============================= PSP工具箱 ============================= .. figure:: /images/3-13.jpg :align: center 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。 .. figure:: /images/3-14.jpg :align: center 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。 Simulink Pixhawk Target Blocks 模块库介绍 -------------------------------------------------------- 在安装完成 PSP 工具箱之后，可以在 Simulink 中看到“Pixhawk Target Blocks"模块库，其中提供了一些 Simulink 接口模块来访问Pixhawk 的硬件系统和 PX4 软件系统的内部消息。这些接口模块可以在 Simulink 的模块库“Pixhawk Target Blocks"中查看，它由四个子库组成：“ADC and Serial"（数模转换与串口库）、“Miscellaneous Utility Blocks"（辅助工具库）、“Sensors and Actuators"（传感器和执行器接口库）和“uORB Read and Write"（uORB 消息读写库）。 .. figure:: /images/3-15.jpg :align: center Simulink Pixhawk Target Blocks 模块库 下图为“Sensors and Actuators"（传感器和执行器接口库）中的几个关键的输入和输出模块。通过这些模块可以方便地获取 Pixhawk 的传感器数据或滤波后的状态数据，并控制电机、LED 灯和蜂鸣器的输出。 .. figure:: /images/3-16.jpg :align: center PSP 工具箱中传感器和执行器接口库示意图 同时PSP 工具箱还提供了大量的官方例程（详见文件夹"`e0/2.PSPOfficialExps `_"）以及官方使用手册（详见文档"`e0/2.PSPOfficialExps/Pixhawk_Pilot_Support_Package.pdf `_"）。通过上述例程和文档，读者可以快速掌握各个关键模块的使用方式，以及代码生成与下载流程。 .. figure:: /images/3-17.jpg :align: center PSP 工具箱官方例程及官方使用手册 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 `_")。 .. figure:: /images/3-18.jpg :align: center 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。 .. figure:: /images/3-19.jpg :align: center 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。 .. figure:: /images/3-20.jpg :align: center 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")。 .. figure:: /images/3-21.jpg :align: center 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")。 .. figure:: /images/3-22.jpg :align: center 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 `_")。 .. figure:: /images/3-23.jpg :align: center 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 `_")。 .. figure:: /images/3-24.jpg :align: center 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 `_")。 .. figure:: /images/3-25.jpg :align: center 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。 .. figure:: /images/3-26.jpg :align: center 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。 .. figure:: /images/3-27.jpg :align: center 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。 .. figure:: /images/3-28.jpg :align: center 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。 .. figure:: /images/3-29.jpg :align: center 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。 .. figure:: /images/3-30.jpg :align: center 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。 .. figure:: /images/3-31.jpg :align: center 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。 .. figure:: /images/3-32.jpg :align: center PX4 内部参数读取例程 .. figure:: /images/3-33.jpg :align: center 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。 Simulink 配置实现 PSP 工具箱自动代码生成 --------------------------------------------------------- (1)Simulink 控制器代码生成前准备工作 准备工作的步骤如下： | 1)在 Simulink 中设计一个控制器，并进行软件在环仿真验证； | 2)将验证通过的控制器复制到一个新的 Simulink 文件中； | 3)将控制器的输入接口和输出接口与 PSP 工具箱模块库中的输入(如传感器模块、遥控器模块等)与输出(如 PWM 输出模块、RGB LED 模块等)接口进行连接； 下图是一个完成连线的 Simulink 控制器的例子，该例子可以参考“`e0/2.PSPOfficialExps/px4demo_attitude_system.slx `_"文件。 .. figure:: /images/3-34.jpg :align: center 完成连线的 Simulink 控制器 （2）打开 Simulink 设置面板 新创建的 Simulink 文件需要经过一定的设置，才能支持 PSP 工具箱的代码生成功能。首先在 Simulink 单击“设置"按钮来打开 Simulink 设置面板。 .. figure:: /images/3-35.jpg :align: center 不同版本 MATLAB 的“设置”按钮 （3）PSP 工具箱代码生成设置 在“Hardware Implementation"标签页的“Hardware board"下拉框中设置硬件板卡为“Pixhawk PX4"。 .. figure:: /images/3-36.jpg :align: center 选择目标硬件标签页 （4）源代码编译与固件生成 单击 “编译"按钮即可进实现 C/C++ 代码的生成和 PX4 固件的编译。也可以单击 Simulink 的“诊断"按钮来查看代码的生成与编译过程。 .. figure:: /images/3-37.jpg :align: center 不同版本 MATLAB 的“编译”按钮 .. figure:: /images/3-38.jpg :align: center 不同版本 MATLAB 的”诊断”按钮 一次成功的编译过程在“Diagnostic Viewer"窗口中的状态下图(a) 所示，可以看到编译进度条完成，同时显示“Successfully generated all binary outputs"消息。此外，在编译完成之后，Simulink 会自动弹出如下图(b) 所示的“Code Generation Report"代码生成文档。 .. figure:: /images/3-39.jpg :align: center 代码生成与固件编译进度显示窗口 （5）下载 PX4 固件到 Pixhawk 硬件 利用 PSP 工具箱提供的一键下载功能实现固件的下载与烧录，具体步骤如： | 1) 用 USB 数据线连接Pixhawk 自驾仪侧面 USB 口和计算机上的 USB 。 | 2）对于 MATLAB 2017b∼2019a 版本，单击 Simulink 的菜单栏的“Code"标签，在弹出的下拉菜单中单击“PX4 PSP:Upload code to Px4FMU"即可；对于 MATLAB 2019b 及更高版本，由于 Simulink 菜单栏被取消，读者可以在 MATLAB 的“命令行窗口"输入“PX4Upload"命令来下载固件。 .. figure:: /images/3-40.jpg :align: center 不同 MATLAB 版本的固件下载功能 | 3）认真查看弹出窗口提示，有时需要重新插拔 Pixhawk 自驾仪才能开始下载流程。 经过上述步骤，读者已经实现将自己编写的自驾仪代码烧录到 Pixhawk 自驾仪系统中。