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编程问答

PX4/Pixhawk---uORB深入理解和应用

發(fā)布時間：2024/4/18 编程问答 55 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 PX4/Pixhawk---uORB深入理解和应用小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

The Instructions of uORB

『PX4/Pixhawk』???『軟件體系結(jié)構(gòu)』?『uORB』?『主題發(fā)布』?『主題訂閱』

1 簡介

1.1 PX4/Pixhawk的軟件體系結(jié)構(gòu)

?PX4/Pixhawk的軟件體系結(jié)構(gòu)主要被分為四個層次，這可以讓我們更好的理解PX4/Pixhawk的軟件架構(gòu)和運(yùn)作：

應(yīng)用程序的API：這個接口提供給應(yīng)用程序開發(fā)人員，此API旨在盡可能的精簡、扁平及隱藏其復(fù)雜性。
應(yīng)用程序框架: 這是為操作基礎(chǔ)飛行控制的默認(rèn)程序集（節(jié)點）。
庫: 這一層包含了所有的系統(tǒng)庫和基本交通控制的函數(shù)。
操作系統(tǒng): 最后一層提供硬件驅(qū)動程序，網(wǎng)絡(luò)，UAVCAN和故障安全系統(tǒng)。

?
??uORB(Micro Object Request Broker,微對象請求代理器)是PX4/Pixhawk系統(tǒng)中非常重要且關(guān)鍵的一個模塊，它肩負(fù)了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，所有的傳感器數(shù)據(jù)、GPS、PPM信號等都要從芯片獲取后通過uORB進(jìn)行傳輸?shù)礁鱾€模塊進(jìn)行計算處理。實際上uORB是一套跨「進(jìn)程」的IPC通訊模塊。在Pixhawk中，所有的功能被獨立以進(jìn)程模塊為單位進(jìn)行實現(xiàn)并工作。而進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交互就由為重要，必須要能夠符合實時、有序的特點。?
??Pixhawk使用的是NuttX實時ARM系統(tǒng)，uORB實際上是多個進(jìn)程打開同一個設(shè)備文件，進(jìn)程間通過此文件節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和共享。進(jìn)程通過命名的「總線」交換的消息稱之為「主題」(topic)，在Pixhawk 中，一個主題僅包含一種消息類型，通俗點就是數(shù)據(jù)類型。每個進(jìn)程可以「訂閱」或者「發(fā)布」主題，可以存在多個發(fā)布者，或者一個進(jìn)程可以訂閱多個主題，但是一條總線上始終只有一條消息。

1.2 PX4/Pixhawk應(yīng)用程序框架

??應(yīng)用層中操作基礎(chǔ)飛行的應(yīng)用之間都是隔離的，這樣提供了一種安保模式，以確?；A(chǔ)操作獨立的高級別系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定性。而溝通它們的就是uORB。

2 uORB文件夾說明

2.1 uORB文件夾結(jié)構(gòu)

2.2 文件/目錄說明

topics : 系統(tǒng)通用接口定義的標(biāo)準(zhǔn)主題,比如電池電量轉(zhuǎn)態(tài)、GPS的位置參數(shù)等?
module.mk : uORB模塊makefile文件?
objects_common.cpp: 通用接口標(biāo)準(zhǔn)主題定義集合，如添加新主題在這里定義?
ORBMap.hpp : 對象請求器節(jié)點鏈表管理（驅(qū)動節(jié)點）?
ORBSet.hpp : 對象請求器節(jié)點管理（非驅(qū)動節(jié)點）?
Publication.cpp : 在不同的發(fā)布中遍歷使用?
Publication.hpp : 在不同的發(fā)布中遍歷使用?
Subscription.cpp : 在不同的訂閱中遍歷使用?
Subscription.hpp : 在不同的訂閱中遍歷使用?
uORB.cpp : uORB的實現(xiàn)?
uORB.h : uORB頭文件?
uORBCommon.hpp : uORB公共部分變量定義實現(xiàn)?
uORBCommunicator.hpp : 遠(yuǎn)程訂閱的接口實現(xiàn)，實現(xiàn)了對不同的通信通道管理，如添加/移除訂閱者，可以基于TCP/IP或fastRPC;傳遞給通信鏈路的實現(xiàn)，以提供在信道上接收消息的回調(diào)。?
uORBDevices.hpp :?
uORBDevices_nuttx.cpp : 節(jié)點操作，close,open,read,write?
uORBDevices_nuttx.hpp :?
uORBDevices_posix.cpp :?
uORBDevices_posix.hpp :?
uORBMain.cpp : uORB入口?
uORBManager.hpp : uORB功能函數(shù)實現(xiàn)頭文件?
uORBManager_nuttx.cpp : uORB功能函數(shù)實現(xiàn)(Nuttx)?
uORBManager_posix.cpp : uORB功能函數(shù)實現(xiàn)(Posix)?
uORBTest_UnitTest.cpp : uORB測試?
uORBTest_UnitTest.hpp : uORB測試頭文件，包括主題定義和聲明等?
uORBUtiles.cpp :?
uORBUtiles.hpp :

