uORB主题订阅发布机制
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。
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。
2.PX4/Pixhawk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。
3.uORB文件夹说明
uORB.cpp : uORB的实现
uORB.h : uORB头文件
4.常用函数功能解析
发布主题 先公告，再发布
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);
订阅主题 先关注，检查更新，再拷贝
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 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_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_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);
其他
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_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);
5.例程实战
5.1 订阅和发布主题
这里的例程来自于Firmware1.13.0版本中的px4_simple_app.c文件，为了方便理解，进行了一定的改动，其位置位于Firmware/src/examples/px4_simple_app/px4_simple_app.c。
#include <px4_platform_common/px4_config.h>
#include <px4_platform_common/tasks.h>
#include <px4_platform_common/posix.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <poll.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include <uORB/uORB.h>
#include <uORB/topics/vehicle_acceleration.h>
#include <uORB/topics/vehicle_attitude.h>
//主函数声明
__EXPORT int px4_simple_app_main(int argc, char *argv[]);
这里__EXPORT是一个宏定义，其定义在Firmware/src/modules/systemlib/visibility.h中
此处__EXPORT的拓展内容参考教程：预处理命令使用详解
#ifdef __EXPORT
# undef __EXPORT//这里#后面的空格语法上是正确的，但不推荐这样写
#endif
#define __EXPORT __attribute__((visibility("default")))
#ifdef __PRIVATE
# undef __PRIVATE//这里#后面的空格语法上是正确的，但不推荐这样写
#endif
#define __PRIVATE __attribute__((visibility("hidden")))
__attribute__()函数用于设置动态链接库中函数的可见性，将变量或函数设置为default，则该符号可在其他动态链接库中可见；将变量或函数设置为hidden，则该符号仅在本动态链接库中可见，在其他库中不可见。
编写大型程序时默认隐藏，针对特定变量和函数，在代码中使用__attribute__((visibility("default")))令该符号外部可见，这种方法可有效避免动态链接库之间的符号冲突。
（近似于类中的访问权限:public, private, protected）
int px4_simple_app_main(int argc, char *argv[])
{
//在终端打印Hello Sky!
PX4_INFO("Hello Sky!\n");
//订阅vehicle_acceleration主题
int sensor_sub_fd = orb_subscribe(ORB_ID(vehicle_acceleration));
这里调用了两个函数。
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));
ORB_ID(topicName)
功能：得到主题ID
参数：topicName主题的名字
返回值：主题ID
这里先由主题名字得到主题ID，再通过主题ID订阅vehicle_acceleration主题，返回值是这个主题的句柄。
vehicle_acceleration主题中存放的是加速度计的数据。
//限制更新速率5Hz
orb_set_interval(sensor_sub_fd, 200);
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);
这里设置了每200ms去订阅一次，看是否到来。
//这里vehicle_attitude_s跟sensor_combined_s是一样的，是系统自动定义的结构体
struct vehicle_attitude_s att;
//这个函数的作用是把结构体att中的所有成员都赋值0
memset(&att, 0, sizeof(att));
vehicle_attitude主题中的数据在Firmware/msg/vehicle_attitude.msg文件中定义。系统自动生成的vehicle_attitude_s结构体类型中的成员就是下列中的各个变量。
float32 rollspeed # Angular velocity about body north axis (x) in rad/s
float32 pitchspeed # Angular velocity about body east axis (y) in rad/s
