PX4 비행 스택 아키텍쳐

PX4는 두 가지 주요 레이어로 구성됩니다. 비행 스택은 추정 및 비행제어시스템이며, 미들웨어는 자율 로봇을 지원할 수 있는 일반 로봇 계층으로 내외부 통신 및 하드웨어 통합을 제공합니다.

모든 PX4 기체는 단일 코드베이스를 공유합니다(여기에는 보트, 로버, 잠수함 등과 같은 다른 로봇 시스템이 포함됨). 전체 시스템 디자인은 반응형이며 다음과 같습니다.

모든 기능은 대체 가능한 구성 요소와 재사용 가능한 구성 요소로 나누어 집니다.
통신은 비동기 메시지 전달에 의해 수행됩니다.
시스템은 다양한 작업 부하를 처리할 수 있습니다.

고급 소프트웨어 아키텍처

아래 다이어그램은 PX4의 빌딩 블록에 대한 개요를 나타냅니다. 다이어그램의 상단에는 미들웨어 블록이 포함되어 있고, 하단에는 플라이트 스택의 구성 요소가 표시되어 있습니다.

소스 코드는 독립적인 모듈/프로그램으로 분할됩니다(다이어그램의 고정 공간 참조). 일반적으로 빌딩 블록은 하나의 모듈을 나타냅니다.

런타임시 쉘에서 top 명령으로 실행되는 모듈을 검사할 수 있으며, 각 모듈은 <module_name> 시작/중지를 통하여 시작/중지할 수 있습니다. top 명령은 NuttX 셸에만 해당되지만, 다른 명령은 SITL 셸(pxh>)에서도 사용할 수 있습니다. 각 모듈에 대한 자세한 내용은 모듈 & 명령을 참고하십시오.

화살표는 모듈 간의 가장 중요한 연결 정보를 나타냅니다. 표시된 것보다 더 많은 연결이 있으며, 일부 데이터(예: 매개변수)는 대부분의 모듈에서 액세스합니다.

모듈은 uORB라는 게시-구독 메시지 버스로 서로 통신합니다. 발행-구독 체계의 사용은 다음을 의미합니다.

시스템은 반응형입니다. 비동기식이며, 새 데이터를 사용할 수 있을 때 즉시 업데이트합니다.
모든 작업과 통신은 완전히 병렬화됩니다.
시스템 구성 요소는 스레드로부터 안전하며, 어디서나 데이터를 사용할 수 있습니다.

note 시스템은 별도의 주소 공간에서 각 모듈을 간단하게 실행할 수 있도록 설계되었습니다(변경할 부분은 uORB, 매개변수 인터페이스, < 0>데이터맨 및 성능). :::

모듈을 실행 방법은 두 가지가 있습니다.

작업: 모듈은 자체 스택 및 프로세스 우선 순위와 함께 자체 작업에서 실행됩니다.
작업 대기열 작업: 모듈은 공유 작업 대기열에서 실행되며, 대기열의 다른 모듈과 동일한 스택 및 작업 대기열 스레드 우선순위를 공유합니다.
- 모든 작업은 서로 방해할 수 없으므로, 협력적으로 작동해야 합니다.
- 여러 작업 대기열 작업이 한 대기열에서 실행될 수 있으며, 여러 대기열이 있을 수 있습니다.
- 작업 대기열 작업은 미래의 고정 시간을 지정하거나, uORB 주제 업데이트 콜백을 통하여 예약됩니다.
작업 대기열에서 모듈을 실행할 때의 이점은 RAM을 덜 사용하고 잠재적으로 작업 전환이 더 적은 것입니다. 단점은 작업 대기열 작업이 메시지를 잠자기 또는 폴링하거나 차단 IO(예: 파일 읽기)를 수행할 수 없는 것입니다. 장기 실행 작업(과중한 계산 수행)은 잠재적으로 별도의 작업 또는 최소한 별도의 작업 대기열에서 실행되어야 합니다.

백그라운드 작업

px4_task_spawn_cmd()는 호출(상위) 작업과 독립적으로 실행되는 새 작업(NuttX) 또는 스레드(POSIX - Linux/macOS)를 시작합니다.

independent_task = px4_task_spawn_cmd(
    "commander",                    // Process name
    SCHED_DEFAULT,                  // Scheduling type (RR or FIFO)
    SCHED_PRIORITY_DEFAULT + 40,    // Scheduling priority
    3600,                           // Stack size of the new task or thread
    commander_thread_main,          // Task (or thread) main function
    (char * const *)&argv[0]        // Void pointer to pass to the new task
                                    // (here the commandline arguments).
    );

운영체제별 정보

NuttX

NuttX는 비행 제어 보드에서 PX4를 실행하는 핵심 RTOS입니다. 오픈 소스(BSD 라이선스)이며, 가볍고 효율적이며 매우 안정적입니다.

모듈은 작업으로 실행됩니다. 모듈에는 자체 파일 설명자 목록이 있지만, 단일 주소 공간을 공유합니다. 작업은 여전히 파일 설명자 목록을 공유하는 하나 이상의 스레드를 시작할 수 있습니다.

각 작업/스레드에는 고정된 크기의 스택이 있으며, 모든 스택에는 충분한 여유 공간이 남아 있는 지를 확인하는 주기적 작업이 있습니다(스택 색상 기준).

Linux/macOS

Linux 또는 macOS에서 PX4는 단일 프로세스에서 실행되고 모듈은 자체 스레드에서 실행됩니다(NuttX에서와 같이 작업과 스레드간의 구분이 없음).

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