3. PSP工具箱

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Simulink 与 Pixhawk 自驾仪代码生成关系图

上图展示了 PSP 工具箱、PX4 软件系统与 Pixhawk 硬件系统之间的关系。该工具箱的主要功能包括：

（1）能在 Simulink 中对不同的飞机模型和自驾仪算法进行仿真和测试，并能自动将算法部署到 Pixhawk 自驾仪系统中；
（2）PSP 工具箱提供了一些实用实例，包括灯光控制、遥控器数据处理和姿态控制器等；
（3）PSP 工具箱中提供了很多接口模块，用于访问 Pixhawk 硬件系统的软/硬件组件；
（4）能自动记录传感器、执行机构以及部署进去的控制器的飞行数据；
（5）能订阅和发布 uORB 话题消息。PX4 软件系统的所有数据都暂存在一个 uORB消息池中，通过 uORB 订阅功能可以从消息池中读取感兴趣的话题，通过 uORB 模块的发布功能可以将特定的话题发布到消息池中供其他模块使用。

Simulink 生成的代码与 Pixhawk 自驾仪系统的关系总结如下：

（1）Pixhawk 自驾仪系统的软/硬件结构包括：Pixhawk 硬件系统（类似于计算机主机）和 PX4 自驾仪软件系统（类似于主机上运行的操作系统和应用程序）。
（2）整个 PX4 自驾仪软件系统可以分为若干个小模块，每个模块独立运行（多线程并行），各个模块通过 uORB 模块的订阅与发布功能实现数据的传输与交互。
（3）Simulink 生成的代码部署到 PX4 自驾仪软件系统之后，不会影响原生 PX4 自驾仪软件系统的运行，而是新增一个名为“px4 simulink app”的独立模块（独立线程）并行于其他模块运行。
（4）整个代码生成与部署过程如下：
  • PSP 工具箱将在 Simulink 中设计的控制算法生成 C 代码；
  • 将代码导入到 PX4 自驾仪软件系统的源代码中，生成一个“px4 simulink app”独立运行的程序；
  • PSP 工具箱调用编译工具将所有代码编译为“.px4”的 PX4 自驾仪软件固件文件（类似于系统镜像文件）；
  • 将得到的固件文件下载到 Pixhawk 自驾仪系统中并烧录，由 Pixhawk 自驾仪系统执行带有生成算法代码的 PX4 软件。
（5）由于原生 PX4 控制算法可能需要访问和“px4_simulink_app”同样的硬件输出资源，这会产生读写冲突。因此，平台一键部署脚本提供了自动屏蔽 PX4 原生固件对执行器的选项，以确保只有“px4_simulink_app”模块能够输出电机控制量。
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Simulink 与 Pixhawk 自驾仪代码生成关系图

(6)生成的 Simulink 代码也可以用于替换PX4 软件系统的某些原生模块（位置控制器、卡尔曼滤波器、姿态控制器等），但是需要手动修改 PX4 固件代码来屏蔽原始模块的输出接口（另一种可行方法是修改PX4模块启动脚本文件 “Firmware\ROMFS\px4fmu_common\init.d\rcS”，并注释掉想要屏蔽的模块）。例如，想用 Simulink 实现一个姿态滤波器模块（输入传感器数据，输出状态滤波数据）来替换 PX4 原始的滤波器，需要手动屏蔽 “Position & Attitude Estimator”滤波器模块向 uORB 消息池发布滤波后姿态数据（对应名为vehicle_attitude的uORB消息）的代码。具体操作示例为：
① 打开“Firmware\src\modules\ekf2\ekf2_main.cpp”文件（扩展卡尔曼滤波器模块对应代码）；
②在其中屏蔽掉”ORB_ID(vehicle_attitude)”消息相关的发送代码。例如，搜索关键字”_att_pub”的代码行，并找到其中含有”publish”和”att”的发送代码行，将其替换为“UNUSED(att);”。
③ 在Simulink中编写姿态滤波器，并用”uORB Write”模块发送”vehicle_attitude”消息即可实现姿态滤波器功能的替换。

3.2. 工具箱内各个模块的使用说明

（1）遥控输入模块
通过这个模块可以选择接收遥控器的通道数量和其他的一些信息。每个选项的含义可单击对话框的“Help”按钮查看或者查阅官方文档。同时 PSP 工具箱还提供了学习这一模块的例子（详见文件”e0/2.PSPOfficialExps/px4demo_input_rc.slx”)。
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遥控器输入模块及其参数设置框

（2）PWM 输出模块
PWM 输出模块用于发送 PWM 信号到 PX4IO 的输出端口以控制电机转动，在配置页面中可以选择 PWM 的更新率及输出通道。
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PWM 输出模块及其参数设置框

（3）FMU 输出模块
FMU 输出模块用于发送 PWM 信号到 PX4FMU 的输出端口以控制舵机的偏转，在配置页面中可以选择 PWM 的更新率及输出通道。
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FMU 输出模块及其参数设置框

