一、飛控系統組成模塊

早期無人機沒有軟件架構，是通過無線電（RC）控制技術發展起來的，筆者在大學本科上的第一門課叫“自動化導論”，記憶深刻，上課開始教授就給出一張圖，一個典型的閉環控制系統（包含控制目標，控制器，反饋信息，執行機構），這個也很准備地概括出了早期無人機飛控系統。得益於衛星能力的增強和計算機處理能力、算法發展、實時系統應用、機電飛控系統、導航系統方面的技術進步，目前的飛控系統隨着軟件架構變化而發展。但無人機飛控系統的基本功能是不變的：主要依靠傳感器系統獲取位姿信息，反饋到微處理器進行控制系統的運算，輸出控制指令給相關子系統（伺服作動/機電系統）。所以飛控軟件設計主要負責搭建合理軟件流程，使各功能模塊協調有效的工作。

當然，設計一個現代無人機飛控系統軟件時，就不僅僅是讓飛機飛起來那么簡單了，也就是說軟件模塊除了基本要素外，還需有其他擴展功能，一個完整的飛控軟件組成模塊包括：

1、傳感器模塊（包括預處理/校准模塊）

2、通信模塊

3、控制輸入模塊（來自地面或自動控制模塊）

4、導航/制導模塊

5、飛行模式管理模塊

6、參數管理模塊（控制可調參數、性能查值等）

7、飛行控制模塊

8、起飛/着陸檢測模塊

9、應急處置/健康管理模塊

10、數據記錄模塊

11、固件升級模塊

…

飛控軟件組成模塊

二、軟件設計方法

筆者在大學期間參加大學生創新大賽時，當時團隊三人查資料合計后做的是一款球形機器人（最終結果它只是完成了直線運動，未能實現設計之初設想的萬向運動，定點止停），同實驗室有同學就做的是涵道無人機，那個時候也就初步接觸了一點飛控知識。

跟我們的機器人軟件一樣，為了方便快捷，軟件系統的編寫采用前后台操作的方式。前台應用程序是放在main主函數里面無限循環，調用相應的處理子函數；后台中斷程序處理異步觸發事件。為保證時間的精確性，有些固定周期執行的任務都要靠中斷服務程序來完成，但是在中斷處理程序中只標記事件的發生，不做任何處理，轉而由后台系統調度處理，這是為了避免在中斷程序執行時間過長影響后續和其他中斷事件。

目前，很多開源飛控是帶OS（片上系統）的飛控設計。across在一篇總結文章中這樣描述：這種設計方法是在某一操作系統上進行二次開發，OS通過一個內核的調度來管理CPU，使得所有的模塊也就是任務都能正常運行，達到相對意義的“並行”。同時采用基於優先級的可剝奪性調度算法來保證實時性。RTOS 將應用層軟件分成多個任務，簡化了應用軟件的設計，同時使得飛行控制的實時性得到保證。

直觀地說，帶OS的飛控，其固件同時附帶了一系列工具集、系統驅動/模塊與外圍軟件接口層，所有這些軟件（包括用戶自定義的飛控軟件）隨OS內核一起，統一編譯為固件形式，然后上傳到飛控板中，從而實現對飛控板的軟件配置。

帶OS的飛控系統軟件架構中，最有意思的一點在於整個架構的抽象性（多態性），即：為了最大限度保障飛控算法代碼的重用性，其將飛控邏輯與具體的底層控制器指令實現進行了解耦合。

博主NeoRAGEx2002在他的一篇博文中對上述兩種設計方法有一段總結，我比較認同，摘錄如下：有很多搞自動化出身、沒太多軟件經驗的朋友傾向於直接使用底層控制協議來控制飛控板，但實際上PX4架構（筆者注：帶OS的飛控設計實例）已經在更高的抽象層面上提供了更好的選擇，無論是代碼維護成本、開發效率、硬件兼容性都能顯著高於前者。很多支持前者方式的開發者的理由主要在於高層封裝機制效率較低，而飛控板性能不夠，容易給飛控板造成較大的處理負載，但實際從個人感覺上來看，遵循PX4的軟件架構模式反倒更容易實現較高處理性能，不容易產生控制擁塞，提升無人機側系統的並發處理效率。

PX4/Pixhawk飛控軟件架構

三、架構進化

Wyle Aerospace Group的Fred Briggs發表過一篇論文《UAV Software Architecture》（無人機軟件架構）對相關軟件架構進化過程做了綜述性梳理，筆者對這部分內容進行簡化后分享如下：

A. 開放控制平台

開放控制平台（Open Control Platform，OCP）是一種面向對象的軟件基礎構件，“提供一條將控制設計快速轉換為桌面或嵌入式目標代碼的路徑，它使得控制設計師可以專注於控制設計而非集成、通信、發布、移植、執行、調度、系統配置和資源管理等軟件設計問題。”

B. WITAS分布式UAV架構

此分布式架構使用COBRA作為基礎構建用於即插即用的軟硬件環境，並且基於一種以反應為中心（reactive concentric）的軟件控制方法。最大的設計挑戰是控制系統有多個控制模式，可由架構激活以動態調用。此設計的軟件架構包括一個慎思、反應和控制部分，因此不再是一個分層遞階結構而是一個“以反應為中心”的架構。此反應中心的架構是一個高度分布、松散耦合、並發的架構，具有很多反應控制和並發運行的服務進程。

分布式UAV WITAS架構的軟件組件(2004)

C. ARL/PSU智能控制器

此IC（智能）架構是一種基於行為（相對於基於模型）的架構，設計采用層級控制，由於從下至上的模式增加了功能復雜性。它經過改進，以滿足協作能力的要求。圖4所示IC架構包含感知和響應模塊。感知模塊通過接收傳感器的輸入數據建立一個外部真實世界的表示。響應模塊使用感知模塊建立的真實世界的認知生成一個規划，來執行特定任務。

ARL/PSU 智能控制器高層架構(2008)

D. SheLion UAV系統

Cai, G、Chen, B.和Lee, T.在《無人旋翼系統》介紹了一種行為式的架構，他們指出此架構可以普遍應用到無人機,包括機載軟件系統和地面控制站的軟件系統。飛行控制模塊使用多線程框架，用於操作導航傳感器和伺服作動器、日志記錄飛行數據、與地面站通信以及實施自動控制算法。自動控制采用基於行為的體系結構。SheLion飛行控制系統的框架如圖所示。

SheLion飛行控制軟件系統框架(2011)