基于RT-Thread的开源飞控StarryPilot

背景描述

近年来无人机应用市场日趋火热，无人机开始被应用在多个领域之中，比如航拍，植保，运输，安防等。随着应用场景的增加，对于无人机的大脑一飞控，的性能和功能要求也变得越来越高。国内具有一大批优质的无人机企业，如DJI，零度，亿航，极飞等。可是这些企业的飞控系统并不开源，而开源飞控市场却基本被国外所垄断，比如APM, PX4, Autoquad等，国内目前还没有一款开源飞控可以与之抗衡，在国际上也没有令人熟知的“国产”开源飞控。正是基于开发出一款世界知名的中国的开源飞控，我从2016年开始了StarryPilot这个项目。飞控的设计理念是一款轻量，功能强大的飞控，主要面向科研和无人机行业应用，使得无人机开发技术更加普及，也更容易将无人机技术应用到各个行业。

无人机整机

Pixhawk

室外定高飞行

Gazebo HITL(硬件在环)仿真

Msh shell系统

开发环境

主控：STM32F427 + STM32F100(从控制器)
编译环境: Keil MDK5.23
RT-Thread版本: RTT-2.1.0

硬件设计

硬件采用国外开源的自驾仪Pixhawk(https://pixhawk.org/modules/pixhawk), 如下图所示。Pixhawk也是目前世界上应用最广，支持的飞控系统最多的开源飞控硬件。

其主要性能参数如下：

168MHz / 256 MIPS Cortex M4F
14路 PWM/伺服输出
外扩总线接口 (I2C,CAN,UART)
冗余电源输入
外部安全开关
多色LED指示灯
外置microSD卡槽

传感器：

ST Micro L3GD20 16位陀螺仪
ST Micro LSM303D 16位加速度计/磁力计
Invensense MPU 6000 三轴加速度计/陀螺仪
MEAS MS5611 气压计

接口：

5x UART, 2x CAN, I2C, SPI
DSM/DSM2/DSM-X 卫星兼容输入
PPWM, S-BUS
3.3 和 6.6V ADC输入
microUSB

整个系统除了Pixhawk之外，还有一些外接的电子设备，如无刷电机，GPS，电调，数传，RC接收机，Lidar-Lite激光雷达等。整体的系统框架图如下图所示：

软件设计

软件采用分层结构设计，如下图所示，从底层到上层分别是Driver层，RTOS(RTT + Fatfs)，HAL硬件虚拟层，Framework层和应用层。

一、Driver层

Driver层实现了Pixhawk板载的所有硬件设备的驱动，如传感器设备(陀螺仪，加速度计，磁力计，气压计等)，总线设备(UART, I2C, SPI等)，USB，电机驱动，SD卡驱动，GPS驱动，LED灯以及一些板载设备的驱动。各个驱动以Device的形式向RTT进行注册，并且提供各自的init(), read(), write, ioctrl()函数供上层调用。这里仅以hmc5883磁力计的驱动举例说明驱动程序的一般设计步骤。

- 设备初始化函数

如下为hmc5883的初始化函数。首先对设备的功能函数进行函数指针赋值，这里定义了init(), read()和ioctrl()三个函数。然后向RTT注册名为hmc5883的驱动设备，上层可以通过查找设备名的方式来获取该驱动设备。接下来就是给hmc5883设置对应的总线设备。这里 hmc5883使用的是i2c通信，所以初始化中会为其查找对应的i2c设备。

- init()函数

Init()函数主要做一些芯片的初始化的工作，包括寄存器配置等。

- read()函数

read()函数实现设备数据读取的功能,如原始磁场数据和标定后的磁场数据读取。

- ioctrl()函数

Ioctrl()函数主要实现一些设备的配置功能，如设置测量磁场的范围，采样频率等。

二、RTOS层

RTOS采用RT-Thread嵌入式操作系统，它的功能强大，除了提供基本的线程调度，内存管理，同步等基本功能外，还提供了如msh的shell系统，device设备驱动系统，使得系统的整体架构更加清晰，功能也更加完善。

三、HAL层

HAL层主要是对底层驱动设备进行进一步封装，将具体的设备抽象为一个类别的设备。以串口设备为例，不同的硬件平台，串口的底层驱动会有差异，通过HAL层，将串口设备封装为统一的接口，这样当系统移植到不同平台的时候，上层代码不需要做任何改变，而只需要将对应底层驱动进行简单替换就行。这将大大降低系统移植的复杂程度。

四、Framework层

Framework层实现了飞控设备的主要功能，如姿态估计，位置估计，控制器，通信，日志管理等等。可以说，这一层是整个系统的核心，大部分的功能模块都在这一层来实现。

五、Application层

应用层是将飞控的各个大的功能进行分割，变成一个个小的功能。每个功能在系统中为一个单独的线程，每个线程负责执行自己的任务，并且跟其他线程通过IPC进行通信。Vehicle线程具有最高优先级，执行周期为1ms。其负责实现无人机飞行相关的所有功能，如状态估计和电机的控制。

启动流程

下面介绍一下系统的启动流程. 启动流程沿用RTT提供的原始结构。首先在rtthread_startup()函数中进行RTOS的一些初始化，然后进入到rt_application_init()中。在这个函数中会建立一个init的初始线程，在这个线程中，会对飞控各个模块进行初始化的工作。在初始化完成之后，会根据Application层的定义，建立各个线程，并唤醒，最后将init线程自己给销毁掉，避免不必要的内存消耗。

演示视频

控制算法和飞行效果测试( ADRC vs PID ) 暂时无法上传可以关注 “RT-Thread物联网操作系统”公众号浏览

项目特色

使用RT-Thread嵌入式操作系统, Fatfs文件系统，完整的系统功能支持(如跨进程通信，文件管理，参数系统等)
基于Pixhawk硬件平台开发，完美支持Pixhawk硬件
ADRC控制和PID(串级)控制
支持Mavlink协议(QGC地面站)
支持Gazebo硬件在环(HITL)仿真
Msh指令系统，提供丰富以及可扩展的系统指令
Log日志系统，方便抓取飞行日志信息，并提供相应的日志查看工具。
基于最小二乘法的最优椭球拟合校准算法(可校准零偏误差，缩放误差，非正交误差)，可用于磁力计和加速度计的校准

软件代码: https://github.com/JcZou/StarryPilot