PX4的中间件Fast DDS

本文参考官网：RTPS/DDS Interface: PX4-Fast RTPS(DDS) Bridge | PX4 User Guide

版本说明：

PX4固件版本： 1.13.0d

自驾仪：PIXHAWK 4

宿主机操作系统：Ubuntu 20.04

1. 什么是Fast DDS中间件 ？

Fast DDS是eProsima公司（一个位于马德里的西班牙公司）的一个开源的中间件产品( Apache License)，是OMG组织制定的数据分发服务规范（DDS）和实时发布订阅（RTPS）协议的C++实现。

Fast DDS以前叫Fast RTPS，RTPS是Realtime Publish Subscribe的缩写 。

在PX4系统中，Fast DDS为自动驾驶仪建立了实时的发布订阅接口，可以使各种自动驾驶仪内部组件与offboard计算机（或者与offboard计算机有连接的计算机）中的 Fast DDS应用程序之间实时交换PX4中的uORB消息。

2. MicroRPTS Bridge （桥）

micrortps_bridge在PX4与DDS应用程序之间交换信息。如图所示，uORB消息在PX4这一端，DDS消息在offboard计算机这一端。这个桥将PX4中内置的订阅发布机制-uORB与offboard计算机中运行的DDS订阅发布机制连接起来。

在PX4系统中，micrortps_bridge由micrortps_client、micrortps_agent以及一组代码生成工具组成；桥的两端，一端是自驾仪中的PX4，另一端是offboard计算机中的DDS应用程序，DDS应用程序可以通过这个桥控制安装有PX4的自驾仪。

PX4传统上，offboard计算机通过mavlink通讯协议+mavlink命令与PX4自驾仪交互，有了这个桥，offboard计算机就可以通过micrortps_bridge+PX4话题与PX4自驾仪进行交互。代替mavlink？PX4官网否认，不过通过Fast DDS与PX4自驾仪通讯确实不需要mavlink。

2.1 MicroRTPS Client(客户端)

micrortps_client作为一个后台进程驻留在PX4系统中。它订阅PX4组件发布的uORB话题，通过串口或者UDP口将由此话题更新而产生的信息发送给micrortps_agent，另外它也接收micrortps_agent发送给它的消息，并转换成uORB消息发布给PX4系统。

2.2 MicroRTPS Agent(代理)

micrortps_agent作为一个后台进程运行在offboard计算机中。micrortps_agent监视来自micrortps_client的uORB更新消息，然后把这些消息通过RTPS协议再发布给DDS应用程序，另外，micrortps_agent订阅来自其他DDS应用程序的DDS消息，并且转送给micrortps_client。

2.3 MicroRTPS代理/客户端之间的通讯

micrortps_agent和micrortps_client之间通过串行线或者UDP网络相连，uORB消息在被传输之前被CDR序列化编码（CDR serialization提供了一种在不同平台之间传送数据的通用格式）。

micrortps_agent与任何DDS应用之间通过UDP连接，有可能在一台机器上，也有可能在不同机器之间。典型的配置是micrortps_agent与DDS应用在同一个系统中（比如：一个开发计算机，Linux协同计算机，或者是一个计算机单板机），这个系统与micrortps_client相连，可以通过Wifi或者USB串口。

2.4 核心库和代码生成工具

这节请参考官网文章。

注：以下描述的安装编译过程是在Raspberry Pi 3B+（32G）上进行的，是源代码级安装。根据以前在x86笔记本上的安装经验，应该没什么区别。

PX4的microRTPS桥相关的客户端（micrortps_client)、代理（micrortps_agent)的源代码都在构建PX4目标代码时自动生成了，然后需要把micrortps_agent（代理）的源代码拿到offboard计算机中编译运行。在此之前，必须安装两种软件：Fast DDS和Fast-RTPS-Gen。Fast DDS包含了microRTPS桥相关代码需要链接的核心库以及相关的工具软件，Fast-RTPS-Gen是IDL代码生成工具。

