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ArduPilot开源代码之FMU+IOMCU设计

创作时间:

作者:

@小白创作中心

ArduPilot开源代码之FMU+IOMCU设计

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/lida2003/article/details/141154457

ArduPilot开源代码之FMU+IOMCU设计

早期、高档的飞控常以FMU+IOMCU的方式存在，典型的就是Pixhawk系列，如下图所示：

使用**FMU（Flight Management Unit）+ IOMCU（Input/Output Microcontroller Unit）**方式设计飞控（飞行控制系统）有以下几个主要原因：

分离核心功能：

FMU负责飞行控制算法、姿态计算、导航等高层次的任务。
IOMCU处理输入/输出任务，如接收来自遥控器的信号，驱动电机和舵机，确保与传感器及外围设备的实时通信。

提高系统的可靠性和安全性：

分离功能可以降低系统故障时的影响范围。例如，即使 IOMCU 出现问题，FMU 仍可以继续进行飞行控制，反之亦然。
这种分层结构可以更好地隔离故障，增强系统的健壮性和安全性。

扩展性和灵活性：

采用 FMU+IOMCU 结构，可以更容易地添加新功能或升级现有功能，而无需完全更换整个系统。
开发者可以根据不同应用需求，选择不同的 FMU 或 IOMCU 组件来满足特定要求。

减少开发复杂性：

通过将任务分配给不同的微控制器，可以简化每个组件的设计和开发。FMU 专注于算法和计算，IOMCU 处理具体的输入输出，降低了开发的复杂度。

提高性能：

FMU 和 IOMCU 可同时处理各自任务，提高整个系统的运行效率和响应速度。这在需要实时处理大量数据的场景中尤为重要，如无人机飞行中的姿态调整和环境感知。

标准化和模块化：

这种结构有助于标准化飞控系统的设计，促进组件的模块化和互换性，使得不同厂商的组件能够更好地协同工作，推动整个行业的发展。

总的来说，FMU+IOMCU 方式的设计能够提高飞控系统的可靠性、灵活性和性能，同时降低开发复杂性，适用于多种飞行器应用场景。

FMU & IOMCU特点

FMU（Flight Management Unit）和IOMCU（Input/Output Microcontroller Unit）是无人机或其他飞行器的自动驾驶仪系统中常见的两个重要组件。它们各自承担不同的任务并协同工作，以实现飞行控制和数据处理功能。以下是它们的主要功能和差异：

3.1 FMU（Flight Management Unit）的主要功能

飞行控制算法：FMU负责运行主要的飞行控制算法，包括姿态控制、导航和路径规划等。这些算法通过处理传感器数据来调整飞行器的行为。
数据处理：FMU处理来自各种传感器的数据，如IMU（惯性测量单元）、GPS、气压计等，以确定飞行器的状态和位置。
系统监控和故障处理：FMU监控整个系统的健康状态，并在检测到故障时采取适当的措施来确保安全。
任务管理：FMU负责管理飞行任务，包括起飞、巡航、降落以及紧急情况处理。

3.2 IOMCU（Input/Output Microcontroller Unit）的主要功能

信号输入/输出管理：IOMCU主要负责管理各种输入和输出信号，包括控制信号的接收和执行，如舵机、传感器信号处理等。
硬件抽象层：IOMCU提供一个硬件抽象层，使得FMU可以通过标准化的接口与不同的传感器和执行器进行通信。
任务执行：IOMCU执行FMU下达的具体任务指令，如控制电机的转速、调整舵面等。
实时控制：由于IOMCU通常直接与物理硬件交互，因此它需要具备实时响应能力，以确保控制信号的及时处理和传递。

3.3 主要差异

功能层次：FMU主要处理高层次的飞行控制和数据处理，而IOMCU则负责低层次的信号处理和任务执行。
处理能力：FMU通常配备更强大的处理器，以运行复杂的飞行算法和数据分析。IOMCU则侧重于高效的实时信号处理。
冗余和可靠性：在某些系统中，FMU和IOMCU可能具有冗余设计，以提高系统的可靠性。FMU通常负责检测和应对故障，而IOMCU则确保关键任务在硬件层面被执行。

