PX4/Pixhawk---uORB深入理解和应用

时间:2021-08-07 07:15:20

The Instructions of uORB

『PX4/Pixhawk』『软件体系结构』『uORB』『主题发布』『主题订阅』

1 简介

1.1 PX4/Pixhawk的软件体系结构

 PX4/Pixhawk的软件体系结构主要被分为四个层次,这可以让我们更好的理解PX4/Pixhawk的软件架构和运作:

  • 应用程序的API:这个接口提供给应用程序开发人员,此API旨在尽可能的精简、扁平及隐藏其复杂性。
  • 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)。
  • 库: 这一层包含了所有的系统库和基本交通控制的函数。
  • 操作系统: 最后一层提供硬件驱动程序,网络,UAVCAN和故障安全系统。

PX4/Pixhawk---uORB深入理解和应用
  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。

1.2 PX4/Pixhawk应用程序框架

PX4/Pixhawk---uORB深入理解和应用

  应用层中操作基础飞行的应用之间都是隔离的,这样提供了一种安保模式,以确保基础操作独立的高级别系统状态的稳定性。而沟通它们的就是uORB。

2 uORB文件夹说明

2.1 uORB文件夹结构

PX4/Pixhawk---uORB深入理解和应用

2.2 文件/目录说明

topics : 系统通用接口定义的标准主题,比如电池电量转态、GPS的位置参数等
module.mk : uORB模块makefile文件
objects_common.cpp: 通用接口标准主题定义集合,如添加新主题在这里定义
ORBMap.hpp : 对象请求器节点链表管理(驱动节点)
ORBSet.hpp : 对象请求器节点管理(非驱动节点)
Publication.cpp : 在不同的发布中遍历使用
Publication.hpp : 在不同的发布中遍历使用
Subscription.cpp : 在不同的订阅中遍历使用
Subscription.hpp : 在不同的订阅中遍历使用
uORB.cpp : uORB的实现
uORB.h : uORB头文件
uORBCommon.hpp : uORB公共部分变量定义实现
uORBCommunicator.hpp : 远程订阅的接口实现,实现了对不同的通信通道管理,如添加/移除订阅者,可以基于TCP/IP或fastRPC;传递给通信链路的实现,以提供在信道上接收消息的回调。
uORBDevices.hpp :
uORBDevices_nuttx.cpp : 节点操作,close,open,read,write
uORBDevices_nuttx.hpp :
uORBDevices_posix.cpp :
uORBDevices_posix.hpp :
uORBMain.cpp : uORB入口
uORBManager.hpp : uORB功能函数实现头文件
uORBManager_nuttx.cpp : uORB功能函数实现(Nuttx)
uORBManager_posix.cpp : uORB功能函数实现(Posix)
uORBTest_UnitTest.cpp : uORB测试
uORBTest_UnitTest.hpp : uORB测试头文件,包括主题定义和声明等
uORBUtiles.cpp :
uORBUtiles.hpp :

3 常用函数功能解析

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;

int orb_subscribe(const struct orb_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));

int orb_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 sensor_combined_s raw;
orb_copy(ORB_ID(sensor_combined), sensor_sub_fd, &raw);

orb_advert_t orb_advertise(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;
memset(&att, 0, sizeof(att));
int att_pub_fd = orb_advertise(ORB_ID(vehicle_attitude), &att);

int orb_publish(const struct orb_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_advertise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);

int orb_set_interval(int handle, unsigned interval)

功能:设置订阅的最小时间间隔;
说明:如果设置了,则在这间隔内发布的数据将订阅不到;需要注意的是,设置后,第一次的数据订阅还是由起初设置的频率来获取,
参数:
handle:orb_subscribe函数返回的句柄;
interval:间隔时间,单位ms;
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_set_interval(sensor_sub_fd, 1000);

orb_advert_t orb_advertise_multi(const struct orb_metadata *meta, const void *data, int *instance, int priority)

