Огляд архітектури PX4

PX4 складається із двох головних шарів: набору політного ПЗ, що є системою керування та оцінки польоту, та проміжного ПЗ, яке є загальним робототехнічним прошарком ПЗ, що може підтримувати будь-який тип автономного робота, забезпечуючи внутрішній та зовнішній зв'язок та інтеграцію апаратного забезпечення.

Всі планери PX4 мають окрему кодову базу (включаючи й інші роботизовані системи, такі як човни, ровери, підводні човни тощо). Побудова системи є реакційною, це означає що:

• Весь функціонал розділений на взаємозамінні та придатні для повторного використання компоненти
• Зв'язок зроблено через асинхронне передавання повідомлень
• Система може дати раду різним робочим навантаженням

Високорівнева архітектура ПЗ

На діаграмі нижче показано детальний огляд будівельних блоків PX4. Верхня частина діаграми містить блоки проміжного ПЗ, тоді як нижня частина - компоненти набору польотного ПЗ.

Вихідний код розділено на самодостатні модулі/програми (показано на діаграмі моноширинним шрифтом). Зазвичай один блок відповідає одному модулю.

TIP

Під час виконання можна переглянути який з модулів виконується за допомогою команди top в консолі, а кожен модуль може бути запущено окремо за допомогою <module_name> start/stop. Хоча команда top характерна для оболонки NuttX, інші команди можуть бути використані також в оболонці SITL (pxh>). Для додаткової інформації про кожен з цих модулів дивіться Довідник команд та модулів.

Стрілки показують плин інформації для найважливіших зв'язків між модулями. В реальності зв'язків набагато більше ніж показано, а деякі дані (наприклад параметри) отримуються більшістю модулів.

Модулі спілкуються один з одним через шину повідомлень публікації/підписки яка називається uORB. Використання схеми публікації/підписки означає, що:

• Система реакційна — тобто є асинхронною та миттєво оновиться при наявності нових даних
• Всі операції та комунікації повністю розпаралелено
• Системний компонент може споживати дані звідки завгодно у спосіб безпечний для потоків

INFO

Ця архітектура дозволяє швидко і легко замінити кожен з цих блоків навіть під час виконання.

Набір польотного ПЗ

Набір польотного ПЗ є колекцією алгоритмів керування, навігації та спрямування для автономних дронів. Він включає контролери для планерів з фіксованим крилом, мультироторів та ВЗІП, а також спостерігача орієнтації та позиції.

У наступній діаграмі показано огляд будівельних блоків набору ПЗ для польоту. Він містить повний конвеєр від датчиків, вхідних даних РК та контролера автономного польоту (Navigator), до двигуна або управління сервоприводами (Actuators).

Спостерігач приймає вхідні дані з одного або більше датчиків, поєднує їх та обчислює стан рухомого засобу (наприклад орієнтацію з даних датчика ІВП або ж IMU).

Контролер - це компонент, який приймає на вхід заданий і виміряний або ж визначений стан (змінну процесу). Його мета - скорегувати значення змінної процесу, таким чином, щоб вона відповідала заданому значенню. Вихідні дані - це корекційні значення, щоб врешті-решт досягти заданих. Наприклад, контролер позиції приймає задані значення позиції на вході, змінна процесу є значенням позиції що оцінюється, а вихід - це орієнтація та задане значення газу, що рухає засіб до потрібної позиції.

Змішувач приймає команди примусу (наприклад "повернути вправо") і перекладає їх на окремі команди двигуна, при цьому гарантуючи, що певні межі не перевищено. Цей переклад є специфічним для типу засобу і залежить від різних факторів такі як розташування двигунів відносно центру мас або інерція обертання засобу.

Проміжне програмне забезпечення

Проміжне ПЗ головним чином складається з драйверів для вбудованих датчиків, зв'язку із зовнішнім світом (допоміжним комп'ютером, GCS і т ін.) та шиною повідомлень uORB.

Крім того, в проміжне ПЗ включено шар симуляції, який дозволяє коду PX4 запускатися на настільній операційній системі та контролювати модельований комп'ютером рухомий засіб у симульованому "світі".

