Ardupilot源码框架

1. 1 Ardupilot源码框架

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1.1. Ardupilot介绍

• 在Pixhawk的历史那节中我们谈到，Pixhawk是硬件平台，PX4是pixhawk的原生固件，专门为pixhawk开发的。APM（Ardupilot Mega）也是硬件，Ardupilot是APM的固件，所以称ArduPilot固件也叫APM。Ardupilot由一群爱好者开发维护的,从最早的APM1,APM2开始,后来软件代码不断状大,原来的APM2的硬件不能胜任最新代码,再后来开发者就把Ardupilot代码转移到了Pixhawk平台上，兼容了Pixhawh硬件平台，所以就导致现在Pixhawk上有两套飞控代码的原因，所以在Pixhawk硬件平台上可以运行PX4固件（原生固件），也可以运行APM固件。Pixhawk是硬件平台，PX4是pixhawk的原生固件，专门为pixhawk开发的。APM（Ardupilot Mega）也是硬件，Ardupilot是APM的固件，所以称ArduPilot固件也叫APM。Ardupilot由一群爱好者开发维护的,从最早的APM1,APM2开始,后来软件代码不断状大,原来的APM2的硬件不能胜任最新代码,再后来开发者就把Ardupilot代码转移到了Pixhawk平台上，兼容了Pixhawh硬件平台，所以就导致现在Pixhawk上有两套飞控代码的原因，所以在Pixhawk硬件平台上可以运行PX4固件（原生固件），也可以运行APM固件。
• 由于Ardupilot兼容Pixhawk，因此Ardupilot的HAL层也可以使用pixhawk硬件。Ardupilot是基于Pixhawk原生代码开发的上层应用，如下面的源码框架图所示，Ardupilot把底层的PX4Firmware和NuttX等都抽象为HAL，developer只需要关心上层应用即可，基于Pixhawk原生设计上层控制逻辑。Ardupilot其实是开源的、玩具级飞控，它为了兼容各种乱七八糟的板子、机型，有很多冗余的代码，这些冗余的代码让我们理解飞控本身增加了难度和学习成本。如果我们需要一款专业的飞控，完全可以去掉这些冗余的代码，只保留我们需要的精简过的功能，这样也就能大大降低它代码的复杂程度。也就是说，假如你打算开一家无人机公司，不需要从最底层一行一行的代码写起，可以直接把这套开源的Pixhawk原生代码搞透彻，然后基于它进行上层开发，加入自己NB的算法。

• Ardupilot目前主要是支持的5种设备的目录包括ArduPlane(固定翼)、ArduCopter(直升机/多旋翼)、APMrover2、AntennaTracker、ArduSub。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包含不同的上层应用。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。Ardupilot的源码系统框架图如下：

  
  
  20180521173348189

库文件分为五个部分：

• vehicle code:车辆代码，每种车辆类型的顶级目录，有四种车型：
  • Plane
  • Copter
  • APMrover2
  • AntennaTracker
• shared libraries 共享库
• hardware abstraction layer(AP_HAL) 硬件抽象层
• tools directories 工具库
• external support code

1.2. 库文件介绍

库文件介绍(位于\libraries目录下)，libraries包含了所有需要的库函数头文件等。

• 核心库：

文件名	功能介绍
AP_AHRS	-姿态估计的库，使用DCM（方向余弦矩阵）或者EKF（卡尔曼滤波）
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	-路标导航库
AP_Motors	-多旋翼和传统直升机混合的电机库，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	- 硬件抽象层，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，其中AP_HAL目录定义了一个通用的接口，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。其他的目录AP_HAL_XXX针对不同硬件平台进行详细的定义。例如AP_HAL_AVR目录对于AVR平台，AP_HAL_PX4对应PX4平台，AP_HAL_Linux对应Linux平台。

• 传感器库：

文件名	功能
AP_InertialSensor	-读取陀螺仪和加速度的数据，以标准单元（deg/s，m/s）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：

文件名	功能
AP_Mount，AP_Camera, AP_Relay	：相机安装控制库，相机快门控制库
AP_Mission	： 从eeprom（电可擦只读存储器）存储/读取飞行指令相关库
AP_Buffer	：惯性导航时所用到的一个简单的堆栈（FIFO，先进先出）缓冲区
AP_AccelCal、AP_Declination、AP_RCMapper、AP_RPM、AP_RSSI
AP_ADC	：Analog to Digital
APM_Control	： pitch/roll/yaw controller
DataFlash	：flash memory
GCS_Console/GCS_MAVLink	：地面站通信、飞行日志

1.3. 主目录文件介绍

多旋翼飞控的所有文件都放在\Ardupilot的目录下。

文件名	功能
Copter.h	: 各个头文件的集合，各种飞行模式初始化函数和执行函数的声明，日志和地面站的相关函数声明，自动调参参数的声明。姿态控制中使用到的函数几乎都在该头文件中进行了声明。
Parameters.h	: 定义了两个全局参数类，类中包含各种参数的定义
Define.h	: 各种宏定义
inertia.h	: 从加速度计读取惯性力
ekf_check.cpp	: 检测EKF或惯性导航系统的故障触发飞行的警报并帮助采取对策
esc_calibration.cpp	: 检查和执行ESC校准的功能
events.cpp	: 当故障安全更改时将调用此事件。
log.cpp	: 飞行日志
failsafe.cpp	: 失控保护
AP_Arming.cpp	: 上电BB声、校准时的BB声、电机解锁BB声
fence.cpp	: 地理围栏，阻止无人机飞入禁飞区
GCS_Mavlink.cpp	: 地面通信站
motor.cpp	: 电机BB响，电机解锁
motor_test.cpp	: MavLink电机测试
mode.cpp	: 飞行模式初始化和切换
mode_acro.cpp	: 特技
mode_althold.cpp	: 定高
mode_auto.cpp	: 自动
mode_autotune.cpp	: 自动调参
mode_circle.cpp	: 绕圈
mode_drift.cpp	: 漂移
mode_flip.cpp	: 空翻
mode_guided.cpp	: 引导
mode_land.cpp	: 着陆
mode_poshold.cpp	: 定点
mode_rtl.cpp	: 返航
mode_sport.cpp	: 运动
mode_stabilize.cpp	: 自稳