功能:设备/驱动器的多个实例实现公告,利用此函数可以注册多个类似的驱动程序;
说明:例如在飞行器中有多个相同的传感器,那他们的数据类型则类似,不必要注册几个不同的话题;
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;
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;
instance:整型指针,指向实例的ID(从0开始);
priority:实例的优先级。如果用户订阅多个实例,优先级的设定可以使用户使用优先级高的最优数据源;
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 orb_test t;
t.val = 0;
int instance0;
orb_advert_t pfd0 = orb_advertise_multi(ORB_ID(orb_multitest), &t, &instance0, ORB_PRIO_MAX);

int orb_subscribe_multi(const struct orb_metadata *meta, unsigned instance)

功能:订阅主题(topic);
说明:通过实例的ID索引来确定是主题的哪个实例;
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;
instance:主题实例ID;实例ID=0与orb_subscribe()实现相同;
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 sfd1 = orb_subscribe_multi(ORB_ID(orb_multitest), 1);

int orb_unsubscribe(int handle)

功能:取消订阅主题;
参数:
handle:主题句柄;
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:
ret = orb_unsubscribe(handle);

int orb_check(int handle, bool *updated)

功能:订阅者可以用来检查一个主题在发布者上一次更新数据后,有没有订阅者调用过ob_copy来接收、处理过;
说明:如果主题在在被公告前就有人订阅,那么这个API将返回“not-updated”直到主题被公告。可以不用poll,只用这个函数实现数据的获取。
参数:
handle:主题句柄;
updated:如果当最后一次更新的数据被获取了,检测到并设置updated为ture;
返回值:
OK表示检测成功;错误返回ERROR;否则则有根据的去设置errno;
eg:
if (PX4_OK != orb_check(sfd, &updated)) {
return printf("check(1) failed");
}
if (updated) {
return printf("spurious updated flag");
}

//or

bool updated;
struct random_integer_data rd;

/* check to see whether the topic has updated since the last time we read it */
orb_check(topic_handle, &updated);

if (updated) {
/* make a local copy of the updated data structure */
orb_copy(ORB_ID(random_integer), topic_handle, &rd);
printf("Random integer is now %d\n", rd.r);
}

int orb_stat(int handle, uint64_t *time)

功能:订阅者可以用来检查一个主题最后的发布时间;
参数:
handle:主题句柄;
time:存放主题最后发布的时间;0表示该主题没有发布或公告;
返回值:
OK表示检测成功;错误返回ERROR;否则则有根据的去设置errno;
eg:
ret = orb_stat(handle,time);

int orb_exists(const struct orb_metadata *meta, int instance)

功能:检测一个主题是否存在;
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;
instance:ORB 实例ID;
返回值:
OK表示检测成功;错误返回ERROR;否则则有根据的去设置errno;
eg:
ret = orb_exists(ORB_ID(vehicle_attitude),0);

int orb_priority(int handle, int *priority)

功能:获取主题优先级别;
参数:
handle:主题句柄;
priority:存放获取的优先级别;
返回值:
OK表示检测成功;错误返回ERROR;否则则有根据的去设置errno;
eg:
ret = orb_priority(handle,&priority);

4 例程

4.1 例程前准备工作
  • archives已编译完成(注:2015/10/6号后改为cmake编译系统,不再需要编译archives了);

  • 添加一个新的模块

    • 在Firmware/src/modules中添加一个新的文件夹,命名为px4_simple_app
    • 在px4_simple_app文件夹中创建module.mk文件,并输入以下内容:
      • MODULE_COMMAND = px4_simple_app
      • SRCS = px4_simple_app.c
    • 在px4_simple_app文件夹中创建px4_simple_app.c文件
/**
* @file px4_simple_app.c
* Minimal application example for PX4 autopilot.
*/


#include <nuttx/config.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

__EXPORT int px4_simple_app_main(int argc, char *argv[]);

int px4_simple_app_main(int argc, char *argv[])
{
printf("Hello Sky!\n");
return OK;
}
  • 注册新添加的应用到NuttShell中,并编译上传
    • Firmware/makefiles/config_px4fmu-v2_default.mk文件中添加如下内容:
      • MODULES += modules/px4_simple_app
    • 编译
      • make clean
      • make px4fmu-v2_default
    • 上传到板子中
      • make upload px4fmu-v2_default
  • 在QGC 中的Terminal(终端)中运行新应用
    • nsh > px4_simple_app