2.4.1 安装Fast DDS

Fast DDS包含两种核心库，fastrtps和fastcdr，前者是microRTPS桥的核心功能代码的链接库，生成的microRTPS_agent和microRTPS_client源代码，在编译后需要与这个库链接。后者也是一个核心库，这个库实现了microRTPS_agent和microRTPS_client之间数据传输之前和之后编码与解码的过程，Fast DDS还包含实用程序fastdds，提供了Fast DDS的命令行接口，用于Fast DDS相关的维护和配置任务。在编译安装Fast DDS之前，必须先安装Foonathan memory软件包，Foonathan memory是一个C++基于对象的内存管理软件。

• 安装Foonathan memory软件包

先克隆源代码：

git clone https://github.com/eProsima/foonathan_memory_vendor.git

cd foonathan_memory_vendor

mkdir build && cd build

再编译

cmake ..

sudo cmake --build . --target install（慢啊，中间过程需要克隆foo-mem-ext）

注：最后一步，需要sudo cmake，因为cmake在安装过程的操作/usr/local/bin目录的环节需要特权。

• 安装Fast DDS

先克隆源代码

$ git clone --recursive https://github.com/eProsima/Fast-DDS.git -b v2.0.2 ~/FastDDS-2.0.2
$ cd ~/FastDDS-2.0.2
$ mkdir build && cd build
再编译
$ cmake -DTHIRDPARTY=ON -DSECURITY=ON ..
$ make -j$(nproc --all)
$ sudo make install

make编译比较慢，耐心等待，可能需要10分钟以上。

编译好的FastDDS核心库位于/usr/local/lib目录中，相关的实用程序被放在/usr/local/bin目录中，目前Fast DDS的版本是2.0.2。

2.4.2 安装Fast-RTPS-Gen

Fast-RTPS-Gen是一个java程序，它根据IDL定义的数据类型生成Fast RTPS（DDS）相关的代码，程序名：fastrtpsgen。

在编译安装fastrtpsgen之前，需要先安装Gradle构建工具和java，jdk 11（要求版本要大于等于11）的安装不在此赘述。

• 安装Gradle

Gradle是一个构建工具，官网说不要安装7.0以上版本，最好是6.3，用sdkman安装最方便。sdkman是java开发工具的管理软件，安装sdkman时，要保证计算机联网。

需要先安装unzip和zip：

sudo apt install unzip

sudo apt install zip

然后执行安装sdkman的命令：

curl -s "https://get.sdkman.io" | bash

这样就安装好sdkman了。

打开另外一个终端：

source "/home/fengwj/.sdkman/bin/sdkman-init.sh"

现在可以用sdkman安装gradle了，注意要的是6.3版。

sdk install gradle 6.3

这个过程也挺长。

• 安装fastrtpsgen

下载、编译、安装，一气呵成。

git clone --recursive https://github.com/eProsima/Fast-DDS-Gen.git -b v1.0.4 ~/Fast-RTPS-Gen \
&& cd ~/Fast-RTPS-Gen \
&& gradle assemble \
&& sudo env "PATH=$PATH" gradle install

编译好的Fast-RTPS-Gen被放在/usr/local/bin目录下，程序名：fastrtpsgen。目前的版本是1.0.4。

3. 构建并运行一个Fast DDS应用程序

3.1 构建micrortps_bridge

在构建具备Fast DDS中间件的PX4的目标程序时，如果是真实硬件Pixhawk 4，则构建命令是make px4_fmu-v5_rtps，如果是仿真环境，构建命令是make px4_sitl_rtps。

在构建PX4的目标程序的过程中生成了micrortps_client以及micrortps_agent的源程序。源程序分别放在build/<target-platform>/src/modules/micrortps_bridge目录下的micrortps_client和micrortps_agent子目录下。其中，<target-platform>可以是px4_sitl_rtps（软件仿真环境），也可以是px4_fmu-v5_rtps(pixhawk的固件)。

另外，msg/tools/urtps_bridge_topics.yaml文件定义了micrortps_bridge需要处理哪些PX4 uorb话题，编译过程根据这个文件生成了对应这些PX4 uorb话题的idl接口定义文件，这些idl文件被保存在micrortps_agent/idl子目录下，每个PX4 uorb话题对应一个idl文件。

