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== PX4自动驾驶系统 ==
'''PX4'''是一款高性能、开源的全自主无人机飞行控制软件（固件），专为无人机及其他自主车辆系统设计。它提供了一套完整的自动驾驶解决方案，是全球无人机领域应用最广泛的飞控系统之一[5](@ref)。

=== 起源与历史 ===
PX4 的故事始于**2008年**瑞士**苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）** 计算机视觉与几何实验室（CVG Lab）的一个研究课题[5](@ref)。
*   '''2009年'''：团队以 **“Pixhawk”** 为名，赢得了欧洲微型飞行器竞赛的室内自主飞行类别项目，随后开源了代码。
*   '''2011年'''：软件经历第四次重写，达到预期目标，由此命名为 **PX4**（“P”代表Pixhawk硬件，“X”代表跨平台，“4”象征第四代飞控系统）。硬件也同步迭代。
*   '''2013年'''：PX4 的第一个稳定发布版面世。全名为 Flight Management Unit version 2 (FMUv2) 的硬件被正式命名为 '''Pixhawk''' 发布。
*   '''2014年'''：'''Dronecode 基金会'''成立，旨在使所有开源无人机项目保持独立，吸引优秀开发者，建立可持续发展的生态[5](@ref)。

=== 核心特点 ===
PX4的主要特点包括：
*   '''开源性'''：代码公开，允许审查、修改和自定义，社区驱动发展[5](@ref)。
*   '''模块化设计'''：不同的功能（如状态估计、控制、导航）作为独立模块运行，通过消息总线（uORB）通信，便于开发和维护[3,5](@ref)。
*   '''实时性能'''：基于NuttX等实时操作系统（RTOS）确保稳定和确定性的性能，满足无人机的严格时序要求[3,5](@ref)。
*   '''跨平台支持'''：可在多种硬件平台上运行，如Pixhawk系列飞控板及基于Linux的计算平台[5](@ref)。
*   '''广泛的机型支持'''：支持多旋翼、固定翼、垂直起降（VTOL）、无人车（Rover）、无人船（Boat）等多种运载器类型[5](@ref)。

=== 系统架构 ===
PX4采用分层和模块化设计，其核心架构主要包含以下部分[3,5](@ref)：
{| class="wikitable"
|-
! 架构层级
! 功能描述
|-
| '''飞行控制栈 (Flight Stack)'''
| 包含状态估计、导航和控制算法，是飞控的核心智能部分。主要包括估计器(Estimator)、控制器(Controller)和混控器(Mixer)。
|-
| '''中间件 (Middleware)'''
| 提供内部模块间通信（如基于发布-订阅模型的uORB）和外部通信（如MAVLink协议）的核心服务。抽象底层硬件细节，为上层应用提供统一接口。
|-
| '''操作系统与硬件抽象层 (OS & HAL)'''
| PX4通常运行在NuttX实时操作系统（RTOS）上，以满足严格的时序要求。硬件抽象层（HAL）则屏蔽了不同硬件的差异。
|}

=== 核心功能 ===
PX4的功能非常丰富，其核心特性包括[5](@ref)：
*   '''多种飞行模式'''：从完全手动的“自稳模式”到全自主的“任务模式”，满足不同级别的控制需求。
*   '''先进的状态估计'''：通过'''扩展卡尔曼滤波 (EKF)''' 等算法，融合多传感器（IMU、GPS、磁罗盘、气压计等）数据，提供稳定可靠的位置和姿态估计。
*   '''任务规划与自主飞行'''：可通过地面站软件（如QGroundControl）规划复杂的飞行航点任务，并自动执行。
*   '''安全机制'''：具备完善的故障保护功能，如在信号丢失、电池电量过低等情况下的自动返航或降落。
*   '''硬件支持与兼容性'''：PX4 最初专为 Pixhawk 系列飞控硬件设计和优化，但它也具有高度的可移植性，可以运行在其他多种兼容的飞行控制硬件上。

=== 软件开发与生态 ===
PX4拥有强大的开源生态系统和活跃的全球社区[5](@ref)。
*   '''开发环境'''：推荐使用Visual Studio Code (VS Code)进行开发。
*   '''地面站软件'''：QGroundControl是官方的地面站软件，用于固件烧录、参数调整、飞行监控和任务规划。
*   '''仿真工具'''：支持软件在环（SITL）和硬件在环（HITL）仿真，便利开发和测试。
*   '''社区支持'''：由Dronecode基金会支持，吸引了众多商业公司和科研机构的参与。丰富的在线文档、教程、论坛讨论和开源代码，使得开发者可以快速上手、二次开发并贡献自己的力量[5](@ref)。

=== 目录结构解析 ===
PX4源码采用模块化设计，其主要文件夹功能如下[1,2,4](@ref)：
{| class="wikitable"
|-
! 文件夹路径
! 功能描述
|-
| <code>boards/</code>
| 硬件平台配置，包含Pixhawk系列等飞控板的启动脚本和内存映射定义。
|-
| <code>src/drivers/</code>
| 外设驱动实现，包含IMU、GPS、PWM输出等硬件抽象层接口。
|-
| <code>src/modules/</code>
| 飞行控制核心模块，如姿态估计、导航算法等。
|-
| <code>msg/</code>
| uORB消息定义文件(.msg)，用于生成通信数据结构。
|-
| <code>ROMFS/</code>
| 嵌入式文件系统，包含启动配置脚本和参数默认值。
|-
| <code>cmake/</code>
| CMake构建配置，定义平台相关的编译规则。
|-
| <code>platforms/</code>
| 操作系统抽象层，包含NuttX/Linux等RTOS的接口适配。
|}
*   <code>src/lib/</code> 包含公共算法函数与数学工具函数，如EKF（扩展卡尔曼滤波）、矩阵计算、控制算法库等[1](@ref)。
*   <code>mavlink/</code> 包含MAVLink协议相关头文件，用于飞控与地面站等的通信[4](@ref)。

=== 应用领域 ===
PX4被广泛应用于[5](@ref)：
*   航拍与测绘
*   农业植保
*   环境监测
*   搜索与救援
*   科研教育
*   物流运输

=== 参考资料 ===
*   [https://px4.io/ PX4官网]
*   [https://docs.px4.io/main/en/ PX4用户指南]
*   [https://qgroundcontrol.com/ QGroundControl官网]
*   知乎文章：《开源飞控PX4的起源与发展》[https://zhuanlan.zhihu.com/p/73405858]