深入讲解APM/Pixhawk飞控驱动程序

本文为《无人机飞控固件开发教程》系列视频的辅助资料，已经在“网易云课堂”上线，视频链接：https://study.163.com/course/introduction/1209568864.htm?share=1&shareId=1448054983

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　本文以APM飞控的GPS驱动为例，深入讲解APM飞控驱动程序的结构和运行原理。

一、APM库的结构

　APM飞控的驱动的程序都在ardupilot/libraries文件夹下面，此文件夹下有多个子文件夹，其中每个文件夹对应一种驱动程序，下面列出了几种常见驱动：

• AC_AttitudeControl：姿态控制
• AC_Fence：地理围栏
• AC_PrecLand：精准降落
• AC_WPNav：航点导航
• AP_Airspeed：空速计
• AP_Baro：气压高度计
• AP_Camera：相机控制
• AP_Compass：磁罗盘
• AP_GPS：GPS模块
• AP_HAL：硬件抽象，对应底层的SPI接口、串口、CAN接口、IIC接口等
• AP_HAL_PX4：PX4硬件硬件抽象
• AP_Mission：自动任务
• AP_Motors：电机控制，多旋翼的混控也在这里面
• AP_OpticalFlow：光流模块
• AP_Parachute：降落伞控制
• AP_RangeFinder：定高设备驱动，如超声波、激光测距仪、毫米波雷达等

二、GPS库的调用关系

　小知识点：其实，我们飞控的“GPS模块”，更专业的叫法应该叫“GNSS模块”。GPS（Global Positioning System）中文全称是“全球定位系统”，专指美国的GPS系统，因为是美国最先做的全球定位系统，因此这个名字就被赋予了美国的那套卫星定位系统。而后来俄罗斯出了“格洛纳斯（GLONASS）”、我国出了“北斗（Compass）”、欧洲出了“伽利略卫星导航系统”，从而，这些平行并且竞争关系的系统统称为“GNSS（Global Navigation Satellite System）”，中文全称是“全球导航卫星系统”。现在我们大部分接收机都支持双系统、三系统、甚至四系统联合定位，因此叫“GPS”就不合适了。当然，习惯的力量是强大的，我们继续叫它“GPS模块”是没有问题的，心里知道怎么回事即可。

　以AP_GPS文件夹为例，此文件夹下面的AP_GPS.cpp和AP_GPS.h两个文件定义了GPS类驱动程序统一的对外接口，这样对于顶层代码来讲，不管飞控连接的是哪种协议的GPS模块、不管接了几个GPS模块，都通过统一的接口定时提取位置和速度信息。GPS_Backend.cpp和GPS_Backend.h两个文件定义的GPS类驱动程序统一的内部接口，各种类型的GPS模块的驱动都是在此基础上“派生”出来的，只是具体实现不同而已。这种“Backend”架构，利于实现飞控上同时连接多个不同类型的GPS，非常方便。

　AP_GPS文件夹中支持的GPS外设如下：

• AP_GPS_ERB：基于ERB协议的GNSS设备；
• AP_GPS_GSOF：Trimble（天宝）公司的GNSS设备；
• AP_MAV：基于Mavlink通信协议的GNSS设备；
• AP_MTK：联发科GNSS设备；
• AP_MTK19：联发科基于其V1.6~V1.9版本通信协议的GNSS设备；
• AP_NMEA：基于NMEA协议的GNSS设备；
• AP_NOVA：基于诺瓦泰协议的GNSS设备，注意，常用的多个品牌的RTK设备（诺瓦泰、司南导航、和芯星通等等）均采用这个协议；
• AP_SBF： Septentrio 品牌的GNSS设备；
• AP_SBP： Swift Navigation 品牌的GNSS设备；
• AP_SBP2： Swift Navigation 品牌的GNSS设备（估计是升级版本的协议）；
• AP_SIRF：SIRF公司的GNSS设备；
• AP_GPS_UAVCAN：基于UAVCAN协议的GNSS协议，数据走的不是串口，而是CAN总线；
• AP_GPS_UBLOX：ublox公司的GNSS通信协议，我们常用的ublox-M8N就是用的这个协议，这个协议在ublox官方文档中被命名为“UBX”协议。

　GPS驱动在初始化的时候，会根据飞控参数设置，动态地添加不同类型的GPS驱动，生成一个个的实例（instance），组成一个实例数组，然后会定时依次调用各个实例下的解析处理函数，实现多个不同类型的GPS的同时工作（也可以是多个相同类型的GPS同时工作），其结构图如下：

三、我们来惊叹一下GPS库中神奇的解帧方法

　packed union！我当年上大学的时候，C语言课程上，一直没有搞明白union有什么用，直到我看了APM中GPS的解帧方法，我才明白union是多么有用！

　教学视频中，我们将以AP_NOVA为例，详细讲一下这个神奇的解帧方法的具体实现过程。

　大家可以看到，在AP_NOVA中，帧头（ nova_header ）、帧数据（ msgbuffer ）处使用了union，但是CRC计算那里还是用了移位这种常规方法。大家应该看到了，对于这种“变帧长”的帧，使用union优势非常明显，但是其crc部分只有4个字节，并且格式是统一的，这时如果再使用union这种方法定义一堆东西，反而有点麻烦，因此官方驱动直接用了移位的方法。

        case nova_msg_parser::CRC1:
            nova_msg.crc = (uint32_t) (temp << 0);
            nova_msg.nova_state = nova_msg_parser::CRC2;
            break;
        case nova_msg_parser::CRC2:
            nova_msg.crc += (uint32_t) (temp << 8);
            nova_msg.nova_state = nova_msg_parser::CRC3;
            break;
        case nova_msg_parser::CRC3:
            nova_msg.crc += (uint32_t) (temp << 16);
            nova_msg.nova_state = nova_msg_parser::CRC4;
            break;
        case nova_msg_parser::CRC4:
            nova_msg.crc += (uint32_t) (temp << 24);
            nova_msg.nova_state = nova_msg_parser::PREAMBLE1;

四、顺便讲讲RTK的基本原理

　教学视频中，此处将讲述RTK的基本原理以及飞控在软硬件上是如何集成RTK功能的。

1、RTK基本原理

2、无人机系统集成RTK软硬件架构

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