3.1.1. 运行micrortps_client

micrortps client不需要用手工构建，PX4在编译生成目标程序时就已经生成了它的二进制程序px4_micrortps_client，并保存在build/bin中，这个程序可以在PX4的真实硬件环境中的Nuttx Shell中运行，也可以在仿真环境中的pxh Shell中运行。比如：

pxh>micrortps_client start -t UDP。

注意：运行gazebo或者jmavsim仿真程序时（比如：make px4_sitl_rtps gazebo)，micrortps_client在PX4 1.13版固件下是自动启动，1.12版固件下则需要手工启动。

3.1.2 编译并运行micrortps_agent

micrortps_agent的源代码虽然在构建PX4的目标程序时是自动生成出来的，但是没有生成它的二进制，因为micrortps_agent通常是运行在offboard计算机中的，需要把源程序拿到offboard计算机中编译。

micrortps_agent与仿真环境运行在同一台计算机（宿主机，比如我的x86笔记本计算机）时，编译命令如下：

cd build/<target-platform>/src/modules/micrortps_bridge/micrortps_agent

mkdir build && cd build

cmake ..

make

运行命令：

$micrortps_agent -t UDP

这个程序在屏幕上列出了所有Fast DDS应用程序可以向PX4发布的话题（因为micrortps_agent中有subscriber在等待发布）以及能够从PX4订阅的话题（因为micrortps_agent中有publisher在等待订阅）。

3.2 构建并运行Fast DDS应用程序

一旦micrortps_client和micrortps_agent运行起来，并连接正常，Fast DDS的应用程序就可以通过RTPS协议订阅和发布PX4的uorb话题相关的数据。Fast DDS应用程序可以用fastrtpsgen生成，生成出的程序可以订阅或发布某个PX4的话题。

以下是生成、编译、运行订阅并打印输出sensor_combined话题相关数据的过程：

cd /path/to/PX4/PX4-Autopilot

cd build/px4_sitl_rtps/src/modules/micrortps_bridge

mkdir micrortps_listener

cd micrortps_listener

fastrtpsgen -example x64Linux2.6gcc ../micrortps_agent/idl/sensor_combined.idl

生成出的程序需要在sensor_combinedSubscriber.cxx中增加打印输出sensor_combined话题数据的语句：

 // Print your structure data here.
 ++n_msg;
 std::cout << "Sample received, count=" << n_msg << std::endl;
  // gyro_rad
  std::cout << "gyro_rad: " << st.gyro_rad().at(0);
  std::cout << ", " << st.gyro_rad().at(1);
  std::cout << ", " << st.gyro_rad().at(2) << std::endl;
  std::cout << "gyro_integral_dt: " << st.gyro_integral_dt_() << std::endl;
   // accelerometer
   std::cout << "accelerometer_timestamp_relative: " << st.accelerometer_timestamp_relative_() << std::endl;
   std::cout << "accelerometer_m_s2: " << st.accelerometer_m_s2().at(0);
   std::cout << ", " << st.accelerometer_m_s2().at(1);
   std::cout << ", " << st.accelerometer_m_s2().at(2) << std::endl;
   std::cout << "accelerometer_integral_dt: " << st.accelerometer_integral_dt_() << std::endl;

然后用以下命令编译，执行：

make -f makefile_x64Linux2.6gcc

bin/*/sensor_combinedPublisherSubscriber subscriber

至此，sensor_combined话题的数据应该打印在屏幕上。

3.3.关于yaml文件

micrortps_client和micrortps_agent，一个是客户端一个是服务器端，两边交换的信息是依据PX4的uorb话题而定义的，在编译PX4的RTPS目标程序时，RTPS能处理的uorb话题在yaml文件中定义，通过yaml产生一组对应的IDL接口文件（被保存在目录build/px4_sitl_rtps/src/modules/micrortps_bridge/micrortps_agent/idl下），然后编译过程再根据这组IDL接口文件生成micrortps_client以及micrortps_agent的源代码。

