前段期间导师叫我作念扑翼无东谈主机，工程上需要杀青的，大略通过程控飞起来跳蛋 露出，嗅觉难度挺大。先从说合PX4出手，经营一步步意会透总共这个词PX4的框架，机型的适配、旋翼、固定翼的姿态限制，新机型的添加等等。不知谈能不可作念成，这里先立个flag吧。

    这篇文档是我课程功课的一个讲述，包含4个方面，硬件架构分析，Linux开发环境搭建，软件架构分析，源代码分析等。由于源代码比拟雄伟，这里简要分析下飞机的返航限制(RTL)，旋翼的混控器，以及uORB的使用三个方面。

Pixhawk是一个孤苦的神志，旨在以低资本和高可用性为学术界，业余可爱界和工业界提供高端行业要领自动驾驶仪硬件。由于其浩大且丰富的硬件而广受无东谈主机可爱者的好评。Pixhawk援手APM和PX4的固件，这里咱们对原生的PX4固件作念软件架构分析。关于Pixhawk的系统架构分析我将从四方面来伸开，分别是：硬件架构先容、PX4开发环境搭建、PX4软件架构分析及追忆。这里咱们主要对软件架构伸开分析，说明架构的端倪性对PX4中的导航模块、Mixer模块和uORB模块作念分析和先容。

要津词：Pixhawk、PX4、硬件架构、软件架构、uORB

    Pixhawk是一款基于ARM芯片的32位开源飞控，由ETH的computer vision and geometry group的博士生Lorenz Meier开发。领先接纳的是分风景的设想即px4（由px4fmu和px4io两个组件构成），后合并成一个合座酿成当今的pixhawk。其硬件和软件都开源，因此养殖出许多不同的软硬件版块，领先的分销商是好意思国的3D Robotics。PIXHAWK是一款高性能自动驾驶仪，适用于固定翼，多旋翼，直升机，汽车，船只以及任何可移动的其他机器东谈主平台。它针对高端说合，业余和行业需求，并结合了PX4FMU PX4IO的功能。Pixhawk的外形如图1所示：

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图1 Pixhawk外形及接口

    Pixhawk接纳带有FPU的32位STM32F427芯片，它的接纳Cortex M4内核，主主频为168M，具有252MIPS的运算才智、256KB的RAM以及2MB的闪存，同期具有一派型号为STM32F103的故障协处理器芯片。在传感器的选用上头，它选用ST公司的MicroL3GD20H 16位陀螺仪和MicroLSM303D 14位加快度计/磁力计，选用Invensense公司MPU 6000 3轴加快度计/陀螺仪，接纳MEAS公司的MS5611气压计。同期领有相称丰富的硬件接口，它领有5个UART（串行端口），其中一个具有高功率，2个带HW流量限制，2个CAN（一个带里面3.3V收发器，一个带推广联结器）接口，Spektrum DSM / DSM2 / DSM-X卫星兼容输入接口，FutabaS.BUS兼容输入和输出接口，PPM和信号输入接口，RSSI（PWM或电压）输入接口，同期还有I2C、SPI、ADC、里面和外部microUSB接口等等。其丰富的接口不错得志任何可移动的机器东谈主平台的需要。在电力系统与保护方面，Pixhawk具有自动故障荡漾功能的逸想二极管，大略适当大功率的伺服电机（最大10V）和大电流（10A ），总共外围输出均过流保护，总共输入均受ESD保护。Pixhawk提供三个电源，它不错在电源上杀青三重冗余。三个电源分别是：电源模块输入，伺服电机输入，USB输入。它优先使用电源模块的输入，电压边界为4.8V到5.4V，其次是伺服电机的电压输入，电压边界也为4.8V到5.4V，终末采用USB的电源输入，电压边界亦然一样的。Pixhawk的道理图不错从https://raw.githubusercontent.com/PX4/Hardware/master/FMUv2/PX4FMUv2.4.5.pdf处下载。

