pixhawk的源码结构介绍（针对ArduCopter这套源码）(一)

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前期准备

• 源 码：自己到github上下载。可参阅这篇博客
• 工 具：ecilpse用来查看源代码。

代码结构分析

当你从github上将Ardupilot这套源码下载下来以后，你会发现这套源码其实针对不同的上层应用。而其中ArduCopter是针对四旋翼飞行器的。由于是开源项目，为了方便更多不懂底层硬件的人来开发上层应用，所以这个项目将底层的一些东西进行了封装，抽象成了一堆的库，让软件开发人员根据这个库，就能实现上层应用的开发。

上图一张说明整个软件架构：

库文件介绍

主要位置:路径为ArduPilot/libraries
核心库：

• AP_AHRS -姿态估计的库，使用DCM或者EKF
• AP_Common-核心库会被其他库所依赖
• AP_Math-各种各样的数学操作的函数，特别是对向量操作比较有用
• AC_PID-PID控制库
• AP_InertialNav - 惯性导航库，已经将GPS及气压器的数据和加速度计进行了融合
• AC_AttitudeControl-姿态控制库
• AP_WPNav-航路点导航库
• AP_Motors -电机库，主要是跟电机输出有关的
• RC_Channel-将从APM_RC接收到的pwm信号转换成内部单元，例如角度
• AP_HAL, AP_HAL_AVR, AP_HAL_PX4-主要将底层硬件进行抽象，使上层应用拥有统一的接口，使其更容易移植到不同的硬件上

传感器库

• AP_InertialSensor -读取陀螺仪和加速度的数据，进行校准，以标准单元将数据提供给主函数和其他库
• AP_RangeFinder -声呐和红外距离传感器接口库
• AP_Baro-气压计接口库
• AP_GPS -GPS接口库
• AP_Compass -三轴磁力计（罗盘）接口库
• AP_OpticalFlow -光流传感器接口库

其他库

• AP_Mount, AP_Camera, AP_Relay -相机云台控制库，相机快门控制库
• AP_Mission-从EEPROM（存储器）中抽取任务命令或保存命令
• AP_Buffer-一个简单的FIFO用于惯性导航的

姿态控制

由于代码在不断更新，所以会有很多版本的代码。大家能看在github上看到此项目的代码迭代介绍。代码版本为AC3.1.5和AC3.2姿态控制逻辑被作为 “the onion” 项目的一部分，新的架构如下图所示：

更新频率为（在pixhawk上时400hz，在APM2.x上是100hz，pixhawk和APM2.X是APM不同版本的硬件板）

• 顶层flight-mode.cpp的 “update_flight_mode()”函数是被调用的。这个函数是检测飞行模式的。（即“control_mode”这个变量）然后调用相应的run()的函数（例如：stabilize_run对应自稳模式, rtl_run对应返航模式）。_run() 这个函数能在名为control.cpp的文件中被找到（例如：control_stabilize.cpp, control_rtl.cpp）。
• 这个_run函数负责将用户的输入转换为对应飞行模式的一个倾斜的角度，旋转速率，爬升率。取个例子，定高模式将用户的roll和pitch输入转化为倾斜的角度（以度为单位），yaw输入被转化为一个旋转的速率（单位为：度/s）。throttle输入被转化为一个爬升率（以cm/s为单位）。roll，pitch，yaw，throttle对应遥控器上两个摇杆的前后左右。
• 这个_run函数必须要做的一件事情就是将这些期待的角度速率传递给Attitude Control 和Position Control库（这些都在 AC_AttitudeControl文件夹下）
• AC_AttitudeControl库提供了5个可能的方式来控制飞行器的姿态。最常用的三个如下：1.angle_ef_roll_pitch_rate_ef_yaw() ：接收地理坐标系下roll和pitch的角度，地理坐标系下yaw的速率。举个例子，假设：roll = -1000, pitch = -1500, yaw = 500 意味着，飞行器向左横滚10度，机头向下俯15度，以5度/s的速率向右偏航。2.angle_ef_roll_pitch_yaw() 这个函数接收地理坐标系的 roll, pitch and yaw三个角度。假设：roll = -1000, pitch = -1500, yaw = 500，前两个量跟之前的一样，最后yaw意味着机器由北向东偏航5度。3.rate_bf_roll_pitch_yaw() 这个函数接收机体坐标系的roll pitch yaw的速率。例如：roll = -1000, pitch = -1500, yaw = 500 代表着飞行器以10度/s的速率向左横滚，以15度/s的速率向下俯，以5度/s的速率偏航。

在以上这些函数被调用后， AC_AttitudeControl::rate_controller_run()被调用，这个函数将以上函数的输出转换成 roll, pitch and yaw输入，这些输入是通过 AP_Motors 库中的 set_roll, set_pitch, set_yaw and set_throttle 函数被发送的。

• AC_PosControl 库用来实现飞行器3维位置的控制。通常仅仅用在Z轴控制在（即高度控制）。因为更为复杂的3维位置的飞行模式（如悬停模式）充分利用AC_WPNav库。在任何情况下，这些库通常包含以下方法：1.set_alt_target_from_climb_rate() 这个函数接收爬升率（cm/s）更新到一个绝对的高度目标。2.set_pos_target()接收一个3维位置向量，这个向量的起点为出发点（家的位置），以cm为单位。
  如果AC_PosControl中任何函数被调用，飞行模式代码也必须调用AC_PosControl::update_z_controller()函数，它将启动Z轴位置的PID控制循环和发送一个低层的 throttle（油门量）到AP_Motors 库中。如果任何XY轴的函数被调用，AC_PosControl::update_xy_controller() 函数一定会被调用。

• AP_Motors 库负责将从AC_AttitudeControl 和AC_PosControl接收到的 roll, pitch, yaw and throttle值转化为电机的绝对输出（PWM值），因此这些上层库会充分利用以下这些函数：1.set_roll(), set_pitch(), set_yaw() 接收在-4500 ~ 4500（将度数放大100倍）范围内的值，这些不是预期的角度和平均速率而仅仅是一个值。举个例子，set_roll(-4500) 代表尽快向左横滚。2.set_throttle()接收一个在0 ~ 1000范围内的一个值，0 =电机关闭，1000 =满油门输出。

飞行器会有不同种类的机架（四轴，六轴，等）但是每一种飞行器都有一个“output_armed”函数负责实现 roll, pitch, yaw and throttle 值到PWM输出的转化。每一种机架都有不同的roll, pitch, yaw and throttle 最大值。在“output_armed” 函数底层有一个the hal.rcout->write()函数是用来将预期的PWM值传递到AP_HAL层。

• AP_HAL库（硬件抽象层）被所有的硬件板提供了一致的接口。特别是hal.rc_out_write()函数将从 AP_Motors 类中接收的具体PWM转化为特定板子pin脚的输出。

下期预告

今天有点累了，就写那么多，等有空再写《pixhawk的源码结构介绍（针对ArduCopter这套源码）（二）》，敬请期待。

注：本人水平有限，如有错误，欢迎指出，多多交流。