Pixhawk系统架构介绍

2023年12月9日发(作者：涉县核桃)

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Pixhawk系统架构介绍

前段时间导师叫我做扑翼无人机，工程上需要实现的，能够通过程控飞起来，感觉难度挺大。先从研究PX4开始，打算一步步理解透整

个PX4的框架，机型的适配、旋翼、固定翼的姿态控制，新机型的添加等等。不知道能不能做成，这里先立个flag吧。

这篇文档是我课程作业的一个报告，包含4个方面，硬件架构分析，Linux开发环境搭建，软件架构分析，源代码分析等。由于源代码比

较庞杂，这里简要分析下飞机的返航控制(RTL)，旋翼的混控器，以及uORB的使用三个方面。

Pixhawk是一个独立的项目，旨在以低成本和高可用性为学术界，业余爱好界和工业界提供高端行业标准自动驾驶仪硬件。由于其强大且丰

富的硬件而广受无人机爱好者的好评。Pixhawk支持APM和PX4的固件，这里我们对原生的PX4固件做软件架构分析。对于Pixhawk的系

统架构分析我将从四方面来展开，分别是：硬件架构介绍、PX4开发环境搭建、PX4软件架构分析及总结。这里我们主要对软件架构展开分

析，根据架构的层次性对PX4中的导航模块、Mixer模块和uORB模块做分析和介绍。

关键词：Pixhawk、PX4、硬件架构、软件架构、uORB

1硬件架构分析

Pixhawk是一款基于ARM芯片的32位开源飞控，由ETH的computer vision and geometry group的博士生Lorenz Meier开发。最初