Темпи оновлення даних

Оскільки модулі очікують оновлень повідомлень, зазвичай драйвери визначають як швидко оновлюється стан модуля. Більшість драйверів ІВП роблять вибірку даних на частоті 1 кГц, інтегрують їх і публікують з частотою 250 Гц. Інші частини системи, такі як navigator не потребують такої високої швидкості поновлення даних тому виконуються значно повільніше.

Частота оновлення повідомлень на системі може бути перевірена в реальному часі, запустивши команду uorb top.

Середовище виконання

PX4 запускається на різних операційних системах які надають POSIX-API (наприклад, Linux, macOS, NuttX або QuRT). Вони також повинні мати якусь форму планування завдань в реальному часі (наприклад FIFO).

Комунікація між модулями (за допомогою uORB) заснована на розділюваній пам'яті. Усе проміжне ПЗ PX4 виконується в єдиному адресному просторі, тобто пам'ять розділена між усіма модулями.

INFO

Система створена так, щоб з мінімальними зусиллями, можна було б запустити кожен модуль в окремому адресному просторі (частини, які необхідно буде змінити включають uORB, parameter interface, dataman та perf).

Існує 2 різні способи запуску модуля:

• Завдання: Модуль виконується у своєму власному завданні з власним стеком і пріоритетом процесу.

• Завдання робочої черги: Модуль виконується в спільній робочій черзі, розділяючи той самий стек та пріоритет потоку робочої черги як і інші модулі в черзі.

  • Усі завдання повинні поводитися скооперовано, оскільки вони не можуть переривати одне одного.
  • Декілька завдань робочої черги можуть запускатися у черзі, а також може бути кілька черг.
  • Завдання робочої черги планується вказанням визначеного часу у майбутньому або через зворотний виклик "поновлення теми" uORB.

  Перевага запуску модулів у робочій черзі полягає в тому, що це використовує менше ОЗП, і потенційно призводить до меншої кількості перемикань завдань. Недоліки в тому, що завданням робочої черги не дозволено перебувати в режимі сну або опитувати наявність повідомлення, або виконувати блокуючу операцію вводу/виводу (наприклад, читання з файлу). Довгострокові завдання (що виконують важкі обчислення) повинні потенційно також запускатися в окремому завданні або принаймні в окремій робочий черзі.

INFO

Завдання запущені в робочій черзі не з'являються у виводі top (видно тільки робочі як такі, наприклад wq:lp_default). Використовуйте work_queue status для показу всіх активних елементів черги.

Фонові завдання

px4_task_spawn_cmd() використовується для запуску нових завдань (NuttX) або потоків (POSIX - Linux/macOS), які працюють незалежно від (батьківського) завдання, що їх викликало:

independent_task = px4_task_spawn_cmd(
    "commander",                    // Process name
    SCHED_DEFAULT,                  // Scheduling type (RR or FIFO)
    SCHED_PRIORITY_DEFAULT + 40,    // Scheduling priority
    3600,                           // Stack size of the new task or thread
    commander_thread_main,          // Task (or thread) main function
    (char * const *)&argv[0]        // Void pointer to pass to the new task
                                    // (here the commandline arguments).
    );

Інформація для певної ОС

NuttX

NuttX є основною RTOS для запуску PX4 на платі керування польотами. Вона має відкритий вихідний код (під BSD ліцензією), легка, ефективна і дуже стабільна.

Модулі виконуються як завдання: вони мають свої списки дескрипторів файлів, але мають єдиний адресний простір. Завдання все ще може запустити один або кілька потоків, які розділяють той самий список дескрипторів файлів.

Кожне завдання/поток має стек фіксованого розміру, є періодичне завдання, яке перевіряє, що в всіх стеках залишилося достатньо вільного місця (засновано на розфарбовуванні стеку).

Linux/macOS

На Linux або macOS, PX4 виконується в одному процесі, а модулі запускаються у своїх потоках (бо немає різниці між завданнями та потоками як на NuttX).