 接下来的代码修改均是基于此应用。

4.2 订阅主题

sensor_combined主题是官方提供的通用接口标准主题。

/**
* @file px4_simple_app.c
* Minimal application example for PX4 autopilot
*/


#include <nuttx/config.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <poll.h>

#include <uORB/uORB.h>
#include <uORB/topics/sensor_combined.h>

__EXPORT int px4_simple_app_main(int argc, char *argv[]);

int px4_simple_app_main(int argc, char *argv[])
{
printf("Hello Sky!\n");

/*订阅sensor_combined 主题*/
int sensor_sub_fd = orb_subscribe(ORB_ID(sensor_combined));

/*一个应用可以等待多个主题,在这里只等待一个主题*/
struct pollfd fds[] = {
{ .fd = sensor_sub_fd, .events = POLLIN },
/* 这里可以添加更多的文件描述符;
* { .fd = other_sub_fd, .events = POLLIN },
*/

};

int error_counter = 0;

while (true) {
/*poll函数调用阻塞的时间为1s*/
int poll_ret = poll(fds, 1, 1000);

/*处理poll返回的结果 */
if (poll_ret == 0) {
/* 这表示时间溢出了,在1s内没有获取到发布者的数据 */
printf("[px4_simple_app] Got no data within a second\n");
} else if (poll_ret < 0) {
/* 出现问题 */
if (error_counter < 10 || error_counter % 50 == 0) {
/* use a counter to prevent flooding (and slowing us down) */
printf("[px4_simple_app] ERROR return value from poll(): %d\n"
, poll_ret);
}
error_counter++;
} else {

if (fds[0].revents & POLLIN) {
/*从文件描述符中获取订阅的数据*/
struct sensor_combined_s raw;
/* copy sensors raw data into local buffer */
orb_copy(ORB_ID(sensor_combined), sensor_sub_fd, &raw);
printf("[px4_simple_app] Accelerometer:\t%8.4f\t%8.4f\t%8.4f\n",
(double)raw.accelerometer_m_s2[0],
(double)raw.accelerometer_m_s2[1],
(double)raw.accelerometer_m_s2[2]);
}
/* 如果有更多的文件描述符,可以这样:
* if (fds[1..n].revents & POLLIN) {}
*/

}
}

return 0;
}
测试需要在QGC终端启动uORB和初始化该传感器,最后运行应用:
nsh > uorb start
nsh > sh /etc/init.d/rc.sensors
nsh > px4_simple_app &
4.3 订阅和发布主题

sensor_combined主题是官方提供的通用接口标准主题。
vehicle_attitude主题是官方提供的通用接口标准主题。

 程序流程图如下:

PX4/Pixhawk---uORB深入理解和应用

/**
* @file px4_simple_app.c
* Minimal application example for PX4 autopilot
*/


#include <nuttx/config.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <poll.h>

#include <uORB/uORB.h>
#include <uORB/topics/sensor_combined.h>
#include <uORB/topics/vehicle_attitude.h>

__EXPORT int px4_simple_app_main(int argc, char *argv[]);

int px4_simple_app_main(int argc, char *argv[])
{
printf("Hello Sky!\n");

/* 订阅 sensor_combined 主题 */
int sensor_sub_fd = orb_subscribe(ORB_ID(sensor_combined));
orb_set_interval(sensor_sub_fd, 1000);

/* 公告 attitude 主题 */
struct vehicle_attitude_s att;
memset(&att, 0, sizeof(att));
int att_pub_fd = orb_advertise(ORB_ID(vehicle_attitude), &att);

/*一个应用可以等待多个主题,在这里只等待一个主题*/
struct pollfd fds[] = {
{ .fd = sensor_sub_fd, .events = POLLIN },
/* there could be more file descriptors here, in the form like:
* { .fd = other_sub_fd, .events = POLLIN },
*/

};

int error_counter = 0;

while (true) {
/* wait for sensor update of 1 file descriptor for 1000 ms (1 second) */
int poll_ret = poll(fds, 1, 1000);