采用的是分体式的设计即px4（由px4fmu和px4io两个组件组成），后合并成一个整体形成现在的pixhawk。其硬件和软件都开源，因此

衍生出很多不同的软硬件版本，最初的分销商是美国的3D Robotics。PIXHAWK是一款高性能自动驾驶仪，适用于固定翼，多旋翼，直升

机，汽车，船只以及任何可移动的其他机器人平台。它针对高端研究，业余和行业需求，并结合了PX4FMU + PX4IO的功能。Pixhawk的

外形如图1所示：

图1 Pixhawk外形及接口

Pixhawk的硬件架构整体框图如图2所示：

图2 硬件框架 由图中的内容可以看出硬件的大致框架，STM32F427芯片作为主控器承担着全部传感器的数据读写，姿态的结算及控制，以及其他信

息的处理和控制。电源系统不仅为电机电调提供电源，同时还承担着主控制器器和所有模块的电源供应。对于其它外围系统以及和主控器的

通信方式分别如下所示：动力系统由主控器的四路PWM控制，调试系统通过microUSB接口和主控器交互，文件系统通过SDIO协议和主控

制器交互，数传系统通过433M模块和主控器交互，遥控系统通过SPI协议和主控制器交互，导航系统通过RTMC协议和主控器交互，定高

及姿态控制系统都是通过I2C协议和主控器交互。这里比较故障协处理器比较有趣，当飞机的主控制器跑飞或者发生其他错误导致无法对电

机进行控制时，可以由协控制器感知到，进而获得电机的控制权，将电机控制在安全的模式下，直到检测到主控器对电机的控制恢复正常。

协控制器不定时的读取主控器的DMA计数寄存器，当这次计数寄存器的值和上去读取到的值一致时说明主控器没有对电机的PWM进行更

新，主控制器失去了对电机的控制，这时协控制器得知主控制器异常，开始接管对电机的控制，直到DMA计数器更新，主控制器恢复对电

机的控制。

2 PX4开发环境搭建

PX4代码可以在 Mac OS,Linux 或者 Windows上进行开发，建议在Mac OS和Linux上进行开发，因为图像处理和高级导航在

windows上不容易开发。如果不确定，新的开发者应默认用Linux和当前Ubuntu长期支持版本（Ubuntu LTS edition）。如果对Docker

熟悉，你可以使用其中一个容器来安装开发环境。

我们使用Debian /Ubuntu LTS 作为Linux的标准支持版本，在这里我的Linux版本为Ubuntu 16.04。

2.1 权限设置

为了便于开发，我们需要把用户添加到用户组”dialout”中，执行：

sudo urmod -a -G dialout $USER

然后注销后，重新登录，因为重新登录后所做的改变才会有效。注意：永远不要使用sudo来修复权限问题，否则会带来更多的权限问

题，需要重装系统来解决。

2.2 安装PX4的依赖包

更新包列表，安装下面编译PX4的依赖包。先安装cmake，执行：

sudo add-apt-repository ppa:george-edison55/cmake-3.x -y

sudo apt-get update

安装必备的软件，比如python、git、qtcreator等等：

# 必备软件

sudo apt-get install python-argpar git-core wget zip

python-empy qtcreatorcmake build-esntial genromfs -y

安装一些仿真工具：

# 仿真工具

sudo add-apt-repository ppa:openjdk-r/ppa

sudo apt-get update

sudo apt-get install openjdk-8-jre

sudo apt-get install ant protobuf-compiler libeigen3-devlibopencv-dev openjdk-8-jdk openjdk-8-jre clang-3.5 lldb-3.5 -y

2.3 安装交叉编译工具链

Ubuntu配备了一系列代理管理，这会严重干扰任何机器人相关的串口（或usb串口），卸载掉它也不会有什么影响，我们这里把它卸载：

sudo apt-get remove modemmanager

更新包列表和安装下面的依赖包：

sudo apt-get install python-rial openocd flex bison libncurs5-devautoconf texinfo build-esntial

libftdi-dev libtoolzlib1g-dev

python-empy -y

安装arm-none-eabi编译工具链，在添加arm-none-eabi工具链之前，请确保删除残余：

sudo apt-get remove gcc-arm-none-eabi gdb-arm-none-eabibinutils-arm-none-eabi gcc-arm-embedded

sudo add-apt-repository --remove ppa:team-gcc-arm-embedded/ppa

如果需要在树莓派上开发则需要安装树莓派上对于的工具链。树莓派开发者应该从下面地址下载树莓派Linux工具链。安装脚本会自动安装

交叉编译工具链：

cd rpi_toolchain

./install_

在工具链安装过程中需要输入密码。如果不想把工具链安装在默认位置/opt/rpi_toolchain，可以执行./install_向安装脚

本传入其它地址。安装脚本会自动配置需要的环境变量。最后，运行以下命令更新环境变量：

source ~/.profile

2.4 代码编译

开发环境搭建好之后，就可以开始下载代码并编译了，PX4可以在控制台或者图形界面/IDE开发。在这里我们对控制台的开发进行简要

介绍。

先建立工作目录，然后从git上下载代码：

mkdir -p ~/src

cd ~/src

cd Firmware

git submodule update --init --recursive

cd ..