Pixhawk的硬件架构合座框图如图2所示：

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图2 硬件框架

    由图中的内容不错看出硬件的梗概框架，STM32F427芯片算作主控器承担着一起传感器的数据读写，姿态的结算及限制，以过火他信息的处理和限制。电源系统不仅为电机电调提供电源，同期还承担着主限制器器和总共模块的电源供应。关于其它外围系统以及和主控器的通讯花样分别如下所示：能源系统由主控器的四路PWM限制，调试系统通过microUSB接口和主控器交互，文献系统通过SDIO条约和主限制器交互，数传系统通过433M模块和主控器交互，遥控系统通过SPI条约和主限制器交互，导航系统通过RTMC条约和主控器交互，定高及姿态限制系统都是通过I2C条约和主控器交互。这里比拟故障协处理器比拟道理，当飞机的主限制器跑飞或者发生其他差错导致无法对电机进行限制时，不错由协限制器感知到，进而赢得电机的限制权，将电机限制在安全的模式下，直到检测到主控器对电机的限制规复平日。协限制器不定时的读取主控器的DMA计数寄存器，当此次计数寄存器的值和上去读取到的值一致时讲解主控器莫得对电机的PWM进行更新，主限制器失去了对电机的限制，这时协限制器得知主限制器极端，出手接纳对电机的限制，直到DMA计数器更新，主限制器规复对电机的限制。

    PX4代码不错在 Mac OS，Linux 或者 Windows上进行开发，冷漠在Mac OS和Linux上进行开发，因为图像处理和高等导航在windows上扼制易开发。如果挣扎气，新的开发者应默许用Linux和刻下Ubuntu历久援手版块（Ubuntu LTS edition）。如果对Docker老到，你不错使用其中一个容器来安设开发环境。

    咱们使用Debian /Ubuntu LTS 算作Linux的要领援手版块，在这里我的Linux版块为Ubuntu 16.04。

    为了便于开发，咱们需要把用户添加到用户组”dialout”中，实践：

sudo usermod -a -G dialout $USER

    然后刊出后，重新登录，因为重新登录后所作念的转换才会有用。细心：永远不要使用sudo来竖立权限问题，不然会带来更多的权限问题，需要重装系统来治理。

    更新包列表，安设底下编译PX4的依赖包。先安设cmake，实践：

sudo add-apt-repository ppa:george-edison55/cmake-3.x -y

sudo apt-get update

    安设必备的软件，比如python、git、qtcreator等等：

# 必备软件

sudo apt-get install python-argparse git-core wget zip \

    python-empy qtcreatorcmake build-essential genromfs -y

安设一些仿真器具：

# 仿真器具

sudo add-apt-repository ppa:openjdk-r/ppa

sudo apt-get update

sudo apt-get install openjdk-8-jre

sudo apt-get install ant protobuf-compiler libeigen3-devlibopencv-dev openjdk-8-jdk openjdk-8-jre clang-3.5 lldb-3.5 -y

Ubuntu配备了一系列代理治理，这会严重侵犯任何机器东谈主联系的串口（或usb串口），卸载掉它也不会有什么影响，咱们这里把它卸载：

sudo apt-get remove modemmanager

更新包列表和安设底下的依赖包：

sudo apt-get install python-serial openocd \

    flex bison libncurses5-devautoconf texinfo build-essential \

    libftdi-dev libtoolzlib1g-dev \

    python-empy  -y

安设arm-none-eabi编译器具链，在添加arm-none-eabi器具链之前，请确保删除残余：

sudo apt-get remove gcc-arm-none-eabi gdb-arm-none-eabibinutils-arm-none-eabi gcc-arm-embedded

sudo add-apt-repository --remove ppa:team-gcc-arm-embedded/ppa

如果需要在树莓派上开发则需要安设树莓派上关于的器具链。树莓派开发者应该从底下地址下载树莓派Linux器具链。安设剧本会自动安设交叉编译器具链：

git clone https://github.com/pixhawk/rpi_toolchain.git

cd rpi_toolchain

./install_cross.sh

在器具链安设过程中需要输入密码。如果不想把器具链安设在默许位置/opt/rpi_toolchain，不错实践./install_cross.sh<PATH>向安设剧本传入其它地址。安设剧本会自动配置需要的环境变量。终末，运行以下大叫更新环境变量：

source ~/.profile

    开发环境搭建好之后，就不错出手下载代码并编译了，卡通次元PX4不错在限制台或者图形界面/IDE开发。在这里咱们对限制台的开发进行简要先容。

    先建立使命目次，然后从git落魄载代码：

mkdir -p ~/src跳蛋 露出

cd ~/src

git clone https://github.com/PX4/Firmware.git

cd Firmware

git submodule update --init --recursive

cd ..