（4）蜂鸣器模块
通过这个模块可以控制蜂鸣器发出提示音。PSP 工具箱还提供了学习这一模块的例子（详见文档”C:\PX4PSP\examples\px4demo_tune.slx”)。
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蜂鸣器模块及其参数设置框

（5）RGB LED 模块
通过这个模块可以控制 LED 灯闪烁的模式和颜色。该模块接收有两个输入，一个是模式（Mode)，另一个是颜色（Color)。PSP 工具箱还提供了学习这一模块的例子（详见文档”C:\PX4PSP\examples\px4demo_rgbled.slx”)。
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RGB LED 模块及其参数设置框

（6）传感器数据组合模块
通过传感数据组合模块可以获取 Pixhawk 中可用的传感器数据，然后这些数据可以用于 Simulink 控制器的设计。可获取的传感器数据包括磁力计、加速度计、陀螺仪、气压计和时间戳。在模块的设置页面可以配置采样频率和想要输出的传感器信号。PSP 工具箱还提供了学习这一模块的例子（详见文档”e0/2.PSPOfficialExps/px4demo_attitude_control.slx”)。
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传感器数据组合模块及其参数设置框

（7）姿态数据模块
姿态数据模块提供了经过滤波的姿态数据（欧拉角和四元数)。PSP工具箱还提供了学习这一模块的例子（详见文档”e0/2.PSPOfficialExps/px4demo_attitude_control.slx”)。
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姿态数据模块及其参数设置框

（8）GPS 数据模块
通过该模块可以获取 Pixhawk 的 GPS 数据，它是通过订阅 uORB 话题“vehicle_gps”实现的。因此，在实际运行时需要 Pixhawk 上插入 GPS模块才能保证正确发布该话题，从而获取正确的 GPS 数据。PSP 工具箱还提供了学习这一模块的例子（详见文档”e0/2.PSPOfficialExps/px4demo_gps.slx”)。
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GPS 数据模块及其参数设置框

（9）电池数据模块
通过这个模块可以获取电池的实时数据，它是通过订阅uORB 话题“battery status”实现的，所以在实际运行时需要保证 Pixhawk 上插入电源模块才能获取正确数据。
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电池数据模块及其参数设置框

（10）uORB 模块
通过uORB 模块可以从 PX4 自驾仪软件系统中读取或发送 uORB 消息，其中 PX4 自驾仪软件系统支持的所有 uORB 消息类型可以在软件包安装目录（默认路径是”C:\PX4PSP”)下的”Firmware\msg”目录中查看。
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用于消息读写的 uORB 模块

双击“uORB Write”模块可以打开uORB 消息配置界面，在其中可以选择发送的 uORB 消息名称和数据。

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uORB 消息配置界面

单击uORB 消息配置界面中的“Open .msg file”按钮可以打开选定的 uORB消息文件；单击“Open .msg folder”按钮打开消息目录。

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uORB 消息文件

下面为两个高级的“uORB Write”模块，提供更为简单的发送 uORB 消息的接口。

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uORB 模块参数设置框“Open.msg folder”消息目录

实际上，前面提到的所有模块（如 PWM 输出模块、RGB LED 模块等）在底层均是通过uORB 消息的读写来实现的。理论上，通过 uORB 消息的读写，Simulink 可以获取并发送 PX4 自驾仪软件系统内所有消息和中间变量，来实现更高级的控制器功能。同时，PSP 工具箱还提供了学习这一模块的例子（详见文档“e0/2.PSPOfficialExps/px4demo_fcn_call_uorb_example.slx”和“e0/2.PSPOfficialExps/px4demo_write_uorb_example.slx”）。

PX4 自驾仪软件系统的开发者网站提供了 自定义 uORB 消息的教程 ，以及 通过MAVLink 协议与外部设备进行数据交互的教程 。通过以上教程，可以实现从外部设备接收数据，并解码为自定义的 uORB 消息。结合PSP中的uORB 模块，可以实现生成的”px4_simulink_app”与外部硬件的通信。

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高级 uORB Write 模块及它们之间的区别

（11）Pixhawk 内部参数
为了方便调参与测试，PSP 工具箱还提供了读取 Pixhawk 内部参数的方法。这样可以在飞行测试实验中，直接通过地面站软件来修改 Simulink 生成控制器的参数，而不需要在 Simulink 中修改参数，再生成代码并重新下载 Pixhawk。访问内部参数的例程展示在 “e0/2.PSPOfficialExps/px4demo_Parameter_CSC_example.slx”文件中。
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PX4 内部参数读取例程

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参数初始化脚本设置

访问 Pixhawk 内部参数是通过 Pixhawk CSC.Parameter({*, *}) 函数实现的，需要将该函数放入Simulink菜单栏的”File”-“Model Properties”-“Callbacks”-“InitFcn”中。