/* handle the poll result */
if (poll_ret == 0) {
/* this means none of our providers is giving us data */
printf("[px4_simple_app] Got no data within a second\n");
} else if (poll_ret < 0) {
/* this is seriously bad - should be an emergency */
if (error_counter < 10 || error_counter % 50 == 0) {
/* use a counter to prevent flooding (and slowing us down) */
printf("[px4_simple_app] ERROR return value from poll(): %d\n"
, poll_ret);
}
error_counter++;
} else {

if (fds[0].revents & POLLIN) {
/* obtained data for the first file descriptor */
struct sensor_combined_s raw;
/* copy sensors raw data into local buffer */
orb_copy(ORB_ID(sensor_combined), sensor_sub_fd, &raw);
printf("[px4_simple_app] Accelerometer:\t%8.4f\t%8.4f\t%8.4f\n",
(double)raw.accelerometer_m_s2[0],
(double)raw.accelerometer_m_s2[1],
(double)raw.accelerometer_m_s2[2]);

/* 赋值 att 并且发布这些数据给其他的应用 */
att.roll = raw.accelerometer_m_s2[0];
att.pitch = raw.accelerometer_m_s2[1];
att.yaw = raw.accelerometer_m_s2[2];
orb_publish(ORB_ID(vehicle_attitude), att_pub_fd, &att);
}
/* there could be more file descriptors here, in the form like:
* if (fds[1..n].revents & POLLIN) {}
*/

}
}

return 0;
}
4.4 创建自己的主题

  官方提供的通用接口标准主题都放在了topics文件夹下了。如果要定义我们自己的主题,比如我们新添加了超声波传感器,为了将超声波传感器的数据发布出去给其他需要的应用订阅,那么久需要创建我们的主题了。

  • 主题头文件(mytopic.h)
    • ORB_DECLARE(myTopicName);//声明一个主题
    • 定义一个存放发布数据的结构体;
  • 主题源文件(mytopic.c)
    • ORB_DEFINE(myTopicName);//定义一个主题
    • 初始化发布数据
    • 公告主题
    • 发布主题数据

mytopic.h

/* 声明自定义主题,名字可以自定义,不过最好具有一定的意义,如下为随机产生整数数据 */
ORB_DECLARE(random_integer);

/* 定义要发布的数据结构体 */
struct random_integer_data {
int r;
};

mytopic_publish.c

#include <topic.h>

/* 定义主题 */
ORB_DEFINE(random_integer);

/* 待发布的主题句柄 */
static int topic_handle;

int init()
{
/* 随机产生一个数初始化数据结构体 */
struct random_integer_data rd = { .r = random(), };

/* 公告主题 */
topic_handle = orb_advertise(ORB_ID(random_integer), &rd);
}

int update_topic()
{
/* 产生新的数据 */
struct random_integer_data rd = { .r = random(), };

/* 发布主题,更新数据 */
orb_publish(ORB_ID(random_integer), topic_handle, &rd);
}

  对于订阅者来说,就可以参考主题「4.2 订阅例程」了。不过这里还是提供下简单处理例程:

mytopic_subscriber.c

#include <topic.h>

/* 订阅主题的句柄*/
static int topic_handle;

int init()
{
/* 订阅主题 */
topic_handle = orb_subscribe(ORB_ID(random_integer));
}

void check_topic()
{
bool updated;
struct random_integer_data rd;

/* check to see whether the topic has updated since the last time we read it */
orb_check(topic_handle, &updated);

if (updated) {
/* make a local copy of the updated data structure */
orb_copy(ORB_ID(random_integer), topic_handle, &rd);
printf("Random integer is now %d\n", rd.r);
}
}

5 参考资料

  http://www.pixhawk.com/start?id=zh/dev/px4_simple_app
  http://www.pixhawk.com/dev/shared_object_communication
  http://blog.arm.so/armteg/pixhawk/183-0503.html
  http://pixhawk.org/start?id=dev/software_architecture
  http://www.pixhawk.com/dev/add_uorb_topic?s[]=objects&s[]=common