PX4-Autopilot代码解析(1)-概述

PX4 自动驾驶仪是一款开源飞行控制软件栈,专为无人机、探测车、船舶和航天器等自动驾驶飞行器而设计。本文档详细介绍了 PX4 代码库架构及其核心子系统。

什么是 PX4 自动驾驶仪

PX4 自动驾驶仪是一套完整的飞行控制解决方案,提供驱动程序、中间件、控制算法、状态估计和通信协议,以实现各种飞行器类型的自主运行。

主要特点:

  • 多平台:支持 NuttX RTOS、Linux 和 macOS
  • 多飞行器:支持多旋翼飞行器、固定翼飞机、垂直起降飞机、漫游车、船只和实验车辆类型
  • 模块化架构:基于组件的设计,具有明确定义的接口
  • 实时能力:专为硬实时飞行控制应用而设计

支持的车辆类型:

车辆类型 描述 控制方法
多旋翼飞行器 多旋翼旋翼机 推力矢量位置/姿态控制
固定翼 传统飞机配置 基于能量的控制面
垂直起降 垂直起降飞机 具有模式转换的混合控制
罗孚 地面车辆 差速转向和速度控制
实验 船只、潜艇、宇宙飞船等 特定车辆的控制策略

系统架构

PX4 系统采用分层架构,硬件抽象、核心控制逻辑和外部接口之间清晰分离。中央通信主干是 uORB(微对象请求代理)消息总线,它实现了系统组件之间的松散耦合。

高级系统架构

关键子系统

模块组织

PX4 模块组织在src/modules目录下,每个模块实现飞行控制系统的一个特定方面。构建系统会根据目标配置自动发现并编译模块。

模块类别 关键模块 目的
状态估计 ekf2attitude_estimator_q 传感器融合和车辆状态估计
飞行控制 commander,,navigatorflight_mode_manager 高级控制逻辑和任务管理
车辆控制 mc_pos_control,,fw_pos_controlvtol_att_control 特定车辆的控制算法
沟通 mavlinkrc_update 外部通信和远程控制
模拟 simulatorgazebo 软件在环测试

数据流架构

构建系统和配置

PX4 使用基于 CMake 的构建系统,并使用 Kconfig 进行配置管理。这种方法允许跨不同的硬件平台和操作系统进行灵活的目标配置。

构建配置结构

关键构建系统组件:

成分 文件位置 目的
内核配置 [配置:1-219] 主配置定义系统
CMake 根目录 [CMakeLists.txt:102-497] 主要构建配置和模块编排
生成文件 [Makefile:1-588] 用户友好的构建目标界面
平台配置 platforms/${PX4_PLATFORM}/cmake/ 特定于平台的构建设置
主板配置 boards/*/default.px4board 特定于板的配置

系统启动过程

开发和测试基础设施

PX4 包括用于开发、测试和持续集成的综合工具。

开发工具:

模拟支持:

  • SITL(软件在环):Gazebo 集成,实现逼真的车辆模拟
  • 锁步调度程序CMakeLists.txt203-209- 确定性模拟时间
  • 硬件在环:支持使用模拟传感器进行硬件测试

有关模拟功能的详细信息,请参阅Gazebo 模拟硬件在环测试

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