1. 四旋翼無人機(jī)的組成
——通信鏈路
——客戶端地面站
——PPM編碼器：PPM編碼器接RC接口应闯，把接收機(jī)輸出的多個(gè)通道PWM信號(hào)編碼成PPM復(fù)合信號(hào)。
——GPS/羅盤
——飛控
——?jiǎng)恿ο到y(tǒng)
飛控系統(tǒng)主要由微控制器拨匆、傳感器、存儲(chǔ)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、外部接口構(gòu)成媳握。
2. 四旋翼飛行原理
對(duì)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制可以產(chǎn)生飛機(jī)升力及姿態(tài)變化的力矩碱屁。
四旋翼在三維空間具有六個(gè)自由度磷脯，即分別沿三個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但是只有四個(gè)電機(jī)作為輸入娩脾。更改其中一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)姿態(tài)的變化赵誓，因此四旋翼是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
四旋翼的基本運(yùn)動(dòng)可歸納為以下幾種基本的運(yùn)動(dòng)模式柿赊。
2.1 垂直運(yùn)動(dòng)： 垂直方向主要有垂直升俩功、垂直降、懸停三個(gè)狀態(tài)碰声。
2.2 俯仰運(yùn)動(dòng)：兩個(gè)槳速度增加诡蜓，兩個(gè)槳速度減小，最終導(dǎo)致Y軸上產(chǎn)生扭矩胰挑。
2.3 橫滾運(yùn)動(dòng)：兩個(gè)槳速度增加蔓罚，兩個(gè)槳速度減小，最終導(dǎo)致X軸上產(chǎn)生扭矩瞻颂。
2.4 偏航運(yùn)動(dòng)：對(duì)角槳速度增加豺谈、另一對(duì)對(duì)角槳速度減小，最終導(dǎo)致在飛行軸方向產(chǎn)生扭矩贡这。
3. 四旋翼軟件開發(fā)平臺(tái)
飛行控制棧：主要完成飛控各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)茬末。
中間件（UORB）：完成系統(tǒng)各個(gè)部分之間的通信工作。
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（nuttx）：操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)軟件平臺(tái)盖矫，提供任務(wù)調(diào)度和文件操作功能丽惭，與底層驅(qū)動(dòng)層相連接击奶，降低系統(tǒng)的耦合度，提高系統(tǒng)平臺(tái)可移植性责掏。底層驅(qū)動(dòng)是直接和硬件打交道的正歼，主要完成具體硬件平臺(tái)的控制功能。
PX4飛控系統(tǒng)是由一系列節(jié)點(diǎn)組織的拷橘，這些節(jié)點(diǎn)在一個(gè)廣播通訊網(wǎng)絡(luò)中使用像“姿態(tài)” 或“位置”這樣的語義通道來交流系統(tǒng)目前的狀態(tài)局义。
4. 多旋翼飛行器進(jìn)一步思考
——多旋翼飛行器在空中飛行的時(shí)候，是通過調(diào)自己的“姿態(tài)”來產(chǎn)生某個(gè)方向的推力的冗疮。
——為了能夠調(diào)整自己的姿態(tài)萄唇，就必須有辦法測(cè)量自己的姿態(tài)。姿態(tài)用三個(gè)角度表示术幔，因此也是三維的另萤。
——與三維位置、三維角度相對(duì)應(yīng)的是三維速度诅挑、三維加速度和三維角速度四敞，十五個(gè)需要測(cè)量的狀態(tài)。
——三軸數(shù)字羅盤用于確認(rèn)航向拔妥，氣壓計(jì)用于測(cè)量高度忿危，GPS用來測(cè)量飛機(jī)的絕對(duì)位置，陀螺儀用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度没龙。
5. 飛控軟件系統(tǒng)
——每一個(gè)框圖都是一個(gè)單獨(dú)的模塊铺厨，以代碼的形式自我包含、依賴并運(yùn)行硬纤。