float32 yawspeed # Angular velocity about body down axis (z) in rad/s
float32[4] q # Quaternion (NED)
//公告vehicle_attitude主题
orb_advert_t att_pub = orb_advertise(ORB_ID(vehicle_attitude), &att);
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);
/*一个应用可以等待多个主题，在这里只等待一个主题*/
px4_pollfd_struct_t 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 },
*/
};
这里px4_pollfd_struct_t是类型名，fds是结构体数组名，这里在Firmware/src/platforms/px4_posix.h文件中使用typedef struct pollfd px4_pollfd_struct_t语句将结构体类型名改成px4_pollfd_struct_t。
这里找到了px4_pollfd_struct_t这个结构体的定义，里边存放的主要的三个变量分别为：fd，events，revents。fd用来存放文件描述符（可以读取数据、更新话题的句柄），events用来存放文件描述符fd上感兴趣的事件，revents用来存放文件描述符fd上实际发生的事件。
typedef struct {
/* This part of the struct is POSIX-like */
int fd; /* The descriptor being polled */
pollevent_t events; /* The input event flags */
pollevent_t revents; /* The output event flags */
/* Required for PX4 compatibility */
px4_sem_t *sem; /* Pointer to semaphore used to post output event */
void *priv; /* For use by drivers */
} px4_pollfd_struct_t;
经常检测的事件标记： POLLIN/POLLRDNORM(可读)、POLLOUT/POLLWRNORM(可写)、POLLERR(出错)
如果是对一个描述符上的多个事件感兴趣的话，可以把这些常量标记之间进行按位或运算就可以了，如：.events=POLLIN | POLLOUT | POLLERR；
int error_counter = 0;
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
/*****poll函数调用阻塞的时间为1s*****/
int poll_ret = poll(fds, 1, 1000);
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；
这里返回值会赋值给poll_ret，后续会对返回值进行分类处理。
/*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 */
PX4_ERR("Got no data within a second");
//这个函数会将信息记录在日志中
}
else if (poll_ret < 0)
{
/* 出现问题 */
if (error_counter < 10 || error_counter % 50 == 0)
{
/*使用计数器来防止溢出（并减缓我们的速度）*/
PX4_ERR("ERROR return value from poll(): %d", poll_ret);
//这个函数会将信息记录在日志中
}
error_counter++;
}
else
{
if (fds[0].revents & POLLIN)
{
/*从文件描述符中获取订阅的数据*/
struct vehicle_acceleration_s accel;
if (fds[0].revents & POLLIN)，如果结构体数组中的第1项fds[0].revents是POLLIN，说明此时主题是可读的。那么fds[0].revents & POLLIN的值就是1。
结构体类型vehicle_acceleration_s是系统根据vehicle_acceleration主题中的数据类型和个数自动创建的一个结构体类型，后面会说。
/*****复制主题携带的数据到指定的结构体*****/
orb_copy(ORB_ID(vehicle_acceleration), sensor_sub_fd, &accel);
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);
这里把vehicle_acceleration主题中的数据赋值到结构体accel中。
PX4_INFO("Accelerometer:\t%8.4f\t%8.4f\t%8.4f",
(double)accel.xyz[0],
(double)accel.xyz[1],
(double)accel.xyz[2]);
这里将加速度计数据打印出来。
vehicle_acceleration主题中的数据在Firmware/msg/vehicle_acceleration.msg文件中定义。系统自动生成的vehicle_acceleration_s结构体类型中的成员就是下列中的各个变量。
uint64 timestamp # time since system start (microseconds)
uint64 timestamp_sample # the timestamp of the raw data (microseconds)
float32[3] xyz # Bias corrected acceleration (including gravity) in the FRD body frame XYZ-axis in m/s^2
所以引用时，我们可以通过accel.xyz[0]来引用结构体raw中成员xyz数组中的第2个元素。