    当今不错通过编译源代码来构建二进制文献。在班师使用硬件前，保举先进行仿真。然后就不错对代码进行编译并下载了：

cd Firmware

make px4fmu-v2_default

    细心到“make”是一个字符大叫编译器具，“px4fmu-v2”是硬件/ardupilot版块，“default”是默出嫁置，总共的PX4编译宗旨解任这个章程。通过在大叫背面添加'upload’，编译的二进制才略就分解过USB上传到飞控硬件。下载得胜后的情况如下所示：

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    天然这么编译后的代码是无法班师让飘荡器飞起来的，如果但愿下载大略让我方飞机飞起来的代码冷漠下载QGroundControl大地站软件，按照软件的教唆来采用我方的机型，改造传感器，聚合遥控器，调试参数等操作。

    PX4的软件架构将会从4方面来伸开述说，分别是：软件框架的辨别，代码文献结构，飘荡限制经过以及源代码分析。其中源代码分析将挑选具有代表性的返航限制模块，混控器以及uORB中间件来分析，这三部分分别附庸于软件框架端倪中的愚弄才略框架，库和操作系统。

    PX4的代码开源在Github上，从https://github.com/PX4/Firmware上不错下载到源代码。PX4的软件建立在Nuttx操作系统上，它的大体框架如图3所示：

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图3 软件框架

    说明PX4软件的运作，同期为了便于咱们更好的意会，它不错辨别红四个端倪：

1)    愚弄才略的API：这个接口提供给开发东谈主员，比如使用ROS(及时操作系统)或DroneAPI(DroneAPI是一个用于限制无东谈主机的Python库，不错单独的运行在机载电脑或者其他开辟上，通过串口或者无线的花样与飞控板通讯)，这一层旨在尽可能的精简、扁平及阴事其复杂性。

2)    愚弄才略框架: 这是为操作基础飘荡限制的默许才略集（节点）。比如旋翼的限制、直升机的限制、固定翼的限制等，还有位置揣度、大叫限制、导航限制等。

3)    库: 这一层包含了总共的系统库和基本交通限制的函数。比如数学库、限制库、MAV库等等。

4)    操作系统: 终末一层提供操作系统援手，比如任务的调度，硬件驱动才略，网罗，UAVCAN和故障安全系统等功能。

    分析完结合座的框架，对源代码文献结构的分析也通常遑急，源代码的目次结构如图4所示。在firmware文献夹下有许多文献夹，咱们按照图片中的限定来教练每个文献夹中代码的功能。其中cmake是编译器具；build_px4fmu-v2_default是在编译后产生中间静态文献和最毕生成的下载文献；src包含飘荡限制的主要代码；nuttx-config是nuttx的配置文献；tools文献夹下包含一些器具，比如下载器具；Nuttx里面则是Nuttx操作系统的源代码；ROMFS里面包含的是飞控板的启动代码。

    底下先容相称遑急的src文献夹里面包含的内容。systemcmds:主要扬弃了系统器具，大略通过启动文献启动或在nsh中去调用的器具。其中包括限制I2C，稽查修改参数，稽查软件版块，校准电调、稽查系统性能、bootloader升级等器具；drivers里面包含的主淌若和硬件联系的驱动代码，色哥哥78av比如stm32文献夹底下包括adc的基类、高精度定时器、伺服限制的驱动才略，device文献夹底下包含外设的基类界说，比如I2C和SPI等，boards目次下界说了这个型号的板子的接口配置以及相应配置接口（LED、PWM、USB、定时器等的配置）；examples底下包含一些肤浅的实例才略，如果有一些实验性的代码不错放到这底下；include目次和lib目次包含其他代码需要用到的头文献和库；platforms底下界说了px4平台的系统接口便捷和nuttx操作系统分离，这么便捷移植到其他平台；modules底下分了许多文献夹，这些文献夹各自是不同的模块，这便是最表层的功能模块包括commder、navigator、mc_att_control、mc_pos_control等。

