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PX4/Pixhawk---uORB深入理解和应用

2023-05-16

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软件体系结构
  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应用程序框架

  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

uORB文件夹结构

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：

pub_sub_test

/**
 * @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

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