量是特定的。
起始形式如下：
<tag>:<mixer arguments>
标签选择Mixer的类型，“M”为一种简单求和Mixer，“R”为多转子（多旋翼）Mixer等。
一个空的Mixer不消耗控制，并产生一个执行机构的输出，其值始终为零。通常一个空的Mixer被用作占位符Mixer的集合中，以实现制动器输出的特定模式。
空的Mixer定义形式：
Z:
 
(2)简单的Mixer
一个简单的Mixer的开始：
M: <control count>
O: <-ve scale> <+ve scale> <offset> <lower limit> <upper limit>

如果为零，则输出就为零，Mixer输出的固定值是受限制的。
第二行定义了输出输出定标器和标量参数。虽然计算作为浮点运算进行的，存储在所述定义文件中的值是由10000倍缩放，-0.5偏移被编码为-5000.
 
该定义继续描述控制输入和缩放项：
S: <group> <index> <-ve scale> <+ve scale> <offset> <lower limit> <upper limit>
这些值定义了控制组从那些定标器中读取数据，和该组内的值的偏移。是特定于设备读取Mixer的定义。
 
当用于混合车辆的控制，混合器组0是车辆姿态控制组，索引值从0到3通常分别是：roll，pitch，yaw，thrust。
 
具体详解见：https://pixhawk.org/dev/mixing?s[]=mixer
 
(3)多旋翼Mixer
在多旋翼混合器结合四个控制输入（roll，pitch，yaw，thrust）为一组用于驱动电机速度控制器制动输出。
Mixer定义的形式：
R: <geometry> <roll scale> <pitch scale> <yaw scale> <deadband>
参数解释：
    机械：包括quad（4x，4+），hex（6x，6+），octo（8x，8+）
    单独的roll，pitch和yaw控制因子
    电机输出死区