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图4 文献结构

    飘荡限制的经过如图5所示。图中的左边是飞控系统的限制功能杀青，咱们从上往下，从左往右纪律分析。

1)    用户通过大地站或者遥控器发出模式切换以及摇杆操作对飘荡器进行限制，commander说明飘荡器确刻下情状对用户想要切换到的情状main_state进行判断：是否大略切换到宗旨情状，服气最终情状。stickmapper见名知意，摇杆映射，参见px4io.c、sensors.cpp文献。

2)    navigator决定飘荡器最终会如何作念飘荡模式nav_state的转机，以及对应模式下飞机的飘荡限制。

3)    位置限制索要local postion(光流 IMU)或global postion(GPS)数传奇明导航情状进行串级PID限制。外环输入位置差输出速率，内环输出推力。

4)    姿态限制接纳倾转分离的解耦合限制花样，先对皆Z轴再对皆偏航角。通常接纳串级PID的限制花样，外环输入姿态角缺点，输出姿态角速率，内环终末输出所需的力矩。

5)    mixer混控器说明机型进行力矩分派。说明叶素表面，螺旋桨旋转产生的s升力/扭矩与转速的平方以及拉力总共/扭矩总共联系。构造力矩分派矩阵。

6)    motor_driver驱动电机，限制飘荡器飘荡。

左边是位置估缱绻法的杀青，GPS服气global postion，optical flow服气local postion，二者有其一才能投入到POSCTL模式。姿态揣度是一切的基础，通过交融惯性传感器(和光流)各自优点解算出飘荡器确刻下姿态信息。

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图5飘荡限制经过

    在这里咱们将结合源代码分析3个模块的功能及杀青，分别是RLT(Return to launch返航限制)模块，mixer(混控器模块)，uORB(Micro Object Request Broker，微对象恳求代理器)音问中间件。

    RTL(return to launch，返航模式)是愚弄才略框架Navigator中的一部分。它的功能顾名念念义便是提供返航功能，复返并降落到“家”的位置。当飘荡模式切换到返航模式时，飘荡器会先爬升到返航设定的最低的高度，然后再家的上方悬停几秒(可设定)，终末降落到“家”的位置，即飘荡器升起的位置或者说是飘荡器解锁时的位置。在RTL限制中，把返航飘荡辨别红了7个部分，如图6所示。

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图6 返航飘荡的辨别

    飘荡模式相对应的限制函数存储在_navigation_mode_array的数组里面，如图7所示，比如RTL模式的限制函数存放在第3个位置，在导航函数中对如期的搜检刻下的模式，然后运行刻下模式的代码，如图8所示。当第一次运行_rtl函数时需要先调用on_activation()函数，非第一次运行_rtl函数则运行on_active函数，因为在第一次运行时需要对飞机进安全性搜检，具体不错看图9的on_activation()函数，将纪律进行如下判断：

