PX4/Pixhawk uORB

桃扇骨 2022-06-06 02:46 140阅读 0赞

**PX4/Pixhawk的软件体系结构主要被分为四个层次**

> 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：提供硬件驱动程序、网络、UAVCAN和故障安全系统

![1][]

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

**PX4/Pixhawk应用程序框架**  
![2][]

**uORB文件夹**  
![3][]

**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  
> 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  
> Publication.cpp：在不同的发布中遍历使用  
> Subscription.cpp：在不同的订阅中遍历使用  
> uORB.cpp：uORB的实现  
> 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\_nuttx.cpp：节点操作，close,open,read,write  
> 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

**函数功能解析**

//orb_subscribe
    int  orb_subscribe(const struct orb_metadata *meta)
    功能：订阅主题
    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));
    
    //orb_copy
    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_advertise
    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);
    
    //orb_publish
    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);
    
    //orb_set_interval
    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_advertise_multi
    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);
    
    //orb_subscribe_multi
    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);
    
    //orb_unsubscribe
    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);
    
    //orb_check
    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;
    
    //orb_stat
    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);
    
    //orb_exists
    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);
    
    //orb_priority
    int  orb_priority(int handle, int32_t *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);

**举例**  
`发布方`

orb_advert_t _report_pub;
    auto report; //自定义数据
    
    ORB_DECLARE(vehicle_gps_position);
    
    if (_report_pub != nullptr) {
        //发布新数据到主题
        orb_publish(ORB_ID(vehicle_gps_position), _report_pub, &report);
    } else {
        //如果还没有公告主题，首先公布
        _report_pub = orb_advertise(ORB_ID(vehicle_gps_position), &report);
    }

`订阅方`

int _gps_sub;
    bool updated = false;
    
    _gps_sub = orb_subscribe(ORB_ID(vehicle_gps_position));
    
    orb_check(_gps_sub, &updated);
    
    struct vehicle_gps_position_s _gps_pos; //vehicle_gps_position_s自定义类型
    
    if (updated) {
        if (OK == orb_copy(ORB_ID(vehicle_gps_position), _gps_sub, &_gps_pos)) {
            ;
        }

[1]: /images/20220606/3ac95923436e446eb0422559b1a6a666.png
[2]: /images/20220606/d1f13be31a4346b6b8a34a5f75c6f44d.png
[3]: /images/20220606/5c3078bdcf45484bbecea3d97b7af763.png