总的来说，FMU和IOMCU协同工作，共同完成飞行器的自动化控制和导航任务。FMU负责高层策略和决策，而IOMCU则执行具体的操作指令和实时控制任务。

主/辅助(MAIN/AUX) PWM输出

关于主输出和辅助输出在飞控系统配置方面，为了便于兼容FMU only和FMU+IOMCU两种硬件架构，在配置PWM编号时，规则如下：

主输出（PWM1-PWM8）：
这些是默认的输出，通常保留用于多旋翼或固定翼应用中的主要电机控制。这种配置与历史上的IOMCU（输入/输出微控制器单元）兼容性一致，确保核心飞行控制功能在不同硬件之间保持稳定和一致。
辅助输出（PWM9及以上）：
辅助输出用于额外功能，如相机触发器、起落架、舵机和其他非关键组件。使用PWM9及以上可以扩展控制能力，而不会干扰主电机输出。
FMU PWM端口编号：
尽管在使用上有所区分，FMU中的PWM端口编号通常仍从PWM1开始，以保持配置和编程的一致性和简化性。这使用户能够轻松地将所需的功能映射到正确的输出，而无需重新定义PWM分配的起点。

注：另外要注意一点就是，AUX端口是可以用于GPIO配置，而MAIN端口仅支持PWM配置。

软件实现

在上述硬件架构设计下，开发者和用户可以保持清晰有序的方法来配置他们的飞行控制系统，确保正确管理和控制主和辅助功能。

处理这种默认MAIN 8 ports设计时，通过IOMCU代码上的兼容性设计，其采用了配置+hard coded代码方式完成。

5.1 PWM编号规范

在 RCOutput::write 中过滤MAIN(IOMCU) outputs，映射AUX(FMU) outputs到PWM9及以上编号：

if (chan < chan_offset) {
    return;
}
if (safety_state == AP_HAL::Util::SAFETY_DISARMED && !(safety_mask & (1U<<chan))) {
    // implement safety pwm value
    period_us = 0;
}
chan -= chan_offset;

在 RCOutput::init 中初始化8个默认PWM端口：

#if HAL_WITH_IO_MCU
    if (AP_BoardConfig::io_enabled()) {
        // with IOMCU the local (FMU) channels start at 8
        chan_offset = 8;
        iomcu_enabled = true;
    }
    if (AP_BoardConfig::io_dshot()) {
        iomcu_dshot = true;
    }
#endif

5.2 FMU定义 IOMCU_UART 通信端口

IOMCU_UART USART6

if 'IOMCU_UART' in self.config:
    if 'io_firmware.bin' not in self.romfs:
        self.error("Need io_firmware.bin in ROMFS for IOMCU")
    self.write_defaulting_define(f, 'HAL_WITH_IO_MCU', 1)
    f.write('#define HAL_UART_IOMCU_IDX %u\n' % len(serial_list))
    f.write(
        '#define HAL_UART_IO_DRIVER ChibiOS::UARTDriver uart_io(HAL_UART_IOMCU_IDX)\n'
    )
    serial_list.append(self.config['IOMCU_UART'][0])
    f.write('#define HAL_HAVE_SERVO_VOLTAGE 1\n') # make the assumption that IO gurantees servo monitoring
    # all IOMCU capable boards have SBUS out
    f.write('#define AP_FEATURE_SBUS_OUT 1\n')
else:
    f.write('#define HAL_WITH_IO_MCU 0\n')
f.write('\n')

5.3 FMU提供IOMCU固件

ROMFS io_firmware.bin Tools/IO_Firmware/iofirmware_f103_lowpolh.bin
# enable support for dshot on iomcu
ROMFS io_firmware_dshot.bin Tools/IO_Firmware/iofirmware_f103_dshot_lowpolh.bin
define HAL_WITH_IO_MCU_BIDIR_DSHOT 1

注：其中有两个宏定义需要根据情况考虑：HAL_WITH_IO_MCU_DSHOT 和 HAL_WITH_IO_MCU_BIDIR_DSHOT。