1)    如果刻下一经着陆，不实践。

2)    如果刻下正在实践降落大叫，则班师切换到RTL_STATE_RETURN。

3)    如果高度小于最小返航高度，则爬升到设定高度，如果大于最小高度，则以刻下高度返航。

4)    其他情况班师切换到RTL_STATE_RETURN。

5)    终末实践set_rtl_item函数，为不同情状实践不同的限制。

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图7 _navigation_mode_array

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图8 导航模式的轮询

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图9 on_activation()函数

Mixer(混控器)是说明机型进行力矩分派的库，有了混控器使得PX4架构保证了中枢限制器中不需要针对机身布局作念尽头处理。混控指的是把输入指示（例如：遥控器打右转）分派到电机以及舵机的实践器（如电调或舵机PWM）指示。关于固定翼的副翼限制而言，每个副翼由一个舵机限制，那么混控的酷好酷好酷好酷好便是限制其中一个副翼抬起而另一个副翼落下。通常的，对多旋翼而言，俯仰操作需要转换总共电机的转速。将混控逻辑从本色姿态限制器等分离出来不错大大升迁复用性。Mixer简要的限制经过是这么的，一个特定的限制器（如姿态限制器）发送特定的归一化（-1.. 1）的大叫到给混杂（mixing），然后混杂后输出孤苦的PWM到实践器（电调，舵机等）.在经过输出驱动如（串口，UAVCAN，PWM）等将归一化的值再转回脾气的值（如输出1300的PWM等）。在混控器中每个机架都会有我方关于的混控文献，比如旋翼关于的混控文献是mixer_multirotor.cpp。

这里拿四旋翼的X模式来例如讲解一下，机架的轴向及力矩分派矩阵如图10所示：

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图10 机架轴向及力矩分派矩阵

    力矩分派矩阵中，每一转代表一个电机，而况和它们的编号限定交流，第1列到第三列分别代表的是Roll、Pitch和Yaw轴的输入。比如刻下需要加大Roll轴的角度，其他轴的的角度保握不变，那么2，3号的电机转速应该加多，1，4号电机的转速应该较小，对比在力矩分派矩阵上你不错看到，第2，3行的第一列是刚巧，泄露转速和Roll的欲望角度正联系，第1，4行是负值，代表和Roll的角度负联系。

    在混控器文献中，起始会得到某个通谈在对应轴向的力矩输入，比如说来自飞机姿态限制器的输入，或者是限制器的输入等，边界会限制在-1~1之间，得到输入后，混控器会把输入力矩的大小混杂映射到每个电机上，通常每个电机得到幅度为0~1边界内的输出(0代表停转，1代表满转)，终末把这个输出值缱绻出PWM的占空比，然后通过电调来调理电机的转速。混控器的限制经过分为底下几步：

1)    读取限制通谈的输入。

2)    先对Roll、Pitch的输入通谈进行缱绻，得到输出值，因为姿态调理中起始探究的是Roll和Pitch是否富厚，相关于Yaw则莫得那么遑急，然后说明缱绻得到的最大最小值判断是否满盈。满盈的酷好酷好便是说每个电机的的输出是否朝上了0~1的边界，如果朝上和0~1的边界可是最大最小值之间莫得朝上1，则不错通过平移来治理，如果幅度朝上了1，则需要通过缩放治理。

3)    服气Roll和Pitch轴不错得志输出条目后，这时加入Yaw，再次缱绻是否满盈，如果满盈妥贴调理油门来反馈Yaw。

4)    终末得到每个电机的输出，判断转换幅度是否过大，作念一个限幅。

源代码分别如图11，12，13，14所示：

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图11 得到通谈0的输入

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图12 对Roll和Pitch轴进行重迭缱绻

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图13 记载下电机收支的的最大幅度

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图14 对电机的输出进行评议或缩放操作

    uORB(Micro Object Request Broker，微对象恳求代理器)是PX4/Pixhawk系统中相称遑急且要津的一个模块，它肩负了总共这个词系统的数据传输任务，总共的传感器数据、GPS、PPM信号等都要从芯片获取后通过uORB进行传输到各个模块进行缱绻处理。本色上uORB是一套跨「进度」 的IPC通讯模块。在Pixhawk中，总共的功能被孤苦以进度模块为单元进行杀青并使命。而进度间的数据交互就由为遑急，必须要大略相宜及时、有序的脾气。

    Pixhawk使用的是NuttX及时ARM系统，uORB本色上是多个进度掀开兼并个开辟文献，进度间通过此文献节点进行数据交互和分享。进度通过定名的总线交换的音问称之为主题(topic)，在Pixhawk 中，一个主题仅包含一种音问类型，无为点便是数据类型。每个进度不错订阅或者发布主题，不错存在多个发布者，或者一个进度不错订阅多个主题，可是一条总线上永久只消一条音问，如图15所示。

