PX4 结构概述

PX4 主要由两层组成，即 飞行算法池 是一个估计和飞行控制系统，而 中间件 是一个通用机器人层，可支持任何类型的自主机器人，提供内部/外部通信和硬件集成。

所有 PX4 机身 共享一个代码库（包括其他机器人系统，如船只、漫游车、潜水艇等）。完整的系统设计是 反应 (打开新窗口）这意味着

• 所有功能都分为可交换和可重复使用的组件
• 通信是通过异步信息传递完成的
• 系统可应对不同的工作量

高级软件架构

下图提供了 PX4 构件的详细概览。图的上半部分包含中间件模块，下半部分显示飞行算法池的组件。

源代码被分割成独立的模块/程序（如图 单空间 在图中）。通常一个构件对应一个模块。

TIP

在运行时，您可以使用 顶级 命令，每个模块都可以通过 <module_name> 开始/停止.虽然 顶级 命令是 NuttX shell 特有的，其他命令也可以在 SITL shell (pxh>) 中使用。有关这些模块的更多信息，请参阅 模块和命令参考.

箭头显示的是 最重要的 模块之间的连接。实际上，连接的数量比显示的要多得多，而且大多数模块都会访问某些数据（如参数）。

模块之间通过名为 "发布-订阅 "的信息总线进行通信。 uORB.使用 "发布-订阅 "方案意味着：

• 系统是被动的--它是异步的，当有新数据时会立即更新
• 所有操作和通信都完全并行化
• 系统组件可以线程安全的方式从任何地方消耗数据

备注

这种架构允许快速、轻松地更换每一个模块，甚至在运行时也是如此。

飞行算法池

飞行算法池是自主无人机制导、导航和控制算法的集合。它包括用于固定翼、多旋翼和 VTOL 机身的控制器，以及姿态和位置估算器。

下图显示了飞行算法池的构件概览。它包含从传感器、遥控输入和自主飞行控制（导航仪）到电机或伺服控制（执行器）的整个流程。

一个 估计者 获取一个或多个传感器输入，将它们组合起来，计算出载具状态（例如，根据 IMU 传感器数据计算出载具姿态）。

A 控制器 是一个将设定点和测量值或估计状态（过程变量）作为输入的组件。其目标是调整过程变量的值，使其与设定点相匹配。输出是最终达到设定点的修正值。例如，位置控制器将位置设定点作为输入，过程变量是当前估计的位置，输出则是姿态和推力设定点，使飞行器向理想位置移动。

A 混频器 该系统接收力指令（如向右转弯），并将其转换为单个电机指令，同时确保不超出某些限制。这种转换针对具体的载具类型，并取决于各种因素，例如相对于重心的电机布置或载具的转动惯量。

中间件

中间件 主要包括用于嵌入式传感器的设备驱动程序、与外部世界（配套计算机、GCS 等）的通信以及 uORB 发布-订阅信息总线。

此外，中间件还包括一个 模拟层 它允许 PX4 飞行代码在桌面操作系统上运行，并在模拟世界中控制计算机模型飞行器。

更新费率

由于模块需要等待信息更新，因此通常由驱动程序定义模块的更新速度。大多数 IMU 驱动程序以 1kHz 的频率对数据进行采样，然后以 250Hz 的频率进行整合和发布。系统的其他部分，如 导航仪由于不需要这么高的更新率，因此运行速度要慢得多。

信息更新率可以是 检查 通过运行 顶部.

运行环境

PX4 可在提供 POSIX-API 的各种操作系统（如 Linux、macOS、NuttX 或 QuRT）上运行。它还应具有某种形式的实时调度功能（如先进先出）。

模块间通信（使用 uORB)基于共享内存。整个 PX4 中间件在一个地址空间内运行，即所有模块共享内存。

备注

根据系统的设计，只需极少的努力，就可以在单独的地址空间中运行每个模块（需要更改的部分包括 uORB, 参数接口, 数据管理员 和 敷衍).

模块有两种不同的执行方式：

• 任务:模块在自己的任务中运行，有自己的堆栈和进程优先级。

• 工作队列任务:模块在共享工作队列上运行，与队列上的其他模块共享相同的堆栈和工作队列线程优先级。

  • 所有任务都必须相互合作，不能相互干扰。
  • 多个 工作队列任务 可以在一个队列上运行，也可以有多个队列。
  • A 工作队列任务 是通过指定未来的一个固定时间，或通过 uORB 主题更新回调来安排的。

  在工作队列上运行模块的优点是占用内存少，可能导致任务切换次数减少。缺点是 工作队列任务 不允许在消息上休眠或轮询，也不允许执行阻塞 IO（如从文件中读取）。长时间运行的任务（进行大量计算）也应在单独的任务或至少是单独的工作队列中运行。

备注

工作队列中运行的任务不会显示在 顶级 (只能看到工作队列本身--如 wq:lp_default).使用方法 工作队列状态 来显示所有活动的工作队列项目。

背景任务

px4_task_spawn_cmd() 用于启动新任务（NuttX）或线程（POSIX - Linux/macOS），它们独立于调用（父）任务运行：

独立任务 = px4_task_spawn_cmd(
    "指挥官"；,                    // 进程名称
    SCHED_DEFAULT,                  // 调度类型（RR 或 FIFO）
    默认优先级 + 40,    // 调度优先级
    3600,                           // 新任务或线程的堆栈大小
    指挥官主线程,          // 任务（或线程）主函数
    (烧焦 * 缢 *)及样品；参数[0]        // 传递给新任务的虚指针
                                    // （此处为命令行参数）。
    );

操作系统特定信息

NuttX

NuttX (打开新窗口） 是在飞行控制板上运行 PX4 的主要 RTOS。它开源（BSD 许可）、轻量级、高效且非常稳定。

模块作为任务执行：它们有自己的文件描述符列表，但共享一个地址空间。任务仍可启动一个或多个共享文件描述符列表的线程。

每个任务/线程都有一个固定大小的堆栈，并有一个定期任务来检查所有堆栈是否还有足够的可用空间（基于堆栈着色）。

Linux/macOS

在 Linux 或 macOS 上，PX4 在单个进程中运行，模块在各自的线程中运行（与 NuttX 没有任务和线程之分）。