3 常用函數(shù)功能解析

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

功能：監(jiān)控文件描述符（多個）；說明：timemout=0,poll()函數(shù)立即返回而不阻塞；timeout=INFTIM(-1),poll()會一直阻塞下去，直到檢測到return > 0；參數(shù)：fds:struct pollfd結(jié)構(gòu)類型的數(shù)組；nfds:用于標(biāo)記數(shù)組fds中的結(jié)構(gòu)體元素的總數(shù)量；timeout:是poll函數(shù)調(diào)用阻塞的時間，單位：毫秒；返回值：>0：數(shù)組fds中準(zhǔn)備好讀、寫或出錯狀態(tài)的那些socket描述符的總數(shù)量；==0:poll()函數(shù)會阻塞timeout所指定的毫秒時間長度之后返回;-1:poll函數(shù)調(diào)用失敗；同時會自動設(shè)置全局變量errno；

int orb_subscribe(const struct orb_metadata *meta)

功能：訂閱主題（topic）; 說明：即使訂閱的主題沒有被公告，但是也能訂閱成功；但是在這種情況下，卻得不到數(shù)據(jù)，直到主題被公告；參數(shù)：meta:uORB元對象，可以認(rèn)為是主題id，一般是通過ORB_ID(主題名)來賦值；返回值：錯誤則返回ERROR;成功則返回一個可以讀取數(shù)據(jù)、更新話題的句柄；如果待訂閱的主題沒有定義或聲明則會返回-1，然后會將errno賦值為ENOENT; eg:int fd = orb_subscribe(ORB_ID(topicName));

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

功能：從訂閱的主題中獲取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)保存到buffer中；參數(shù)：meta:uORB元對象，可以認(rèn)為是主題id，一般是通過ORB_ID(主題名)來賦值;handle:訂閱主題返回的句柄；buffer:從主題中獲取的數(shù)據(jù)；返回值：返回OK表示獲取數(shù)據(jù)成功，錯誤返回ERROR;否則則有根據(jù)的去設(shè)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：公告發(fā)布者的主題；說明：在發(fā)布主題之前是必須的；否則訂閱者雖然能訂閱，但是得不到數(shù)據(jù)；參數(shù)：meta:uORB元對象，可以認(rèn)為是主題id，一般是通過ORB_ID(主題名)來賦值;data:指向一個已被初始化，發(fā)布者要發(fā)布的數(shù)據(jù)存儲變量的指針；返回值：錯誤則返回ERROR;成功則返回一個可以發(fā)布主題的句柄；如果待發(fā)布的主題沒有定義或聲明則會返回-1，然后會將errno賦值為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：發(fā)布新數(shù)據(jù)到主題；參數(shù)：meta:uORB元對象，可以認(rèn)為是主題id，一般是通過ORB_ID(主題名)來賦值;handle:orb_advertise函數(shù)返回的句柄；data:指向待發(fā)布數(shù)據(jù)的指針；返回值：OK表示成功；錯誤返回ERROR；否則則有根據(jù)的去設(shè)置errno; eg: orb_publish(ORB_ID(vehicle_attitude), att_pub_fd, &att);

int orb_set_interval(int handle, unsigned interval)

