PX4源码开发人员文档(一)——软件架构

2023-05-16

软件架构

PX4 在广播消息网络内,按照一组节点(nodes )的形式进行组织,网络之间使用像如“姿态”和“位置”之类的语义通道来传递系统状态。软件的堆栈结构主要分为四层:

 

  • 应用程序接口:提供给app开发人员,使开发人员可以使用ROS  或者DroneAPI。这一接口设计尽可能简洁和扁平,并尽量多的隐藏复杂性。
  •  应用框架:这是一组核心缺省应用程序(节点),运行核心的飞行控制。
  •  函数库:这一层包括针对机器核心操作的所有系统函数库和功能
  • 操作系统:最后一层,提供硬件驱动、网络通信、UAVCAN和故障安全(failsafe)系统。

 

 

内部进程通信(Inter ProcessCommunication,IPC)

PX4 平台的封装提供了跨平台的无锁发布 -订阅模式( publish–subscribe pattern) 对象请求处理器。取决于平台/操作系统,完成这个的后端可能是uORB,或者Linux上的ROS / DDS (data delivery service)。封装可扩展,也可作为消息系统提供支持,比如ØMQ 。所有这些后端的共同特点是,它们都允许发送数据到一个像如“位置”这样的语义订阅主题(topic),并使多个接收器跨进程的收到这一数据。

IPC性能

发布(Publication)到订阅(subscription)之间的延迟:

 

  • uORB: 23 us @ 168 MHz STM32F4
  •  ROS: TBD
  • ROS2 / DDS: 185 us @ 1.6 GHz IntelPentium 4 and 2 GB RAM running Windows XP (details)
  • ZeroMQ: 170 us @ 1.6 GHz IntelPentium 4 and 2 GB RAM running Windows XP (details)

 

安全和保护模型

飞行核心与主要应用级处理过程隔离,以确保独立于高层级系统状态的机器核心操作,保持稳定。

PX4应用程序框架

 

PX4应用程序框架在所有平台上代码兼容,(比如 Pixhawk / NuttX,又比如, SnapDragon / Linux),独立并将中间设备作为传输层。

节点句柄(Node Handle)

节点句柄是每一个连接到中间设备的发布器(publisher)或者订阅器(subscriber)的核心数据结构(一个节点可以同时是发布器和订阅器)。一个节点是一个逻辑单元,每一个进程都可以有多于一个的节点(虽然这并不是典型的形式)。

 

px4::NodeHandle n();

 

数据结构

对于所有相关的中间设备实现,PX4根据储存在“msg”中的定义文件自动生成据结构。

发布(publication)

通过使用节点句柄通告(advertise)订阅主题( topic)来创建一个新的发布(publication)。注意这个模板,是订阅主题的数据结构。

 

px4::Publisher<px4::px4_rc_channels>* rc_channels_pub = n.advertise<px4_rc_channels>()


从这个指向 rc_channels_pub 的句柄的指针,可以用于发布数据

 

 


   
  1. px4_rc_channels rc_channels_msg;

  2. rc_channels_msg.data().timestamp_last_valid= px4::get_time_micros();

  3. _rc_channels_pub->publish(rc_channels_msg);

 

订阅(Subscription)

通过订阅一个订阅主题创建一个新的发布。注意模板,是订阅主题的数据结构。使用订阅共有三个选择:

1.           使用订阅主题的句柄,进行手动复制操作。

2.           作为函数的回调(callback),在订阅主题更新时,函数被调用。

3.           作为类方法的回调(相当于函数,但是是C++类型的)

单纯订阅

除非手动调用复制方法,否则数据不会被复制。

 


   
  1. unsigned min_interval =500;

  2. _sub_rc_chan = _n.subscribe<px4_rc_channels>(min_interval);

函数回调

 

每次订阅主题更新,则'rc_channels_callback_function'被调用。

 


   
  1. unsigned min_interval =500;

  2. _n.subscribe<px4_rc_channels>(rc_channels_callback_function, min_interval);

类方法回调

 

相当于前面函数的例子。

 

_n.subscribe<px4_rc_channels>(&SubscriberExample::rc_channels_callback, this, min_interval);

 

混合系统

为了解决更高级别的挑战,比如基于视觉的避障或者复杂控制问题,一个运行嵌入式Linux的伴随计算机将非常有用。

 

集成ROS 

PX4可以通过两种不同的API与ROS整合到一起:或者自然地将每一个应用作为ROS节点,或者通过mavros在嵌入式自驾仪上唯一地运行

 

DroneAPI

DroneAPI是一个高级应用程序接口,类似于一个为远程过程调用(RPC)提供语言绑定的函数库。从本质上讲,它是面向告诉无人机去哪里或做什么,而不是核心的机器人通讯/ API的一部分。

参考

如下的同行评审论文描述了更高级的架构:

  Lorenz Meier, DominikHonegger and Marc Pollefeys. PX4: A Node-Based Multithreaded Open SourceRobotics Framework for Deeply Embedded Platforms, ICRA (Int. Conf. on Roboticsand Automation) 2015. (to appear)

 

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