PX4中的uavcan进程

概述

PX4 中的 uavcan 模块梳理起来是有点杂的，就像 commander 中的内容一个较为杂乱。如果要梳理划分的话，可以按照主题消息的类型来划分，PX4 中的 uavcan 模块需要接收处理的消息主题非常多，因此将其主要分为三类：

1）需要收发的非传感器主题消息

2）只需接收的传感器主题消息

3）服务器消息(用于固件升级)

框图如下：

在 PX4 中的 uavcan 进程中，在 uavcan_main 中创建主节点，并且在创建主节点时，会将所有的主题消息挂载在主节点上，主节点也就是飞控。

服务器消息有一定的条件，即需要根据 UAVCAN_ENABLE 参数设置，大于 1 时，才会开启。固件升级功能需要动态节点 ID 分配，因此在服务器文件 uavcan_servers 中，包含的就是这两个功能，固件升级与动态节点 ID 分配，不过也可以理解为就是一个固件升级功能，因为动态节点 ID 分配是为固件升级服务的。

传感器消息是非常多的，传感器模块都在 uavcan/sensors 目录下，正是由于种类多，因此 PX4 单独为传感器创建了一个管理器 sensor_bridge ，在管理器中统一创建各个传感器的实例，并且创建了一个默认4个通道的列表，管理所有传感器消息的 uORB 主题发布。

在 px4 中的目录对应如下：

主流程

要梳理主流程的脉络的话，对照 DroneCAN 的标准流程就可以。按照 DroneCAN 的流程，创建节点一般需要几个步骤：

1）创建节点，并且在创建节点时需要指定 CAN 底层驱动实例以及系统时钟实例

2）创建消息订阅器与发布器

3）创建进程运行节点

主流程的步骤相比上面的三步要复杂一些，一方面在主循环中进行时间同步的操作，另一方面也有更多的主题消息，不过按照上述的步骤，可以大致梳理出 PX4 的 uavcan 创建节点的主流程步骤：

1）创建节点，指定 CAN 底层实例与系统时钟实例

2）为节点创建各类主题消息

3）创建进程运行节点

4）在主循环中定时进行时间同步

根据上述的主流程步骤，uavcan_main 文件中的主要内容与功能：

1.UavcanNode::start 函数中创建节点，并指定 CAN 底层实例与系统时钟实例；

2.UavcanNode::UavcanNode 构造函数中，会创建需要收发的主题消息各控制器并挂在节点上；

3.UavcanNode::init 函数中:

1）设置节点名称与 ID 基础信息

2）初始化需要收发的各消息控制器(在构造函数中已经创建，此时只初始化)

3）创建传感器主题消息链表(由于传感器较多，所以使用一个链表来节省资源)

4）获取 UAVCAN_ENABLE 参数设置，大于1时，启动服务器，用于固件升级

4.UavcanNode::Run() 函数中进行线程创建，时间同步，参数获取等

在构造函数中，就可以看出需要收发的主题消息控制器有哪些，这些消息，在PX4中是跟着构造函数一起创建的：

在初始化函数 init 中，会设置节点名称与 ID :

/*******************设置节点名称与ID 基础信息*******************/
_node.setName("org.pixhawk.pixhawk");  //设置节点名称
_node.setNodeID(node_id);   //设置节点ID
fill_node_info();

 

之后创建主题消息控制器：

/********************初始化各个其他模块的主题消息控制器***********************/
ret = _beep_controller.init();  //蜂鸣器控制器

if (ret < 0) {
        return ret;
}

// Actuators
ret = _esc_controller.init();   //电调控制器

if (ret < 0) {
        return ret;
}
...

而传感器消息太多，因此传感器消息由一个管理器类 IUavcanSensorBridge，初始化函数中只需要调用此管理器类的一个成员函数 make_all 即可完成全部的创建：

// Sensor bridges
//创建所有传感器的消息链表(由于传感器太多，因此创建一个链表节省资源)
IUavcanSensorBridge::make_all(_node, _sensor_bridges);

传感器类主题消息的内容在下面的内容详细叙述，在此先跳过。

服务器的创建需要条件，需要根据 UAVCAN_ENABLE 参数：

/*获取 UAVCAN_ENABLE 参数设置，一共有0，1，2，3四种情况，大于1时就需要开启服务节点来支持升级*/
if (uavcan_enable > 1) {
        _servers = new UavcanServers(_node, _node_info_retriever);

        if (_servers) {
                int rv = _servers->init();

                if (rv < 0) {
                        PX4_ERR("UavcanServers init: %d", ret);
                }
        }
}

UAVCAN_ENABLE 参数的定义如下：

0 - UAVCAN 禁用
1 - UAVCAN 对传感器支持，但没有动态节点ID分配与固件升级
2 - UAVCAN 对传感器支持，同时也支持动态节点ID分配与固件升级
3 - UAVCAN 对传感器支持，同时支持动态节点ID分配与固件升级，并且将电机控制信号也用UAVCAN输出

时间同步与固件升级

时间同步的流程可以参照《DroneCAN的实现库Libuavcan及基础功能示例》一文中的示例程序。主要需要注意的地方是主机的冗余机制： 如果当前模块是主机的话，会同时再创建一个从机运行，当检测到网络中有更高优先级的主机时，当前节点会启用从机 (suppress(false))，之后与新主机进行同步：

