筆者非科班出身，從事無(wú)人機(jī)飛控設(shè)計(jì)四余年，主要參與飛控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，仿真試驗(yàn)及外場(chǎng)試飛，對(duì)飛行控制與管理系統(tǒng)方面，限于沒(méi)有做全面系統(tǒng)性梳理總結(jié)，知識(shí)屬于囫圇又雜散的狀態(tài)。前段時(shí)間組織做過(guò)一個(gè)界面程序，意圖完成總結(jié)性工作，目前尚在完善過(guò)程中。筆者一直認(rèn)為飛控系統(tǒng)軟件和控制律（算法）是想成為飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大神，手里應(yīng)該掌握的鐮刀和榔頭！本文為筆者學(xué)習(xí)飛控軟件架構(gòu)后整理的學(xué)習(xí)筆記，如有內(nèi)容錯(cuò)誤，歡迎指正。文中對(duì)引用他人內(nèi)容會(huì)明確說(shuō)明，如有疏漏未標(biāo)明，歡迎指出，筆者將積極回應(yīng)。

一、飛控系統(tǒng)組成模塊

早期無(wú)人機(jī)沒(méi)有軟件架構(gòu)，是通過(guò)無(wú)線電（RC）控制技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，筆者在大學(xué)本科上的第一門(mén)課叫“自動(dòng)化導(dǎo)論”，記憶深刻，上課開(kāi)始教授就給出一張圖，一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)（包含控制目標(biāo)，控制器，反饋信息，執(zhí)行機(jī)構(gòu)），這個(gè)也很準(zhǔn)備地概括出了早期無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)。得益于衛(wèi)星能力的增強(qiáng)和計(jì)算機(jī)處理能力、算法發(fā)展、實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用、機(jī)電飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)方面的技術(shù)進(jìn)步，目前的飛控系統(tǒng)隨著軟件架構(gòu)變化而發(fā)展。但無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的基本功能是不變的：主要依靠傳感器系統(tǒng)獲取位姿信息，反饋到微處理器進(jìn)行控制系統(tǒng)的運(yùn)算，輸出控制指令給相關(guān)子系統(tǒng)（伺服作動(dòng)/機(jī)電系統(tǒng)）。所以飛控軟件設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)搭建合理軟件流程，使各功能模塊協(xié)調(diào)有效的工作。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)代無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)軟件時(shí)，就不僅僅是讓飛機(jī)飛起來(lái)那么簡(jiǎn)單了，也就是說(shuō)軟件模塊除了基本要素外，還需有其他擴(kuò)展功能，一個(gè)完整的飛控軟件組成模塊包括：

• 1、傳感器模塊（包括預(yù)處理/校準(zhǔn)模塊）
• 2、通信模塊
• 3、控制輸入模塊（來(lái)自地面或自動(dòng)控制模塊）
• 4、導(dǎo)航/制導(dǎo)模塊
• 5、飛行模式管理模塊
• 6、參數(shù)管理模塊（控制可調(diào)參數(shù)、性能查值等）
• 7、飛行控制模塊
• 8、起飛/著陸檢測(cè)模塊
• 9、應(yīng)急處置/健康管理模塊
• 10、數(shù)據(jù)記錄模塊
• 11、固件升級(jí)模塊

…

飛控軟件組成模塊

二、軟件設(shè)計(jì)方法

筆者在大學(xué)期間參加大學(xué)生創(chuàng)新大賽時(shí)，當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)三人查資料合計(jì)后做的是一款球形機(jī)器人（最終結(jié)果它只是完成了直線運(yùn)動(dòng)，未能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)之初設(shè)想的萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)，定點(diǎn)止停），同實(shí)驗(yàn)室有同學(xué)就做的是涵道無(wú)人機(jī)，那個(gè)時(shí)候也就初步接觸了一點(diǎn)飛控知識(shí)。

跟我們的機(jī)器人軟件一樣，為了方便快捷，軟件系統(tǒng)的編寫(xiě)采用前后臺(tái)操作的方式。前臺(tái)應(yīng)用程序是放在mian主函數(shù)里面無(wú)限循環(huán)，調(diào)用相應(yīng)的處理子函數(shù)；后臺(tái)中斷程序處理異步觸發(fā)事件。為保證時(shí)間的精確性，有些固定周期執(zhí)行的任務(wù)都要靠中斷服務(wù)程序來(lái)完成，但是在中斷處理程序中只標(biāo)記事件的發(fā)生，不做任何處理，轉(zhuǎn)而由后臺(tái)系統(tǒng)調(diào)度處理，這是為了避免在中斷程序執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)影響后續(xù)和其他中斷事件。