其中结构体成员xyz数组的数据类型为float32，所以需要使用(double)进行类型转换。
//赋值结构体att中的变量
//这里q是四元数，本不应该赋值加速度数据，这里只是举一个例子
att.q[0] = accel.xyz[0];
att.q[1] = accel.xyz[1];
att.q[2] = accel.xyz[2];
//发布vehicle_attitude主题
orb_publish(ORB_ID(vehicle_attitude), att_pub, &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);
}
/* 如果有更多的文件描述符，可以这样：
* if (fds[1..n].revents & POLLIN) {}
*/
}
}
PX4_INFO("exiting");
return 0;
}
程序流程图如下：
5.2 编译并上传px4_simple_app应用程序到飞控固件中
为了运行它，首先需要确保它是作为PX4的一部分构建的。 应用程序被将依据目标的适当板级cmake文件添加到编译/固件中。
首先需要在px4board文件中添加px4_simple_app，位置在Firmware/boards/px4/fmu-v2/default.px4board，在空白行添加以下语句。
CONFIG_EXAMPLES_PX4_SIMPLE_APP=y
保存之后退出。
打开命令行终端Terminal，使用ls、cd命令进入Firmware文件夹中。
在Firmware文件夹中输入命令即可对固件进行编译。
make px4_fmu-v2_default
等待进度到100%即可完成固件编译。
将编译好的固件下载到无人机，需要输入命令。
make px4_fmu-v2_default upload
这里提示需要连接无人机的数据线，等待进度条读完即可完成烧录固件。
5.3 在QGC地面站MavlinkConsole终端运行px4_simple_app应用程序
打开QGC地面站，进入MavlinkConsole终端。
在终端中输入help命令调出所有进程，这时会发现px4_simple_app已经在列表中。
在终端中输入px4_simple_app start命令调用该进程。
运行后会输出加速度计的数据，说明程序运行成功。
5.4 创建自己的主题
官方提供的通用接口标准主题都放在了msg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，那么就需要创建我们的主题了。
在msg文件夹中新建mytopic.msg主题文件，输入以下代码。
在msg/CMakeLists.txt中set()函数添加mytopic.msg作为索引。
对固件进行编译。
在编译生成的build_px4fmu-v2_default文件夹中进入build/px4_fmu-v2_default/uORB/topics/mytopic.h中，系统会自动创建名为mytopic_s的结构体。
自动生成的结构体会包括时间戳timestamp、时间戳样式timestamp_sample和自动填充_padding0[]。其中自动填充会将整个消息填充到64位的整数倍，比如内容是uint64 timestamp、uint8 a，这时就会自动生成一个uint8 _padding0[7]，7个8位元素的一个数组和a凑成64位。
对于订阅者来说，就可以参考上文【订阅和发布主题】了。不过还是提供下简单例程。
#include <px4_platform_common/px4_config.h>
#include <px4_platform_common/tasks.h>
#include <px4_platform_common/posix.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <poll.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include <uORB/uORB.h>
#include <uORB/topics/vehicle_acceleration.h>
#include <uORB/topics/vehicle_attitude.h>
#include <uORB/topics/Mytest.h>
__EXPORT int Mytest_main(int argc, char *argv[]);
int Mytest_main(int argc, char *argv[])
{
struct mytopic_s orbtest;
memset(&orbtest, 0, sizeof(orbtest));
orb_advert_t pub_fd = orb_advertise(ORB_ID(mytopic), &orbtest);
orbtest.roll = 1;
orbtest.pitch = 2;
orbtest.yaw = 3;
orb_publish(ORB_ID(mytopic), pub_fd, &orbtest);
int sub_fd = orb_subscribe(ORB_ID(mytopic));
struct mytopic_s data_copy;
orb_copy(ORB_ID(mytopic), sub_fd, &data_copy);
printf("DATA:\t%4.2f\t%4.2f\t%4.2f\t%4.2f",
(double)data_copy.roll,
(double)data_copy.pitch,
(double)data_copy.yaw);
PX4_INFO("exiting");
return 0;
}
不要忘了配套的CMakeLists.txt文件。
px4_add_module(
MODULE examples__Mytest
MAIN Mytest
SRCS
Mytest.c
DEPENDS
)
参考资料：
PX4/Pixhawk—uORB深入理解和应用_别打名名的博客-CSDN博客_uorb
PX4/Pixhawk—uORB深入理解和应用（最新版）_写代码的小姜的博客-CSDN博客_pixhawk软件架构
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