——每一個(gè)箭頭都是一種通過UORB進(jìn)行發(fā)布/訂閱調(diào)用的連接解滓。
——控制器/混控都是針對(duì)一種特殊的機(jī)型而言，需要適配機(jī)型筝家。但是頂層任務(wù)管理模塊如導(dǎo)航等是可以在不同平臺(tái)共享的洼裤。
6. 地面站通信架構(gòu)
——commander制導(dǎo)：用于接收地面站的一般命令，例如解鎖
——navigator導(dǎo)航：接受任務(wù)并將其轉(zhuǎn)為底層導(dǎo)航的原始數(shù)據(jù)溪王。
——mavlink應(yīng)用：用于接受MAVLink數(shù)據(jù)包并將其轉(zhuǎn)換為板載uORB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)腮鞍。
7. NUTTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
? ? ? ? NuttX 具有一系列優(yōu)秀的品質(zhì)，其具有標(biāo)準(zhǔn)兼容的特性在扰，進(jìn)行核心任務(wù)管理缕减，采用模塊化設(shè)計(jì)，完全可搶占芒珠，天然可擴(kuò)展桥狡，高度可配置。同時(shí)NuttX 容易擴(kuò)展到新的處理器架構(gòu)、SoC 架構(gòu)或板級(jí)架構(gòu)裹芝，可以構(gòu)建為開放的部逮、平面的嵌入式RTOS ，或單獨(dú)構(gòu)建為系統(tǒng)調(diào)用接口的微內(nèi)核嫂易，NuttX 支持類POSIX/ANSI 的任務(wù)控制兄朋、命名消息隊(duì)列、計(jì)數(shù)信號(hào)量怜械、時(shí)鐘/定時(shí)器颅和、信號(hào)、pthread 缕允、環(huán)境變量峡扩、文件系統(tǒng)，支持ROMFS文件系統(tǒng)障本，確保能夠?qū)崟r(shí)的教届、確定性的支持優(yōu)先級(jí)繼承。并且NuttX 是在BSD 許可證下發(fā)布的驾霜，適合于進(jìn)行二次開發(fā)案训。
? ? ? ? NuttX 是一個(gè)flat addresss 的操作系統(tǒng)，也就是說它不提供像Linux 那樣的進(jìn)程(processes) 粪糙。NuttX 只支持簡(jiǎn)單的運(yùn)行在同一地址空間的線程强霎。但是，它的程序模型使得task （任務(wù)）與pthread （線程) 間有一定區(qū)別猜旬。
? ? ? ? ——tasks：有一定獨(dú)立性的線程
? ? ? ? ——pthreads：共享某些資源的線程脆栋。
PX4 有一個(gè)虛擬的文件系統(tǒng)，被保存到2 到3 個(gè)不同的器件中：
1 ) 只讀文件系統(tǒng)(Read Only Memory File System, ROMFS) 洒擦，作用為保存啟動(dòng)腳本，這個(gè)文件系統(tǒng)保存在MCU(STM32) 的內(nèi)部Flash 中( 編譯時(shí)直接編譯到程序中了) 怕膛。這個(gè)文件被掛載在/etc 下熟嫩。
2 ) 可寫microSD 卡文件系統(tǒng)( 通常為FAT32 格式) 。作用是存儲(chǔ)log 文件褐捻，被掛載在/fs/microsd 下掸茅。
3 ) 可寫FRAM 文件系統(tǒng)( 被映射到FRAM 中的單個(gè)文件) ， 掛載在/fs/mtd params 和/fs/mtd waypoints( 這個(gè)都在Flash 中) 下柠逞。用來存儲(chǔ)參數(shù)(parameters)和航點(diǎn)(waypoints) 昧狮。
8. PX4中間件
PX4 中間件運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，主要由內(nèi)置傳感器的驅(qū)動(dòng)和一個(gè)基于發(fā)布-訂閱( publish-subscribe ) 的中間件uORB ( Micro Object Request Broker, 微對(duì)象請(qǐng)求代理器) 組成板壮，其中uORB 用于將這些傳感器與飛行控制運(yùn)行的應(yīng)用程序進(jìn)行通訊連接逗鸣。
使用發(fā)布-訂閱計(jì)劃意味著：