目前，很多開(kāi)源飛控是帶OS（片上系統(tǒng)）的飛控設(shè)計(jì)。across在一篇總結(jié)文章中這樣描述：這種設(shè)計(jì)方法是在某一操作系統(tǒng)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，OS通過(guò)一個(gè)內(nèi)核的調(diào)度來(lái)管理CPU，使得所有的模塊也就是任務(wù)都能正常運(yùn)行，達(dá)到相對(duì)意義的“并行”。同時(shí)采用基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪性調(diào)度算法來(lái)保證實(shí)時(shí)性。RTOS 將應(yīng)用層軟件分成多個(gè)任務(wù)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，同時(shí)使得飛行控制的實(shí)時(shí)性得到保證。

直觀地說(shuō)，帶OS的飛控，其固件同時(shí)附帶了一系列工具集、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)/模塊與外圍軟件接口層，所有這些軟件（包括用戶(hù)自定義的飛控軟件）隨OS內(nèi)核一起，統(tǒng)一編譯為固件形式，然后上傳到飛控板中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛控板的軟件配置。

帶OS的飛控系統(tǒng)軟件架構(gòu)中，最有意思的一點(diǎn)在于整個(gè)架構(gòu)的抽象性（多態(tài)性），即：為了最大限度保障飛控算法代碼的重用性，其將飛控邏輯與具體的底層控制器指令實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了解耦合。

博主NeoRAGEx2002在他的一篇博文中對(duì)上述兩種設(shè)計(jì)方法有一段總結(jié)，我比較認(rèn)同，摘錄如下：有很多搞自動(dòng)化出身、沒(méi)太多軟件經(jīng)驗(yàn)的朋友傾向于直接使用底層控制協(xié)議來(lái)控制飛控板，但實(shí)際上PX4架構(gòu)（筆者注：帶OS的飛控設(shè)計(jì)實(shí)例）已經(jīng)在更高的抽象層面上提供了更好的選擇，無(wú)論是代碼維護(hù)成本、開(kāi)發(fā)效率、硬件兼容性都能顯著高于前者。很多支持前者方式的開(kāi)發(fā)者的理由主要在于高層封裝機(jī)制效率較低，而飛控板性能不夠，容易給飛控板造成較大的處理負(fù)載，但實(shí)際從個(gè)人感覺(jué)上來(lái)看，遵循PX4的軟件架構(gòu)模式反倒更容易實(shí)現(xiàn)較高處理性能，不容易產(chǎn)生控制擁塞，提升無(wú)人機(jī)側(cè)系統(tǒng)的并發(fā)處理效率。

PX4/Pixhawk飛控軟件架構(gòu)

三、架構(gòu)進(jìn)化

Wyle Aerospace Group的Fred Briggs發(fā)表過(guò)一篇論文《UAV Software Architecture》（無(wú)人機(jī)軟件架構(gòu)）對(duì)相關(guān)軟件架構(gòu)進(jìn)化過(guò)程做了綜述性梳理，筆者對(duì)這部分內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)化后分享如下：

• A. 開(kāi)放控制平臺(tái)

開(kāi)放控制平臺(tái)（Open Control Platform，OCP）是一種面向?qū)ο蟮能浖A(chǔ)構(gòu)件，“提供一條將控制設(shè)計(jì)快速轉(zhuǎn)換為桌面或嵌入式目標(biāo)代碼的路徑，它使得控制設(shè)計(jì)師可以專(zhuān)注于控制設(shè)計(jì)而非集成、通信、發(fā)布、移植、執(zhí)行、調(diào)度、系統(tǒng)配置和資源管理等軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題?！?/p>

• B. WITAS分布式UAV架構(gòu)

此分布式架構(gòu)使用COBRA作為基礎(chǔ)構(gòu)建用于即插即用的軟硬件環(huán)境，并且基于一種以反應(yīng)為中心（reactive concentric）的軟件控制方法。最大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是控制系統(tǒng)有多個(gè)控制模式，可由架構(gòu)激活以動(dòng)態(tài)調(diào)用。此設(shè)計(jì)的軟件架構(gòu)包括一個(gè)慎思、反應(yīng)和控制部分，因此不再是一個(gè)分層遞階 結(jié)構(gòu)而是一個(gè)“以反應(yīng)為中心”的架構(gòu)。此反應(yīng)中心的架構(gòu)是一個(gè)高度分布、松散耦合、并發(fā)的架構(gòu)，具有很多反應(yīng)控制和并發(fā)運(yùn)行的服務(wù)進(jìn)程。

