PX4源码开发人员文档（一）——软件架构

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

px4_rc_channels rc_channels_msg;
rc_channels_msg.data().timestamp_last_valid= px4::get_time_micros();
_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。

unsigned min_interval =500;
_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。

unsigned min_interval =500;
_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)

PX4源码开发人员文档（一）——软件架构

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