? 系統(tǒng)是響應(yīng)式的，即當(dāng)有新的有效數(shù)據(jù)時(shí)系統(tǒng)能夠立即更新
? 系統(tǒng)是完全并行運(yùn)行的
? 系統(tǒng)組件能夠在線程安全的方式下從任何地方使用數(shù)據(jù)
uORB 是Pixhwak 系統(tǒng)中非常重要的且關(guān)鍵的一個(gè)模塊，它肩負(fù)了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)撒璧，所有的傳感器數(shù)據(jù)透葛、GPS 、PPM 信號(hào)等都要從芯片獲取后通過uORB 進(jìn)行傳輸?shù)礁鱾€(gè)模塊進(jìn)行計(jì)算處理卿樱，是一種用于進(jìn)程間進(jìn)行異步發(fā)布和訂閱的消息機(jī)制API僚害。
———UORB架構(gòu)概述：
? ? ? ? uORB 實(shí)際是一套跨進(jìn)程的IPC(Inter-Process Communication, 進(jìn)程間通信) 通訊模塊，就是多個(gè)進(jìn)程打開同一個(gè)設(shè)備文件繁调，進(jìn)程間通過此文件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和共享萨蚕。在Pixhawk 中，所有的功能被獨(dú)立以進(jìn)程模塊為單位行實(shí)現(xiàn)并工作蹄胰。而進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交互就變得尤為重要门岔，必須要能夠符合實(shí)時(shí)有序的特點(diǎn)。
? ? ? ? Pixhawk 使用了NuttX 實(shí)時(shí)ARM 系統(tǒng)烤送，而uORB 對(duì)于NuttX 而言寒随，它僅僅是一個(gè)普通的文件設(shè)備對(duì)象，這個(gè)設(shè)備支持Open 帮坚、Close 妻往、Read 、Write 试和、Ioctl 以及Poll 機(jī)制讯泣。通過這些接口的實(shí)現(xiàn)，uORB 提供了一套“點(diǎn)對(duì)多”的跨進(jìn)程廣播通訊機(jī)制阅悍，“點(diǎn)”指的是通訊消息的“源”好渠，“多”指的是一個(gè)源可以有多個(gè)用戶來接收、處理节视。而“源”與“用戶”的關(guān)系在于拳锚，“源”不需要去考慮用戶是否可以收到某條被廣播的消息或什么時(shí)候收到這條消息。它只需要單純的把要廣播的數(shù)據(jù)推送到uORB 的消息“總線”上寻行。對(duì)于用戶而言霍掺，“源”推送了多少次的消息也不重要，重要的是取回最新的這條消息拌蜘。
———UORB的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：
? ? ? ? uORB 的實(shí)現(xiàn)位于固件源碼的Firmware/src/modules/uORB/uORB 目錄下杆烁。它通過重載CDev 基類來組織一個(gè)uORB 的設(shè)備實(shí)例。并且完成Read/Write 等功能的重載简卧。
? ? ? ? uORB 的入口點(diǎn)是uorb main 函數(shù)兔魂，在這里它檢查uORB 的啟動(dòng)參數(shù)來完成對(duì)應(yīng)的功能，uORB 支持start/test/status 這3 條啟動(dòng)參數(shù)举娩，在Pixhawk 的rcS 啟動(dòng)腳本中析校，使用start 參數(shù)來進(jìn)行初始化构罗，其他2 個(gè)參數(shù)分別用來進(jìn)行uORB 功能的自檢和列出uORB 的當(dāng)前狀態(tài)。
? ? ? ? 在rcS 中使用start 參數(shù)啟動(dòng)uORB 后勺良，uORB 會(huì)創(chuàng)建并初始化它的設(shè)備實(shí)例绰播，其中的實(shí)現(xiàn)大部分都在CDev 基類完成。這個(gè)過程類似于Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的Probe 函數(shù)尚困，或者Windows 內(nèi)核的DriverEntry 蠢箩，通過init 初始化調(diào)用完成設(shè)備的創(chuàng)建，節(jié)點(diǎn)注冊(cè)以及派遣例程的設(shè)置等事甜。