现在可以通过编译源代码来构建二进制文件。在直接使用硬件前，推荐先进行仿真。然后就可以对代码进行编译并下载了：

cd Firmware

make px4fmu-v2_default

注意到“make”是一个字符命令编译工具，“px4fmu-v2”是硬件/ardupilot版本，“default”是默认配置，所有的PX4编译目标遵

循这个规则。通过在命令后面添加‘upload’，编译的二进制程序就会通过USB上传到飞控硬件。下载成功后的情况如下所示：

当然这样编译后的代码是无法直接让飞行器飞起来的，如果希望下载能够让自己飞机飞起来的代码建议下载QGroundControl地面站软

件，按照软件的提示来选择自己的机型，校正传感器，链接遥控器，调试参数等操作。

3 PX4软件架构分析

PX4的软件架构将会从4方面来展开陈述，分别是：软件框架的划分，代码文件结构，飞行控制流程以及源代码分析。其中源代码分析将

挑选具有代表性的返航控制模块，混控器以及uORB中间件来分析，这三部分分别隶属于软件框架层次中的应用程序框架，库和操作系统。

3.1软件框架的划分

图3 软件框架

根据PX4软件的运作，同时为了便于我们更好的理解，它可以划分成四个层次：

1) 应用程序的API：这个接口提供给开发人员，比如使用ROS(实时操作系统)或DroneAPI(DroneAPI是一个用于控制无人机的Python

库，可以单独的运行在机载电脑或者其他设备上，通过串口或者无线的方式与飞控板通信)，这一层旨在尽可能的精简、扁平及隐藏其复杂

性。

2) 应用程序框架: 这是为操作基础飞行控制的默认程序集（节点）。比如旋翼的控制、直升机的控制、固定翼的控制等，还有位置估计、

命令控制、导航控制等。

3) 库: 这一层包含了所有的系统库和基本交通控制的函数。比如数学库、控制库、MAV库等等。

4) 操作系统: 最后一层提供操作系统支持，比如任务的调度，硬件驱动程序，网络，UAVCAN和故障安全系统等功能。

3.2 文件结构

分析完了整体的框架，对源代码文件结构的分析也同样重要，源代码的目录结构如图4所示。在firmware文件夹下有很多文件夹，我们

按照图片中的顺序来讲解每个文件夹中代码的功能。其中cmake是编译工具；build_px4fmu-v2_default是在编译后产生中间静态文件和

最终生成的下载文件；src包含飞行控制的主要代码；nuttx-config是nuttx的配置文件；tools文件夹下包含一些工具，比如下载工具；

Nuttx里面则是Nuttx操作系统的源代码；ROMFS里面包含的是飞控板的启动代码。

下面介绍非常重要的src文件夹里面包含的内容。systemcmds:主要放置了系统工具，能够通过启动文件启动或在nsh中去调用的工具。

其中包括控制I2C,查看修改参数，查看软件版本，校准电调、查看系统性能、bootloader升级等工具；drivers里面包含的主要是和硬件相

关的驱动代码，比如stm32文件夹下面包括adc的基类、高精度定时器、伺服控制的驱动程序，device文件夹下面包含外设的基类定义，比

如I2C和SPI等，boards目录下定义了这个型号的板子的接口配置以及相应配置接口（LED、PWM、USB、定时器等的配置）；examples

下面包含一些简单的实例程序，如果有一些实验性的代码可以放到这下面；include目录和lib目录包含其他代码需要用到的头文件和库；

platforms下面定义了px4平台的系统接口方便和nuttx操作系统分离，这样方便移植到其他平台；modules下面分了很多文件夹，这些文

件夹各自是不同的模块，这就是最上层的功能模块包括commder、navigator、mc_att_control、mc_pos_control等。

图4 文件结构

3.3 飞行控制流程

飞行控制的流程如图5所示。图中的左边是飞控系统的控制功能实现，我们从上往下，从左往右依次分析。

1) 用户通过地面站或者遥控器发出模式切换以及摇杆操作对飞行器进行控制，commander根据飞行器的当前状态对用户想要切换到的状

态main_state进行判断：是否能够切换到目标状态，确定最终状态。stickmapper见名知意，摇杆映射，参见px4io.c、文

件。

2) navigator决定飞行器最终会怎么做飞行模式nav_state的转换，以及对应模式下飞机的飞行控制。3) 位置控制提取local postion(光流+IMU)或global postion(GPS)数据根据导航状态进行串级PID控制。外环输入位置差输出速度，内

环输出推力。

4) 姿态控制采用倾转分离的解耦合控制方式，先对齐Z轴再对齐偏航角。同样采用串级PID的控制方式，外环输入姿态角误差，输出姿态

角速率，内环最后输出所需的力矩。

5) mixer混控器根据机型进行力矩分配。根据叶素理论，螺旋桨旋转产生的s升力/扭矩与转速的平方以及拉力系数/扭矩系数相关。构造

力矩分配矩阵。

6) motor_driver驱动电机，控制飞行器飞行。

左边是位置估计算法的实现，GPS确定global postion，optical flow确定local postion，二者有其一才能进入到POSCTL模式。姿态估计