分布式UAV WITAS架構(gòu)的軟件組件(2004)

• C. ARL/PSU智能控制器

此IC（智能）架構(gòu)是一種基于行為（相對(duì)于基于模型）的架構(gòu)，設(shè)計(jì)采用層級(jí)控制，由于從下至上的模式增加了功能復(fù)雜性。它經(jīng)過(guò)改進(jìn)，以滿(mǎn)足協(xié)作能力的要求。圖4所示IC架構(gòu)包含感知和響應(yīng)模塊。感知模塊通過(guò)接收傳感器的輸入數(shù)據(jù)建立一個(gè)外部真實(shí)世界的表示。響應(yīng)模塊使用感知模塊建立的真實(shí)世界的認(rèn)知生成一個(gè)規(guī)劃，來(lái)執(zhí)行特定任務(wù)。

ARL/PSU 智能控制器高層架構(gòu)(2008)

• D. SheLion UAV系統(tǒng)

Cai, G、Chen, B.和Lee, T.在《無(wú)人旋翼系統(tǒng)》介紹了一種行為式的架構(gòu)，他們指出此架構(gòu)可以普遍應(yīng)用到無(wú)人機(jī),包括機(jī)載軟件系統(tǒng)和地面控制站的軟件系統(tǒng)。飛行控制模塊使用多線程框架，用于操作導(dǎo)航傳感器和伺服作動(dòng)器、日志記錄飛行數(shù)據(jù)、與地面站通信以及實(shí)施自動(dòng)控制算法。自動(dòng)控制采用基于行為的體系結(jié)構(gòu)。SheLion飛行控制系統(tǒng)的框架如圖所示。

SheLion飛行控制軟件系統(tǒng)框架(2011)

四、示例分析

下面簡(jiǎn)單介紹一款開(kāi)源的飛控代碼，都是網(wǎng)上找的代碼，主要看下軟件架構(gòu)。 基于MDK的開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用C語(yǔ)言，基于STM32的官方庫(kù)。

代碼結(jié)構(gòu)：

• STARTUPCODE：stm32的啟動(dòng)文件；
• StdPeriph_Driver：基于3.5版本的庫(kù)函數(shù)的驅(qū)動(dòng)文件；
• USB-FS-Device_Driver：USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件；
• usb_virture_com：USB的板級(jí)支持驅(qū)動(dòng)；
• Driver：板級(jí)驅(qū)動(dòng)層，包含一些總線和外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序；
• Modules：傳感器模塊的驅(qū)動(dòng)程序；
• Algorithm：算法程序，包含濾波、數(shù)學(xué)庫(kù)等；
• Function：飛行應(yīng)用層，關(guān)鍵模塊，比如姿態(tài)估計(jì)、姿態(tài)控制等；
• User：主程序和中斷應(yīng)用程序；
• ANO_DT：支持匿名地面站協(xié)議；
• Heigh：高度控制程序；

整個(gè)代碼的模塊化非常細(xì)致，比較清晰。 代碼設(shè)計(jì)就是前面所講的裸機(jī)代碼的一般實(shí)現(xiàn)方法。

先看main文件：

非常簡(jiǎn)單，上電進(jìn)行各種初始化，然后大循環(huán)，循環(huán)執(zhí)行任務(wù)調(diào)度。

下面看下loop的函數(shù)內(nèi)容：

將整個(gè)飛控代碼分成了幾個(gè)周期分別為5ms，10ms，25ms、50ms和100ms的任務(wù)。而每個(gè)任務(wù)的時(shí)間標(biāo)志flag是由一個(gè)時(shí)間片函數(shù)進(jìn)行管理的。設(shè)了一個(gè)tick節(jié)拍，2.5ms一次，所以比如計(jì)數(shù)達(dá)到2次，則5ms的定時(shí)任務(wù)即可執(zhí)行。

而這個(gè)時(shí)間片函數(shù)是一個(gè)定時(shí)中斷，每隔2.5ms執(zhí)行一次。

這種程序設(shè)計(jì)方法如下圖所示。定時(shí)中斷的影響只在任務(wù)調(diào)度模塊里起作用，依次讓不同的任務(wù)按不同的周期進(jìn)行執(zhí)行。要注意的是所設(shè)計(jì)的每個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)間不能超過(guò)設(shè)定的周期。

本期素材部分來(lái)自網(wǎng)絡(luò)：across的《飛控軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)性總結(jié)》、Fred Briggs的論文《UAV Software Architecture》、博主NeoRAGEx2002的《PX4/Pixhawk飛控軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介》