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【无人机】PX4 飞控系统架构

news 来源：原创 2025/6/25 20:55:11

PX4架构图

硬件部分

1、飞控系统：

2、动力系统：

3、导航系统

4、通信系统

5、任务载荷系统

6、飞行平台

软件部分

1、飞行控制软件

飞行控制软件的分层架构

2、地面控制软件

3、导航与定位软件：

4、通信协议软件：

5、任务管理软件：

参考：px4飞控官方手册

PX4 System Architecture | PX4 Guide (main)

PX4架构图

下图提供了基于飞行控制器的典型 “简单” PX4 系统的高级概述。

px4系统分为硬件和软件部分

硬件部分

1、飞控系统：

飞行控制器，最中间的部分，飞行控制器主要运行 PX4 飞行堆栈，通常包括内部 IMU、指南针和气压计。

是无人机的核心控制部分，主要由飞行控制器（FC）、传感器等组成。飞行控制器根据传感器采集的数据，如陀螺仪测量的姿态信息、加速度计测量的加速度信息、磁力计提供的航向信息等，通过内置的控制算法计算出需要的控制量，进而控制电机的转速，实现对无人机姿态、位置和飞行轨迹的精确控制。

2、动力系统：

Motor ESCs connected to PWM outputs, DroneCAN (DroneCAN allows two-way communication, not single direction as shown) or some other bus.

连接到 PWM 输出、DroneCAN（DroneCAN 允许双向通信，而不是如图所示的单向通信）或其他总线的电机 ESC

电机、电调、螺旋桨。电机为无人机提供动力，电调用于控制电机的转速，螺旋桨在电机驱动下产生推力，使无人机能够起飞和飞行，电池则为整个系统提供电力。

3、导航系统

传感器（GPS、指南针、距离传感器、气压计、光流、气压计、ADSB 应答器等）通过 I2C、SPI、CAN、UART 等连接。

通常包含全球定位系统（GPS）模块、惯性测量单元（IMU）等。GPS 模块用于获取无人机的地理位置信息，IMU 则实时测量无人机的加速度和角速度，两者结合可以实现无人机的定位、导航和姿态解算，帮助无人机确定自身位置和飞行方向，实现自主飞行。

4、通信系统

用于连接到地面站计算机/软件的遥测无线电。
用于手动控制的 RC 控制系统

分为无线通信模块和数据链路。无线通信模块负责无人机与地面控制站或遥控器之间的通信，常见的有蓝牙、Wi-Fi、数传电台等，数据链路则确保飞行数据的实时传输和指令的准确接收，包括上行链路（从地面控制站到无人机）和下行链路（从无人机到地面控制站）。

5、任务载荷系统

相机或其他负载。相机可以连接到 PWM 输出或通过 MAVLink 连接。

根据无人机的不同应用场景，可搭载各种任务载荷，如相机、摄像机、激光雷达、红外热成像仪、农药喷洒装置、货物运输装置等，以完成航拍、测绘、巡检、植保、物流等特定任务。

6、飞行平台

即无人机的机身结构，包括机架、机翼、起落架等部分，为无人机提供物理支撑和飞行姿态的基础。它的设计需考虑空气动力学、结构强度、重量分布等因素，以确保无人机在飞行过程中的稳定性和机动性。

软件部分

1、飞行控制软件

在飞行控制器上运行的 PX4 飞行堆栈包括驱动程序、通信模块、控制器、估算器以及其他中间件和系统模块。

运行在飞控系统的飞行控制器上，是无人机软件架构的核心部分。它实现了各种飞行控制算法，如姿态控制、位置控制、轨迹跟踪等，负责处理传感器数据，生成控制指令，以确保无人机的稳定飞行和精确控制。同时，飞行控制软件还具备故障检测与保护功能，在遇到异常情况时能够采取相应的措施，保障无人机的安全。

飞行控制软件的分层架构

驱动层（Drivers）：最底层，负责管理传感器（如加速度计、GPS）和执行器（如电机、舵机），实现硬件设备与软件的交互，是系统控制硬件的基础。
中间件层（Middleware）：包含 RTPS（实时发布订阅协议）、MAVLink（无人机通信协议）、UORB（PX4 内部消息通信机制），主要解决模块间的数据传输与通信问题，是系统各组件交互的桥梁。
应用 / 模块层（Apps/Modules）：最上层，集成 Commander（指令处理，如飞行模式切换）、Navigator（导航，规划飞行路径）、Controllers（控制器，执行姿态 / 位置控制算法）、Logger（日志记录，存储飞行数据）等功能模块，实现无人机的具体业务逻辑，如飞行控制、任务执行。