是一切的基础，通过融合惯性传感器(和光流)各自优点解算出飞行器的当前姿态信息。

图5飞行控制流程

3.4 源代码分析

在这里我们将结合源代码分析3个模块的功能及实现，分别是RLT(Return to launch返航控制)模块，mixer(混控器模

块)，uORB(Micro Object Request Broker,微对象请求代理器)消息中间件。

3.4.1 RTL

RTL(return to launch,返航模式)是应用程序框架Navigator中的一部分。它的功能顾名思义就是提供返航功能，返回并降落到“家”的

位置。当飞行模式切换到返航模式时，飞行器会先爬升到返航设定的最低的高度，然后再家的上方悬停几秒(可设定)，最后降落到“家”的

位置，即飞行器起飞的位置或者说是飞行器解锁时的位置。在RTL控制中，把返航飞行划分成了7个部分，如图6所示。

图6 返航飞行的划分

飞行模式相对应的控制函数存储在的数组里面，如图7所示，比如RTL模式的控制函数存放在第3个位置，在导航函数中对定期的检查当

前的模式，然后运行当前模式的代码，如图8所示。当第一次运行_rtl函数时需要先调用on_activation()函数，非第一次运行_rtl函数则运行

on_active函数，因为在第一次运行时需要对飞机进安全性检查，具体可以看图9的on_activation()函数，将依次进行如下判断：

1) 如果当前已经着陆，不执行。

2) 如果当前正在执行降落命令，则直接切换到RTL_STATE_RETURN。

3) 如果高度小于最小返航高度，则爬升到设定高度，如果大于最小高度，则以当前高度返航。

4) 其他情况直接切换到RTL_STATE_RETURN。

5) 最后执行t_rtl_item函数，为不同状态执行不同的控制。

图7 _navigation_mode_array

图8 导航模式的轮询

图9 on_activation()函数

3.4.2 mixer

混控器)是根据机型进行力矩分配的库，有了混控器使得PX4架构保证了核心控制器中不需要针对机身布局做特别处理。混控指的是把输入

指令（例如：遥控器打右转）分配到电机以及舵机的执行器（如电调或舵机PWM）指令。对于固定翼的副翼控制而言，每个副翼由一个舵

机控制，那么混控的意义就是控制其中一个副翼抬起而另一个副翼落下。同样的，对多旋翼而言，俯仰操作需要改变所有电机的转速。将混

控逻辑从实际姿态控制器中分离出来可以大大提高复用性。Mixer简要的控制流程是这样的，一个特定的控制器（如姿态控制器）发送特定

的归一化（-1..+1）的命令到给混合（mixing）,然后混合后输出独立的PWM到执行器（电调，舵机等）.在经过输出驱动如（串

口，UAVCAN，PWM）等将归一化的值再转回特性的值（如输出1300的PWM等）。在混控器中每个机架都会有自己对于的混控文件，

比如旋翼对于的混控文件是mixer_。

这里拿四旋翼的X模式来举例说明一下，机架的轴向及力矩分配矩阵如图10所示：

图10 机架轴向及力矩分配矩阵

力矩分配矩阵中，每一行代表一个电机，并且和它们的编号顺序相同，第1列到第三列分别代表的是Roll、Pitch和Yaw轴的输入。比如

当前需要加大Roll轴的角度，其他轴的的角度保持不变，那么2,3号的电机转速应该增加，1,4号电机的转速应该较小，对比在力矩分配矩阵

上你可以看到，第2,3行的第一列是正值，表示转速和Roll的期望角度正相关，第1,4行是负值，代表和Roll的角度负相关。

在混控器文件中，首先会得到某个通道在对应轴向的力矩输入，比如说来自飞机姿态控制器的输入，或者是控制器的输入等，范围会控制

在-1~1之间，得到输入后，混控器会把输入力矩的大小混合映射到每个电机上，同样每个电机得到幅度为0~1范围内的输出(0代表停转，1

代表满转)，最后把这个输出值计算出PWM的占空比，然后通过电调来调节电机的转速。混控器的控制流程分为下面几步：

1) 读取控制通道的输入。2) 先对Roll、Pitch的输入通道进行计算，得到输出值，因为姿态调节中首先考虑的是Roll和Pitch是否稳定，相对于Yaw则没有那么重

要，然后根据计算得到的最大最小值判断是否饱和。饱和的意思就是说每个电机的的输出是否超过了0~1的范围，如果超过和0~1的范围但

是最大最小值之间没有超过1，则可以通过平移来解决，如果幅度超过了1，则需要通过缩放解决。

3) 确定Roll和Pitch轴可以满足输出要求后，这时加入Yaw，再次计算是否饱和，如果饱和适当调节油门来响应Yaw。

4) 最后得到每个电机的输出，判断改变幅度是否过大，做一个限幅。

源代码分别如图11,12,13,14所示：

图11 得到通道0的输入

图12 对Roll和Pitch轴进行叠加计算

图13 记录下电机相差的的最大幅度

图14 对电机的输出进行评议或缩放操作

3.4.3 uORB分析

uORB(Micro Object Request Broker,微对象请求代理器)是PX4/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。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使用的是NuttX实时ARM系统，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。

