ArduPilot之开源代码Sensor Drivers设计

1. 源由

飞控代码除了最为基础的姿态控制以外，还要处理很多传感器或者控制单元，比如：雷达/光流计，GPS，起落架，云台等。

这些机载设备是如何整合到飞控应用中就是本章讨论的重点Sensor Drivers设计。

2. Sensor Drivers设计

2.1 front-end / back-end分层

Sensor Drivers设计的重要概念：front-end / back-end分层

• front-end：面向应用
• back-end：设备实例

注：ArduPilot的参数配置，主要应用在front-end层；而就setup系统初始化逻辑是一次性的。因此关于Sensor Driver参数调整，需要重启飞控才能起到真正的效果。

2.2 设计思想分析

基于上述Sensor Driver架构，back-end层在后台通过硬件总线与硬件传感器通信，不管更新缓存数据（并做好更新数据时间戳记录）；应用通过front-end接口获取缓存的最新传感器数据；

该分层结构设计主要为了解决多传感器/多硬件总线/低速通信等待/异常容错与高频飞控应用之间的异步和效率问题。

换个角度，通过分层结构设计可以解决：

1. 设备轮询耗时等待
2. 合理分配轮询/中断，高效利用CPU
3. 优化低速传感数据与应用的匹配度（应用频度/任务优先级等）
4. 飞控业务解耦硬件驱动API（驱动主要在back-end完成）

3 实例理解

rangefinder传感器种类还是比较多的，目前代码支持大约有30种，市面上应该有更多的硬件，我们围绕这个驱动，作为一个例子。

3.1 驱动初始化

根据前面ArduPilot之开源代码Library&Sketches设计了解到AP_HAL_MAIN_CALLBACKS(&copter)会将初始化部分关联，调用到AP_Vehicle::setup，接下去的驱动初始化流程如下：

AP_Vehicle::setup
   └──> init_ardupilot
       └──> Copter::init_rangefinder
           └──> rangefinder.init
               └──> detect_instance // _add_backend

如果有多个传感器，配置正确的情况，将会有多个instance或者说多个back-end。

3.2 业务应用代码

通过rangefinder.update进行业务数据更新。

3.3 frond-end代码

frond-end不关心具体back-end实现是通过哪条总线进来，怎么进来。只负责更新最终获取的缓存中的数据。

3.3 back-end代码

rangefinder传感器实际上是通过UART/I2C/SPI总线中的一种进行通信，这些就需要back-end处理。

3.3.1 UART

根据Param设置SERIALX_BAUD/SERIALX_PROTOCOL获取串口总线。
数据更新记录时间戳，以防脏数据。

鉴于串行总线有内部buffer，所以无需注册回调，直接串口字节流解析处理逻辑。

3.3.2 I2C

通过宏定义或者参数配置I2C地址，注册timer回调函数与设备进行通信。

3.3.3 SPI

自动检测SPI总线，枚举设备，添加到back-end，注册timer回调函数，从而进行SPi通信。

4. 参考资料

【1】ArduPilot开源飞控系统之简单介绍
【2】ArduPilot之开源代码框架
【3】ArduPilot飞控之ubuntu22.04-SITL安装
【4】ArduPilot飞控之ubuntu22.04-Gazebo模拟
【5】ArduPilot飞控之Mission Planner模拟
【6】ArduPilot飞控AOCODARC-H7DUAL固件编译
【7】ArduPilot之开源代码Library&Sketches设计