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PX4 介紹

PX4 是一套開源的 autopilot 軟體，主要負責無人機的即時飛行控制。 從作業系統的角度來看，PX4 可以視為一個由多個 module 組成的飛控應用程式。 它可以運行在 Pixhawk 等 flight controller 上，大多使用 NuttX RTOS 系統， 開發與模擬時，也能以 SITL（Software in the Loop）方式在 Linux 或 macOS 電腦中模擬執行。

PX4 適合處理感測器讀取、狀態估測、姿態與位置控制、飛行模式、安全檢查及馬達輸出。 影像辨識、路徑規劃或其他需要較多運算資源的功能，則通常放在 companion computer 上由 ROS 2 執行。

PX4 軟體架構

PX4 大致分成 flight stack 與 middleware。 Flight stack 包含導航、狀態估測與控制演算法；middleware 則提供 device driver、參數、記錄、對外通訊，以及模組之間使用的 uORB message bus。

uORB 使用 publish/subscribe 通訊方式，但它主要是 PX4 程式內部的訊息匯流排，不是網路通訊協定。 Module 通常透過同一個系統中的共享記憶體交換資料；如果要將資料傳到其他電腦，仍需經過 uXRCE-DDS、MAVLink 等通訊模組。

  • Publisher 將資料發布到一個具名 topic，例如 IMU 資料。
  • Subscriber 訂閱感興趣的 topic，在資料更新時讀取內容。
  • Publisher 和 subscriber 不需要直接認識彼此，因此可以獨立開發及替換。
flowchart TB
    SENSOR[感測器<br/>IMU、GPS、Barometer、Camera]

    subgraph FC[Flight Controller：PX4]
        DRIVER[Device drivers]
        UORB[uORB<br/>Publish / Subscribe message bus]

        subgraph STACK[Flight stack]
            EST[Estimator<br/>估算姿態與位置]
            NAV[Commander / Navigator<br/>模式、安全檢查與任務]
            CTRL[Controllers<br/>位置、速度與姿態控制]
            ALLOC[Control allocation<br/>分配馬達與舵面輸出]
        end

        COMMS[Communication modules<br/>MAVLink、uXRCE-DDS]

        DRIVER --> UORB
        UORB --> EST
        EST --> UORB
        UORB --> NAV
        NAV --> UORB
        UORB --> CTRL
        CTRL --> UORB
        UORB --> ALLOC
        COMMS <--> UORB
    end

    SENSOR --> DRIVER
    ALLOC --> ACT[Actuators<br/>Motor、Servo]
    COMMS <--> EXT[外部系統<br/>QGroundControl、ROS 2]

PX4 的 module 不會彼此直接綁死，而是透過 uORB 發布與訂閱訊息。 例如 driver 發布 IMU 資料，estimator 計算姿態，controller 再根據目標值與估測結果產生控制輸出。 這種方式讓各個 module 可以分開開發或替換。

PX4 如何與 ROS 2 搭配

最常見的設計是讓 PX4 運行在 flight controller，負責需要即時性與安全性的底層飛行控制；ROS 2 運行在 companion computer，負責感知、規劃和高階任務。

flowchart TB
    subgraph FC[Flight Controller]
        PX4MOD[PX4 modules]
        UORB[uORB topics]
        CLIENT[uxrce_dds_client]
        MAVLINK[PX4 mavlink module]

        PX4MOD <--> UORB
        UORB <--> CLIENT
        UORB <--> MAVLINK
    end

    XRCE_LINK[Serial / UDP / TCP<br/>XRCE-DDS]
    MAV_LINK[Serial / UDP<br/>MAVLink protocol]

    subgraph CC[Companion Computer]
        AGENT[Micro XRCE-DDS Agent]
        DDS[DDS data space]
        MSGS[px4_msgs<br/>ROS 2 message definitions]
        MAVROS[MAVROS<br/>MAVLink ↔ ROS 2]

        subgraph ROS[ROS 2]
            SENSE[Perception node]
            PLAN[Planning node]
            OFFBOARD[Offboard control node]
        end