进程通过命名的总线交换的消息称之为主题(topic)，在Pixhawk 中，一个主题仅包含一种消息类型，通俗点就是数据类型。每个进程可以

订阅或者发布主题，可以存在多个发布者，或者一个进程可以订阅多个主题，但是一条总线上始终只有一条消息，如图15所示。

图15 uORB订阅发布示意图

在uORB中订阅或者发布主题的流程如图16所示，首先使用orb_subscribe订阅某个主题，订阅后获得一个句柄，对句柄初始化化，比

如说初始化为检测POLLIN事件，之后使用poll函数来监视文件描述符，如果对应的实际发生，使用orb_copy来获得对应的消息。

图16 uORB订阅/发布数据流程

接下来对一些常用的uORB函数进行介绍。

1) int orb_subscribe(const structorb_metadata *meta)

功能：订阅主题（topic）;

说明：即使订阅的主题没有被公告，但是也能订阅成功；但是在这种情况下，却得不到数据，直到主题被公告；

参数：

meta:uORB元对象，可以认为是主题id，一般是通过ORB_ID(主题名)来赋值；

返回值：

错误则返回ERROR;成功则返回一个可以读取数据、更新话题的句柄；如果待订阅的主题没有定义或声明则会返回-1，然后会将errno赋值为ENOENT;

eg:

int fd =orb_subscribe(ORB_ID(topicName));

2) int poll(struct pollfd fds[],nfds_t nfds, int timeout)

功能：监控文件描述符（多个）；

说明：timemout=0,poll()函数立即返回而不阻塞；timeout=INFTIM(-1),poll()会一直阻塞下去，直到检测到return > 0；

参数：

fds:struct pollfd结构类型的数组；

nfds:用于标记数组fds中的结构体元素的总数量；

timeout:是poll函数调用阻塞的时间，单位：毫秒；

返回值：

>0：数组fds中准备好读、写或出错状态的那些socket描述符的总数量；

==0:poll()函数会阻塞timeout所指定的毫秒时间长度之后返回;

-1:poll函数调用失败；同时会自动设置全局变量errno；

3) intorb_copy(const struct orb_metadata *meta, int handle, void *buffer)

功能：从订阅的主题中获取数据并将数据保存到buffer中；

参数：

meta:uORB元对象，可以认为是主题id，一般是通过ORB_ID(主题名)来赋值;

handle:订阅主题返回的句柄；

buffer:从主题中获取的数据；

返回值：

返回OK表示获取数据成功，错误返回ERROR;否则则有根据的去设置errno;

eg:

struct nsor_combined_s raw;

orb_copy(ORB_ID(nsor_combined),nsor_sub_fd, &raw);

4)orb_advert_t orb_adverti(const struct orb_metadata *meta, const void *data)

功能：公告发布者的主题；

说明：在发布主题之前是必须的；否则订阅者虽然能订阅，但是得不到数据；

参数：

meta:uORB元对象，可以认为是主题id，一般是通过ORB_ID(主题名)来赋值;

data:指向一个已被初始化，发布者要发布的数据存储变量的指针；

返回值：错误则返回ERROR;成功则返回一个可以发布主题的句柄；如果待发布的主题没有定义或声明则会返回-1，然后会将errno赋值为ENOENT;

eg:

struct vehicle_attitude_s att;

memt(&att, 0, sizeof(att));

intatt_pub_fd = orb_adverti(ORB_ID(vehicle_attitude), &att);

5) int orb_publish(const structorb_metadata *meta, orb_advert_t handle, const void *data)

功能：发布新数据到主题；

参数：

meta:uORB元对象，可以认为是主题id，一般是通过ORB_ID(主题名)来赋值;

handle:orb_adverti函数返回的句柄；

data:指向待发布数据的指针；

返回值：OK表示成功；错误返回ERROR；否则则有根据的去设置errno;

eg:

orb_publish(ORB_ID(vehicle_attitude),att_pub_fd, &att);

4 总结

Pixhawk硬件的功能已经能够满足绝大部分飞行器的硬件需求了，同时由于硬件开源的特点，相信以后的硬件功能也会越来越强大。PX4软

件代码建立在Nuttx操作系统上，稳定性可以得到很大的保障，其使用的uORB消息中间件技术也大大的简化了开发，同时PX4模块化的编

程思想也为开发人员的阅读和二次开发提供了很大的便利。

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