功能：設(shè)置訂閱的最小時間間隔；說明：如果設(shè)置了，則在這間隔內(nèi)發(fā)布的數(shù)據(jù)將訂閱不到；需要注意的是，設(shè)置后，第一次的數(shù)據(jù)訂閱還是由起初設(shè)置的頻率來獲取，參數(shù)：handle:orb_subscribe函數(shù)返回的句柄；interval:間隔時間，單位ms; 返回值：OK表示成功；錯誤返回ERROR；否則則有根據(jù)的去設(shè)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：設(shè)備/驅(qū)動器的多個實例實現(xiàn)公告，利用此函數(shù)可以注冊多個類似的驅(qū)動程序；說明：例如在飛行器中有多個相同的傳感器，那他們的數(shù)據(jù)類型則類似，不必要注冊幾個不同的話題；參數(shù)：meta:uORB元對象，可以認(rèn)為是主題id，一般是通過ORB_ID(主題名)來賦值;data:指向一個已被初始化，發(fā)布者要發(fā)布的數(shù)據(jù)存儲變量的指針；instance:整型指針，指向?qū)嵗腎D（從0開始）；priority:實例的優(yōu)先級。如果用戶訂閱多個實例，優(yōu)先級的設(shè)定可以使用戶使用優(yōu)先級高的最優(yōu)數(shù)據(jù)源；返回值：錯誤則返回ERROR;成功則返回一個可以發(fā)布主題的句柄；如果待發(fā)布的主題沒有定義或聲明則會返回-1，然后會將errno賦值為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：訂閱主題（topic）; 說明：通過實例的ID索引來確定是主題的哪個實例；參數(shù)：meta:uORB元對象，可以認(rèn)為是主題id，一般是通過ORB_ID(主題名)來賦值;instance:主題實例ID;實例ID=0與orb_subscribe()實現(xiàn)相同；返回值：錯誤則返回ERROR;成功則返回一個可以讀取數(shù)據(jù)、更新話題的句柄；如果待訂閱的主題沒有定義或聲明則會返回-1，然后會將errno賦值為ENOENT; eg:int sfd1 = orb_subscribe_multi(ORB_ID(orb_multitest), 1);

int orb_unsubscribe(int handle)

功能：取消訂閱主題；參數(shù)：handle:主題句柄；返回值：OK表示成功；錯誤返回ERROR;否則則有根據(jù)的去設(shè)置errno; eg:ret = orb_unsubscribe(handle);

int orb_check(int handle, bool *updated)

功能：訂閱者可以用來檢查一個主題在發(fā)布者上一次更新數(shù)據(jù)后，有沒有訂閱者調(diào)用過ob_copy來接收、處理過；說明：如果主題在在被公告前就有人訂閱，那么這個API將返回“not-updated”直到主題被公告。可以不用poll，只用這個函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取。參數(shù)：handle:主題句柄；updated:如果當(dāng)最后一次更新的數(shù)據(jù)被獲取了，檢測到并設(shè)置updated為ture; 返回值：OK表示檢測成功；錯誤返回ERROR;否則則有根據(jù)的去設(shè)置errno; eg:if (PX4_OK != orb_check(sfd, &updated)) {return printf("check(1) failed");}if (updated) {return printf("spurious updated flag");}//orbool 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：訂閱者可以用來檢查一個主題最后的發(fā)布時間；參數(shù)：handle:主題句柄；time:存放主題最后發(fā)布的時間；0表示該主題沒有發(fā)布或公告；返回值：OK表示檢測成功；錯誤返回ERROR;否則則有根據(jù)的去設(shè)置errno; eg:ret = orb_stat(handle,time);

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

功能：檢測一個主題是否存在；參數(shù)：meta:uORB元對象，可以認(rèn)為是主題id，一般是通過ORB_ID(主題名)來賦值;instance:ORB 實例ID; 返回值：OK表示檢測成功；錯誤返回ERROR;否則則有根據(jù)的去設(shè)置errno; eg:ret = orb_exists(ORB_ID(vehicle_attitude),0);

int orb_priority(int handle, int *priority)

功能：獲取主題優(yōu)先級別；參數(shù)：handle:主題句柄；priority:存放獲取的優(yōu)先級別；返回值：OK表示檢測成功；錯誤返回ERROR;否則則有根據(jù)的去設(shè)置errno; eg:ret = orb_priority(handle,&priority);

4 例程

4.1 例程前準(zhǔn)備工作

archives已編譯完成(注：2015/10/6號后改為cmake編譯系統(tǒng)，不再需要編譯archives了)；
添加一個新的模塊
- 在Firmware/src/modules中添加一個新的文件夾，命名為px4_simple_app
- 在px4_simple_app文件夾中創(chuàng)建module.mk文件，并輸入以下內(nèi)容：?
  - MODULE_COMMAND = px4_simple_app
  - SRCS = px4_simple_app.c
- 在px4_simple_app文件夾中創(chuàng)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; }

注冊新添加的應(yīng)用到NuttShell中，并編譯上傳?
- Firmware/makefiles/config_px4fmu-v2_default.mk文件中添加如下內(nèi)容：?
  - MODULES += modules/px4_simple_app
- 編譯?
  - make clean
  - make px4fmu-v2_default
- 上傳到板子中?
  - make upload px4fmu-v2_default
在QGC 中的Terminal(終端)中運(yùn)行新應(yīng)用?
- nsh > px4_simple_app