———UORB的使用：
? ? ? ? 進(jìn)程( process )/應(yīng)用程序(application) 間通信( 如將傳感器信息從傳感器app 傳送到姿態(tài)濾波app ) 是PX4 飛控程序結(jié)構(gòu)的核心部分谬泌。進(jìn)程( 在此處被稱作節(jié)點(diǎn)(node))通過命名的總線(buses ) 交換的消息稱之為主題(topic) 。在PX4 軟件系統(tǒng)中逻谦，一個(gè)主題只包含一種信息類型（即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）掌实，比如飛行器姿態(tài)(vehicle attitude) 這個(gè)主題將一個(gè)包含姿態(tài)結(jié)構(gòu)體( 橫滾、俯仰邦马、偏航) 的信息傳送出去贱鼻。節(jié)點(diǎn)可以在主題上發(fā)布(publish) 一個(gè)信息( 即發(fā)送數(shù)據(jù)) ，也可以向一個(gè)主題訂閱(subscribe ) 信息( 即接收數(shù)據(jù)) 滋将。節(jié)點(diǎn)并不知道它們?cè)诟l通信邻悬。一個(gè)主題可以面向多個(gè)發(fā)布者(publishers) 和多個(gè)訂閱者(subscribers) 。這種方式可以避免死鎖問題随闽，在機(jī)器人中很常見父丰。為達(dá)到有效率，在一條總線中掘宪，永遠(yuǎn)只有一條信息被傳送蛾扇，沒有保持隊(duì)列之說，這也就是說新來的信息會(huì)覆蓋之前的信息魏滚，不存在有一串信息排隊(duì)的情況镀首。應(yīng)用層中操作基礎(chǔ)飛行的應(yīng)用之間都是隔離的，這樣提供了一種安保模式栏赴，以確蹦⒏基礎(chǔ)操作獨(dú)立的高級(jí)別系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定性。在PX4 中须眷，飛控所有的功能被獨(dú)立以進(jìn)程模塊為單位進(jìn)行實(shí)現(xiàn)并工作。因此進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交互就顯得尤為重要沟突，必須要能夠符合實(shí)時(shí)花颗、有序的特點(diǎn)。在PX4 中是使用uORB 來完成這項(xiàng)任務(wù)的：
9. PX4飛行控制棧
飛行控制棧是各種自主無人機(jī)的導(dǎo)航與制導(dǎo)惠拭、控制算法的集合扩劝，包括固定翼庸论、多旋翼以及垂直起降機(jī)型的控制器以及飛行器姿態(tài)和位置的估計(jì)算法。遵循BSD 協(xié)議棒呛，可實(shí)現(xiàn)多旋翼和固定翼完全自主的航路點(diǎn)飛行聂示。采用了一套通用的基礎(chǔ)代碼和通用的飛行管理代碼，提供了一種靈活的簇秒、結(jié)構(gòu)化的方法
飛行控制椨愫恚可分為如下四部分：
1. 決策導(dǎo)航部分：根據(jù)飛行器自身安全狀態(tài)和接收到的命令，決定工作于什么模式趋观，下一步該怎么做扛禽。
2. 位置姿態(tài)估計(jì)部分：根據(jù)傳感器得到的自身位置和姿態(tài)信息，此部分主要涉及相關(guān)算法皱坛。
3. 位置姿態(tài)控制部分：根據(jù)期望位置和姿態(tài)設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)编曼，盡可能快、穩(wěn)的達(dá)到期望位置和姿態(tài)剩辟。
4. 控制器輸出部分：混控輸出和執(zhí)行器掐场，PWM限幅。
要對(duì)一架四旋翼進(jìn)行控制贩猎，首先要知道四旋翼當(dāng)前的姿態(tài)與位置熊户，PX4用到了姿態(tài)解算與位置估計(jì)算法，在獲得了四旋翼當(dāng)前的姿態(tài)與位置之后就可以利用姿態(tài)控制算法與位置控制算法對(duì)飛行器進(jìn)行精確控制了融欧。其中還包括了混控輸出與導(dǎo)航控制敏弃，由此構(gòu)成了四旋翼無人機(jī)的基本控制思路。