        AGENT <--> DDS
        DDS <--> SENSE
        DDS <--> PLAN
        DDS <--> OFFBOARD
        MSGS -.提供型別.-> ROS
        MAVROS <--> ROS
    end

    CLIENT <--> XRCE_LINK
    XRCE_LINK <--> AGENT
    MAVLINK <--> MAV_LINK
    MAV_LINK <--> MAVROS
    MAV_LINK <--> GCS[QGroundControl / MAVSDK]

    SENSE --> PLAN
    PLAN --> OFFBOARD
    OFFBOARD -->|/fmu/in/*<br/>Setpoint、Command| DDS
    DDS -->|/fmu/out/*<br/>Status、Odometry、Sensor data| SENSE

資料傳遞流程如下：

  1. PX4 module 在 flight controller 內發布或訂閱 uORB topic。
  2. PX4 內的 uxrce_dds_client 將指定的 uORB topic 轉換成 DDS 資料。
  3. Client 透過 serial、UDP 或 TCP 連接 companion computer 上的 Micro XRCE-DDS Agent。
  4. Agent 將資料放入 DDS data space，ROS 2 node 就能使用一般的 publisher 和 subscriber 收發資料。
  5. PX4 發出的 ROS 2 topic 通常位於 /fmu/out/，ROS 2 要送給 PX4 的 topic 通常位於 /fmu/in/。

例如 ROS 2 可以訂閱 vehicle odometry，完成路徑規劃後發布 position setpoint；PX4 接收 setpoint，再由自己的 estimator、controller 和安全機制完成實際飛行控制。

圖中也畫出另一條 MAVLink 路徑。 PX4 的 mavlink module 會在 uORB message 與 MAVLink message 之間轉換，再透過 serial 或 UDP 傳送：

  • QGroundControl 和 MAVSDK 可以直接使用 MAVLink 與 PX4 通訊。
  • MAVROS 是 MAVLink 與 ROS 2 之間的 bridge，會將 MAVLink message 轉換成 ROS 2 topic、service 和 parameter。

因此 ROS 2 有兩種常見連接方式。 uXRCE-DDS 讓 ROS 2 直接使用由 uORB 定義產生的 px4_msgs；MAVROS 則使用較通用的 MAVLink message 與 ROS API。 兩條路徑可以同時存在，例如 ROS 2 使用 uXRCE-DDS，而 QGroundControl 同時使用 MAVLink 監控飛行器。

各部分的責任

部分 建議負責的功能
PX4 flight controller 感測器、狀態估測、姿態與位置控制、飛行模式、failsafe、馬達輸出
ROS 2 companion computer 相機與 LiDAR 處理、定位、避障、路徑規劃、任務邏輯
uXRCE-DDS Client 在 PX4 上將指定的 uORB topic 與 DDS 資料互相轉換
Micro XRCE-DDS Agent 代理資源有限的 PX4 client 加入 DDS network
px4_msgs 提供 ROS 2 理解 PX4 topic 所需的 message 與 service 型別
PX4 mavlink module 在 uORB message 與 MAVLink message 之間轉換
MAVROS 在 MAVLink 與 ROS 2 API 之間轉換
QGroundControl 設定參數、校正、任務規劃、飛行監控及操作

ROS 2 不應直接取代 PX4 的高速姿態控制迴路。較常見的做法是由 ROS 2 提供位置、速度、姿態或軌跡 setpoint，再讓 PX4 負責穩定控制與安全檢查。如此即使 companion computer 的高階程式發生問題，PX4 仍能執行既有的 failsafe。

其他連接方式

uXRCE-DDS 是 PX4 與 ROS 2 常見且成熟的整合方式。 PX4 也支援使用 Zenoh 將 uORB message 暴露給 ROS 2；另一種選擇是使用 MAVROS，透過 MAVLink 連接 PX4。 選擇時可依現有系統、PX4 版本、網路環境及需要使用的 API 決定。

常用資源