?接下來的代碼修改均是基于此應(yīng)用。

4.2 訂閱主題

?sensor_combined主題是官方提供的通用接口標(biāo)準(zhǔn)主題。

/*** @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");/*訂閱sensor_combined 主題*/int sensor_sub_fd = orb_subscribe(ORB_ID(sensor_combined));/*一個應(yīng)用可以等待多個主題，在這里只等待一個主題*/struct pollfd fds[] = {{ .fd = sensor_sub_fd, .events = POLLIN },/* 這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函數(shù)調(diào)用阻塞的時間為1s*/int poll_ret = poll(fds, 1, 1000);/*處理poll返回的結(jié)果 */if (poll_ret == 0) {/* 這表示時間溢出了，在1s內(nèi)沒有獲取到發(fā)布者的數(shù)據(jù) */printf("[px4_simple_app] Got no data within a second\n");} else if (poll_ret < 0) {/* 出現(xiàn)問題 */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) {/*從文件描述符中獲取訂閱的數(shù)據(jù)*/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，可以這樣：* if (fds[1..n].revents & POLLIN) {}*/}}return 0; }

測試需要在QGC終端啟動uORB和初始化該傳感器，最后運(yùn)行應(yīng)用：nsh > uorb startnsh > sh /etc/init.d/rc.sensorsnsh > px4_simple_app &

4.3 訂閱和發(fā)布主題

?sensor_combined主題是官方提供的通用接口標(biāo)準(zhǔn)主題。?
?vehicle_attitude主題是官方提供的通用接口標(biāo)準(zhǔn)主題。

?程序流程圖如下：

/*** @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");/* 訂閱 sensor_combined 主題 */int sensor_sub_fd = orb_subscribe(ORB_ID(sensor_combined));orb_set_interval(sensor_sub_fd, 1000);/* 公告 attitude 主題 */struct vehicle_attitude_s att;memset(&att, 0, sizeof(att));int att_pub_fd = orb_advertise(ORB_ID(vehicle_attitude), &att);/*一個應(yīng)用可以等待多個主題，在這里只等待一個主題*/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]);/* 賦值 att 并且發(fā)布這些數(shù)據(jù)給其他的應(yīng)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 創(chuàng)建自己的主題

??官方提供的通用接口標(biāo)準(zhǔn)主題都放在了topics文件夾下了。如果要定義我們自己的主題，比如我們新添加了超聲波傳感器，為了將超聲波傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)布出去給其他需要的應(yīng)用訂閱，那么久需要創(chuàng)建我們的主題了。

主題頭文件（mytopic.h）?
- ORB_DECLARE(myTopicName);//聲明一個主題
- 定義一個存放發(fā)布數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體；
主題源文件（mytopic.c）?
- ORB_DEFINE(myTopicName);//定義一個主題
- 初始化發(fā)布數(shù)據(jù)
- 公告主題
- 發(fā)布主題數(shù)據(jù)

mytopic.h

/* 聲明自定義主題，名字可以自定義，不過最好具有一定的意義，如下為隨機(jī)產(chǎn)生整數(shù)數(shù)據(jù) */ ORB_DECLARE(random_integer);/* 定義要發(fā)布的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體 */ struct random_integer_data {int r; };

mytopic_publish.c

#include <topic.h>/* 定義主題 */ ORB_DEFINE(random_integer);/* 待發(fā)布的主題句柄 */ static int topic_handle;int init() {/* 隨機(jī)產(chǎn)生一個數(shù)初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體 */struct random_integer_data rd = { .r = random(), };/* 公告主題 */topic_handle = orb_advertise(ORB_ID(random_integer), &rd); }int update_topic() {/* 產(chǎn)生新的數(shù)據(jù) */struct random_integer_data rd = { .r = random(), };/* 發(fā)布主題，更新數(shù)據(jù) */orb_publish(ORB_ID(random_integer), topic_handle, &rd); }

??對于訂閱者來說，就可以參考主題「4.2 訂閱例程」了。不過這里還是提供下簡單處理例程：

mytopic_subscriber.c

#include <topic.h>/* 訂閱主題的句柄*/ static int topic_handle;int init() {/* 訂閱主題 */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 參考資料

??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

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的PX4/Pixhawk---uORB深入理解和应用的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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