アーキテクチャ概要

PX4は主にフライトコントロールシステムとミドルウェアの2つのレイヤーからなる。
PX4はエアフレーム(機体)によらずコードベースは同じ
リアクティブな作りになっている
- コンポーネント志向
- 非同期なメッセージやり取りでの通信
- 様々なワークロードに対応している

アーキテクチャの全体像

大きく分類して

Storage
External Connectivity
Drivers
Flight Control
Message Bus
という構成に分かれている

それぞれのモジュールはuORBというpublish-subscribeのMessage Busを介して通信します。

Flight Stack(フライトコントロールシステム)

- estimator：複数のセンサーからの入力を受け取り、統合し、現在の機体状態を推定します。 - controller(Position Controller/Attidude&Rate Controller)：推定された機体状態と、指定の状態とを合わせることを目的とし、機体を目的位置に動かすための姿勢と推力を出力します。 - mixer：「右に移動」といった指示を個々のモーターの動作に変換するモジュールです。機体の構成（モーターの配置、重心、回転慣性）に応じた値を算出します。

Middleware

ミドルウェア層は主に組み込みセンサーなどのデバイスドライバーや、コンパニオンコンピュータ・GCS(Ground control system)、メッセージバスのuORBなどからなります。
また、机上シミュレーションのためのモジュールも含まれています。

Update Rates

IMUドライバーのサンプリングレートは1kHzで、250Hzに統合して発信する。他の、navigatorなどのモジュールはもっと低いサンプリングレート、という感じになっている。
メッセージの送信間隔は uorb top コマンドで調べられます。

Runtime Environment

PX4はPOSIX-APIを持つOS(Linux, macOS, NuttX, QuRT)上で動作し、各モジュールはメモリ空間を共有して動作します。

モジュールの起動方法には2種類あります。

Tasks

個別のスタックとプロセス上で動作させる方式

Work queue tasks

キューイングされたタスクとして順番に実行される方式

すべてのタスクは相互に割り込むことができないため、協調して動作する必要があります
複数のタスクをキューで実行でき、また、複数のキューが存在する場合があります。
タスクは、実行される時間を指定するか、uORBトピック更新コールバックを介してスケジュール実行されます。

なお、　uorb top コマンドではWork queue上で実行されているタスクは見えない(work queueプロセス自体が見える)。work queue上で実行されている中身を見たい場合は work_queue status コマンドを使います。

Background Tasks

上記Taskの中からpx4_task_spawn_cmd() を実行することで、バックグラウンドのタスクを実行できる

OS-Specific Information

NuttX

NuttXはPX4用OSとして最適な(primaryの良い訳が思いつかない。。)OSです。
モジュールはタスクとして実行される。

Linux/macOS

LinuxまたはmacOS上で動作する場合、PX4は単一のプロセスで実行され、モジュールは個別のスレッドで実行されます。（NuttXのようにタスクとスレッドに違いはありません）

Controller Diagrams

(固定翼や、VTOL(垂直離着陸機)の解説もありますが、省略)

Multicopter Position Controller

(表記には、PX4 notationという表記法を使っています)

推定は、EKF2(Extended Kalman Filter)を用いて行う

指定位置と推定位置の差(Δr)を元もとにP(Proportional：比例制御)を行い、速度指定値算出を行う。
その指定速度と、推定速度の差(Δv)を算出し、PID制御で、F(thrust：突き上げ？)の指定値を算出する。

F(thrust)指定値から射影計算しZ方向への指定値を算出する。
F(thrust)指定値とattitude(姿勢)の指定値を統合して計算し、新たなattitude(姿勢)の指定値を算出する
という流れ。