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图15 uORB订阅发布默示图

    在uORB中订阅或者发布主题的经过如图16所示，起始使用orb_subscribe订阅某个主题，订阅后赢得一个句柄，对句柄启动化化，比如说启动化为检测POLLIN事件，之后使用poll函数来监视文献描述符，如果对应的本色发生，使用orb_copy来赢得对应的音问。

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图16 uORB订阅/发布数据经过

接下来对一些常用的uORB函数进行先容。

1)    int orb_subscribe(const structorb_metadata *meta)

功能：订阅主题（topic）;讲解：即使订阅的主题莫得被公告，可是也能订阅得胜；可是在这种情况下，却得不到数据，直到主题被公告；参数：    meta:uORB元对象，不错以为是主题id，一般是通过ORB_ID(主落款)来赋值；复返值：    差错则复返ERROR;得胜则复返一个不错读取数据、更新话题的句柄；如果待订阅的主题莫得界说或声明则会复返-1，然后会将errno赋值为ENOENT;eg:int fd =orb_subscribe(ORB_ID(topicName));

2)    int poll(struct pollfd fds[]，nfds_t nfds， int timeout)

功能：监控文献描述符（多个）；讲解：timemout=0，poll()函数立即复返而不防碍；timeout=INFTIM(-1)，poll()会一直防碍下去，直到检测到return > 0；参数：    fds:struct pollfd结构类型的数组；    nfds:用于符号数组fds中的结构体元素的总额量；    timeout:是poll函数调用防碍的期间，单元：毫秒；复返值：    >0：数组fds中准备好读、写或出错情状的那些socket描述符的总额量；    ==0:poll()函数会防碍timeout所指定的毫秒期间长度之后复返;-1:poll函数调用失败；同期会自动建设全局变量errno；

3) intorb_copy(const struct orb_metadata *meta， int handle， void *buffer)

功能：从订阅的主题中获取数据并将数据保存到buffer中；参数：    meta:uORB元对象，不错以为是主题id，一般是通过ORB_ID(主落款)来赋值;    handle:订阅主题复返的句柄；    buffer:从主题中获取的数据；复返值：    复返OK泄露获取数据得胜，差错复返ERROR;不然则有说明的去建设errno;eg:    struct sensor_combined_s raw;orb_copy(ORB_ID(sensor_combined)，sensor_sub_fd， &raw);

4)orb_advert_t orb_advertise(const struct orb_metadata *meta， const void *data)

功能：公密告布者的主题；讲解：在发布主题之前是必须的；不然订阅者诚然能订阅，可是得不到数据；参数：    meta:uORB元对象，不错以为是主题id，一般是通过ORB_ID(主落款)来赋值;    data:指向一个已被启动化，发布者要发布的数据存储变量的指针；复返值：差错则复返ERROR;得胜则复返一个不错发布主题的句柄；如果待发布的主题莫得界说或声明则会复返-1，然后会将errno赋值为ENOENT;eg:    struct vehicle_attitude_s att;    memset(&att， 0， sizeof(att));intatt_pub_fd = orb_advertise(ORB_ID(vehicle_attitude)， &att);

5)    int orb_publish(const structorb_metadata *meta， orb_advert_t handle， const void *data)

功能：发布新数据到主题；参数：    meta:uORB元对象，不错以为是主题id，一般是通过ORB_ID(主落款)来赋值;    handle:orb_advertise函数复返的句柄；    data:指向待发布数据的指针；复返值：OK泄露得胜；差错复返ERROR；不然则有说明的去建设errno;eg:    orb_publish(ORB_ID(vehicle_attitude)，att_pub_fd， &att);

Pixhawk硬件的功能一经大略得志绝大部分飘荡器的硬件需求了，同期由于硬件开源的脾气，信赖以后的硬件功能也会越来越浩大。PX4软件代码建立在Nuttx操作系统上跳蛋 露出，富厚性不错得到很大的保险，其使用的uORB音问中间件技能也大大的简化了开发，同期PX4模块化的编程念念想也为开发东谈主员的阅读和二次开发提供了很大的便利。