PX4 Pixhawk 程序研究笔记
编译环境建立
参考链接:http://pixhawk.org/dev/toolchain_installation_win
1、首先确保电脑安装了 Java 运行环境。
2、下载并安装 PX4 Toolchain,链接:
http://pixhawk.org/firmware/downloads#px4_arm_toolchain
3、在开始菜单中选择:PX4 Toolchain -> PX4 Software download 来获取一个
初始软件设置。它会在安装路径下(默认为 C:\px4)下载如下文件夹:
px4
Firmware – PX4 firmware (for all modules), includes MAVLink
NuttX – The NuttX Real Time Operating System (RTOS)
libopencm3 – Optional: Open Source Cortex Mx library, used only in the
bootloaders
Bootloader – Optional: Bootloaders, does normally not need to be touched
4、配置 Eclipse,开始菜单 -> 所有程序 –> PX4 Toolchain -> PX4 Eclipse
默认的 workspace 路径是刚好正确的:
New → Makefile Project with Existing Code:
选择 Cross GCC,并指定文件夹位置为:“c:\px4\Firmware”。
打开右边的 “Make Target” 并点击 “New Make Target”:
你应当创建如下 Targets:
archives – builds the NuttX OS
all – builds the autopilot software (depends on archives)
distclean – cleans everything, including the NuttX build
clean – cleans only the application (autopilot) part
upload px4fmu-v1_default – uploads to PX4FMU v1.x boards
upload px4fmu-v2_default – uploads to PX4FMU v2.x boards
编译方法:
参考链接:http://pixhawk.org/dev/flash_px4fmu_win
1、双击 distclean;
2、双击 archives;
3、双击 all;
4、双击 upload px4fmu-v1_default(PX4)或 upload px4fmu-v2_default(Pixhawk)
来上传固件。
注意:只有在 Nuttx 更新或者改变时才需要进行”distclean“和”archives“。如
果你只是编辑了 PX4 的程序,最便捷的办法是直接运行 upload px4fmu-v1_default
(PX4)或 upload px4fmu-v2_default(Pixhawk)来编译并上传固件。
Eclipse 使用技巧
1、选中一个函数,鼠标不动,0.5 秒后会弹出一个悬浮框显示该函数的定义,
双击该框,会出现滑动条,这时可以使用这个框看此函数的全部定义。以上操作
可以由“F2”键代替。
2、选中一个函数,按“F3”直接跳转到该函数的定义处,而不是通过一个悬
浮框显示。
板载软件结构
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。
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。
PX4 飞行控制栈遵循 BSD 协议,可实现多旋翼和固定翼完全自主的航路点飞
行。采用了一套通用的基础代码和通用的飞行管理代码,提供了一种灵活的、结
构化的方法,可以用相同的航路点和安全状态机来运行不同的固定翼控制器或旋
翼机控制器。
其板载程序结构图如下:
参考链接: http://pixhawk.org/dev/architecture
上图中每个框表示一个概念上的任务(task) 。图中不是所有模块都是默
认使能的,一些模块是冗余的,比如当姿态控制(attitude control)活动时,位
置控制(position control)是不活动的。浅灰色的框表示作为主模块(main blocks)
接口的关键外设。图中许多模块被作为单独的任务(tasks)来完成的,不同任务
间通过“inter process communication”来通信。
源程序文件说明
本章列举源程序中各个文件夹、各个 C、CPP 文件以及头文件的作用。
src/lib/geo/geo.c 该文件定义的所有与地球坐标系相关的函数(geo:
geodesic,测地学的)。提供了与经纬度、地图坐标、坐标系翻转等相关
的函数。
src/lib/launchdetection 中包含了自动降落相关的程序。
src/modules/commonder 文件夹包含了所有的与地面站相关的命令:
commonder.cpp 为主要程序,同时该文件夹中还包含了加速度计校准、
空速计校准、磁罗盘校准、遥控器校准等程序。
src/modules/uORB 中包含了与 uORB 相关的程序。
src/modules/px4iofirmware 中包含了 STM32F103 那个单片机的源程序,
它编译后的结果将作为 ROM 存储在 FMU(STM32F427)单片机的固件
中,位于程序文件系统的 etc/extras/px4io-v2_default.bin 中。
src/modules/dataman 中包含了与数据管理相关的函数。
src/systemcmds/param 包含了与系统参数相关的程序,这些参数包含机
架类型、各种 PID 以及各种设置等参数。
src/ROMFS/px4fmu_common/init.d 包含了系统其中的各种脚本,其中最
下面的“rcS”为主脚本,系统流程启动以它为准,同时它内部还会不断调
用其他子脚本(如 rc.sensors 脚本,对应各种传感器,其调用命令为:
sh /etc/init.d/rc.sensors)。通读“rcS”脚本文件,即可明白 PX4 的启动和运
行流程
进程间通信(uORB)
参考链接:http://blog.arm.so/docs/183-0503.html
uORB 是 Pixhawk 系统中非常重要且关键的一个模块,它肩负了整个系统的
数据传输任务,所有的传感器数据、GPS、PPM 信号等都要从芯片获取后通过 uORB
进行传输到各个模块进行计算处理。
uORB 的架构简述:uORB 全称为 micro object request broker (uORB),即“微
对象请求代理器”,实际上 uORB 是一套跨进程的 IPC 通讯模块。在 Pixhawk 中,
所有的功能被独立以进程模块为单位进行实现并工作。而进程间的数据交互就由
为重要,必须要能够符合实时、有序的特点。
Pixhawk 使用 NuttX 实时 ARM 系统, 而 uORB 对于 NuttX 而言,它仅仅是
一个普通的文件设备对象,这个设备支持 Open、Close、Read、Write、Ioctl 以及
Poll 机制。 通过这些接口的实现,uORB 提供了一套“点对多”的跨进程广播通
讯机制, “点”指的是通讯消息的“源”,“多”指的是一个源可以有多个用户
来接收、处理。而“源”与“用户”的关系在于,源不需要去考虑用户是否可以
收到某条被广播的消息或什么时候收到这条消息。它只需要单纯的把要广播的数
据推送到 uORB 的消息“总线”上。对于用户而言,源推送了多少次的消息也不
重要,重要的是取回最新的这条消息。
uORB 实际上是多个进程打开同一个设备文件,进程间通过此文件节点进行
数据交互和共享。
uORB 的系统实现:
uORB 的实现位于固件源码的 src/modules/uORB/uORB.cpp 文件,它通过重载
CDev 基类来组织一个 uORB 的设备实例。并且完成 Read/Write 等功能的重载。