在micrortps环境下，哪些话题可以交换？是接收还是发送？在PX4的1.12版本的uorb_rtps_message_ids.yaml（)中定义，而1.13版本的文件名改为urtps_bridge_topics.yaml。名字改了，格式也稍有变化，比如相对于1.12版本格式，1.13版本没有id这个域了，下面是1.13版本的格式

示例1

msg: sensor_combined

send: true

代表sensor_combined这个话题需要有一个idl定义，另外需要生成Publish这个话题的代码，这样Fast DDS应用程序就可以从PX4订阅这个话题的数据了。

示例2

msg: vehicle_command

receive: true

代表vehicle_command这个话题需要一个idl定义，另外需要生成Subscribe这个话题的代码，这样Fast DDS应用程序就可以向PX4发布这个话题的数据。

比较一下PX4 msg话题和urtps_bridge_topics.yaml列出的话题，可以看出，PX4处理的uORB话题有200多个，而RTPS处理的话题是31个。

注：1.13.0d的yaml文件格式已经与1.12.0d不一样了，取消了id这个域，yaml的文件名改成了urtps_bridge_topics.yaml，yaml文件只存放RTPS中间件处理的uORB消息，没有需要接收或发送的uORB话题就不放在这个yaml文件中了。id在程序内部还是有的，但是id的值由uorb_rtps_classifier.py根据msg在yaml中的顺序产生。

-------来自1.13.0d版本中msg/tools/urtps_bridge_topics.yaml文件的注释:

该文件映射了microRTPS桥上要使用的所有话题。如果想要添加一个新话题时，应该将其添加到这个文件中，并将其标记出“send”或“receive”。也可以添加alias（别名）/多话题消息（即在uORB消息的“#TOPICS”上找到的消息），但是需要额外的条目（“base”）来定义基本消息。

重要提示：microRTPS桥上发送的消息的ID是根据该文件中消息的顺序生成的。为了保持一致性和向后兼容性，建议将希望在microRTPS桥中传输的任何新消息添加到列表末尾。处于列表中间的任何更改（添加、删除、替换）也会更改当前的消息ID，这可能会导致与以前的PX4版本（引入或存在此格式的列表）兼容。

当与ROS2一起使用时，对该文件的任何更新都应该镜像到microRTPS桥的两侧（即PX4和PX4_ros_com）。这可以通过“msg/tools/uorb_to_ros_urtps_topics.py轻松实现。py脚本重新生成的文件可以放在ROS2的“px4_ros_com/templates/”目录下。

如果不与ROS2一起使用，而是“裸”着使用microRTPS中间件时，就不存在“镜像”这个动作，因为micrortps_agent（生成在build/<px4_target>/src/modules/micrortps_bridge/目录下）会直接使用msg/tools/下的yaml文件。

-------------

可以用以下命令重新生成具有PascalCase的yaml话题文件：

uorb_to_ros_urtps_topics.py -i urtps_bridge_topics.yaml -o a.yaml

然后把a.yaml拷贝到ROS2的目录中（px4_ros_com/templates)。用个临时名a.yaml是因为在安装ROS2的时候，ROS2的templates目录中已经有一个urtps_bridge_topics.yaml文件，你需要斟酌是不是覆盖它。覆盖它就可以使microRTPS桥两端具有相同的话题处理能力。

3.4. 官网上的几个小问题

• 目录不对

bin/*/sensor_combined_PublisherSubscriber subscriber，名字不对了，应该是bin/*/sensor_combinedPublisherSubscriber subscriber。

• 官网上贴出的源程序，init（）函数中订阅话题名字是“fmu/sensor_combined/out”，但是1.12.0d版，生成程序中init（）函数中订阅话题名字是“sensor_combinedPubSubTopic“。
• 官网上贴出的源程序

void sensor_combinedSubscriber::SubListener::onNewDataMessage(Subscriber* sub)

函数打印话题sensor_combined中的内容，但是这个话题与实际1.12.0d版本固件中提供的话题不太一样了，1.12中的sensor_combined只有gyro（罗盘）和accelerometer（加速度）计的内容，但不包括：magnetometer（地磁计）和baro（气压计）相关内容。参见文件PX4-Autopilot/msg/sensor_combined.msg对话题的定义。