/*
 * 检查网络中是否又更高优先级的主机
 * 如果有的话，激活本地的从机节点，当前模块由主机变从机，与新主机同步
 */
if (_time_sync_slave.isActive()) { // "Active" 表示从设备网络中至少有一个远程主机
        if (_node.getNodeID() < _time_sync_slave.getMasterNodeID()) {
                /*
                 * 当前节点是优先级最高的主机节点  调用 suppress 函数，压制从机模式
                 */
                _time_sync_slave.suppress(true);  // SUPPRESS

        } else {
                /*
                 * 网络中存在更高优先级的主机，因此取消压制从机，允许从机调整本地时钟
                 */
                _time_sync_slave.suppress(false);  // UNSUPPRESS
        }

} else {
        /*
         * 当网络中没有主机时，必须压制从机，本主机是唯一时钟源
         */
        _time_sync_slave.suppress(true);
}

/*
 * 发布时间同步主题消息
 */
_time_sync_master.publish();

固件升级的流程也同样可以参照《DroneCAN的实现库Libuavcan及基础功能示例》一文中的示例程序。

需要收发的主题消息流程

此部分也是两种类型，不过大体上的类成员函数框架都是复制的。伪代码如下：

类名::类名(uavcan::INode &node) :
        要发布的主题消息(node),
        要订阅的主题消息(node),
        _timer(node)  //软件定时器
{
        要发布的消息.setPriority(uavcan::TransferPriority::Default);  //设置优先级
}

int 类名::init()
{
        //启动要订阅的主题消息的回调函数
        int res = 要订阅的消息.start(StatusCbBinder(this, &类名::回调函数名));
        if (res < 0) {
                return res;
        }    
    
        // 设置软件定时器的周期与回调函数，用于定时广播主题消息
        if (!_timer.isRunning()) {
                _timer.setCallback(TimerCbBinder(this, &UavcanSafetyState::periodic_update));
                _timer.startPeriodic(uavcan::MonotonicDuration::fromMSec(1000 / MAX_RATE_HZ));
        }

        return 0;
}

//周期更新状态，然后发布消息
void 类名::广播回调函数(const uavcan::TimerEvent &)
{
    更新消息
    (void)要发布的主题消息.broadcast(cmd);
}

//处理接受到的主题消息
void 类名::订阅回调函数()
{
}

如果是仅仅广播消息，不接收消息的控制器的话，例如安全开关，就不需要订阅，其代码也基本上是上述的模板套上去即可：

1.构造函数中创建主题消息并设置优先级：

2.初始化函数中设置软件定时器的周期与回调函数：

3.回调函数中更新数据并调用 broadcast 库函数来发送消息：

如果是订阅与发布都需要的话，例如电调，则在初始化过程中会再多增加一个启动主题消息的订阅，并指定回调函数：

传感器类主题消息流程

传感器类的主题消息控制器，在 PX4 中，又创建了一个管理器来管理这么多的传感器消息控制器，即 sensor_bridge。在 sensor_bridge 中，创建了一个列表，在 make_all 函数中，将创建的传感器对象都添加到列表中：

不过更重要的是，在 sensor_bridge 中，创建了一个默认为4的通道：

_channels(new uavcan_bridge::Channel[max_channels]),

由于传感器种类太多，PX4 不仅要接收传感器发送的主题数据，同时在接收之后，还要根据数据更新相应的 uORB 主题消息，因此 PX4 使用这 4 个通道来发布相应的 uORB 主题消息，避免同时发布的数据太多，节省资源，在 publish 函数中实现：

当通道中有 ID 与要发布的消息的传感器 ID 相同时，优先选择此通道，如果没有，则需按照空闲通道，当有空闲通道时，则发布 uORB 主题消息，如果没有空闲通道，则退出函数，暂不发布数据。

其余的单传感器的消息控制器的框架与上面一节的框架是一样的，只是没有广播消息，只订阅消息，例如电池，也是在构造函数中创建消息类型：

UavcanBatteryBridge::UavcanBatteryBridge(uavcan::INode &node) :
        UavcanSensorBridgeBase("uavcan_battery", ORB_ID(battery_status)),
        ModuleParams(nullptr),
        _sub_battery(node),
        _sub_battery_aux(node),
        _warning(battery_status_s::BATTERY_WARNING_NONE),
        _last_timestamp(0)
{
}

在初始化函数中，开启消息订阅，并指定回调函数：

int UavcanBatteryBridge::init()
{
        /*启动主题消息订阅器，并指定其回调函数*/
        int res = _sub_battery.start(BatteryInfoCbBinder(this, &UavcanBatteryBridge::battery_sub_cb));

        if (res < 0) {
                PX4_ERR("failed to start uavcan sub: %d", res);
                return res;
        }
        ...

在回调函数中，更新数据，并且调用 sensor_bridge 的发布函数来发布 uORB 主题：

if (battery_aux_support[instance] == false) {
        publish(msg.getSrcNodeID().get(), &battery_status[instance]);
}

px4自身id与消息订阅使能

px4自身的id与各类外设的消息是否订阅的使能，在uavcan_param.c中，如果要修改飞控的id，以及是否订阅相关外设的消息，调节参数即可，或者在QGC中修改：