APM_Sub源码解析学习（三）——车辆类型

一、前言
二、class AP_HAL::HAL
三、class AP_Vehicle
- 3.1 .h
- 3.2 .cpp
四、class Sub
- 4.1 .h
- 4.2 .cpp
五、总结

一、前言

本文就主要来讲一讲APM里面的车辆类型好了，当然是以Sub作为主要对象，不过前面的继承关系和基类基本都是一致的，也可以作为参考。

Sub类定义在 Sub.h 文件内部，其向上继承自 AP_Vechile 类，这是所有无人机车辆类型（Copter、Rover…）的父类。同样，AP_Vechile向上也有相应的继承关系，具体来说，用下面这种方式表达：

AP_HAL::HAL::Callbacks
|---- AP_Vechile
|---- Sub

因此，为了能对Sub类的车辆类型进行深入了解，我们还是得回到最源头讲起。

二、class AP_HAL::HAL

该类定义于 libraries/AP_HAL/HAL.h 路径下，命名空间为AP_HAL（具体查看 AP_HAL_Namespace.h），该类内部由各种最基础的底层外设抽象组合而成，构成了一个HAL抽象基类组件的集合。

class AP_HAL::HAL {public:HAL(AP_HAL::UARTDriver* _uartA, // console       //各基本外设抽象基类AP_HAL::UARTDriver* _uartB, // 1st GPSAP_HAL::UARTDriver* _uartC, // telem1AP_HAL::UARTDriver* _uartD, // telem2AP_HAL::UARTDriver* _uartE, // 2nd GPSAP_HAL::UARTDriver* _uartF, // extra1AP_HAL::UARTDriver* _uartG, // extra2AP_HAL::UARTDriver* _uartH, // extra3AP_HAL::I2CDeviceManager* _i2c_mgr,AP_HAL::SPIDeviceManager* _spi,AP_HAL::AnalogIn*   _analogin,AP_HAL::Storage*    _storage,AP_HAL::UARTDriver* _console,AP_HAL::GPIO*       _gpio,AP_HAL::RCInput*    _rcin,AP_HAL::RCOutput*   _rcout,AP_HAL::Scheduler*  _scheduler,AP_HAL::Util*       _util,AP_HAL::OpticalFlow*_opticalflow,AP_HAL::Flash*      _flash,AP_HAL::DSP*        _dsp,
#if HAL_NUM_CAN_IFACES > 0                           //CAN设备管理AP_HAL::CANIface* _can_ifaces[HAL_NUM_CAN_IFACES])
#elseAP_HAL::CANIface** _can_ifaces)
#endif:uartA(_uartA),                               //初始化列表，基类指向子类uartB(_uartB),uartC(_uartC),uartD(_uartD),uartE(_uartE),uartF(_uartF),uartG(_uartG),uartH(_uartH),i2c_mgr(_i2c_mgr),spi(_spi),analogin(_analogin),storage(_storage),console(_console),gpio(_gpio),rcin(_rcin),rcout(_rcout),scheduler(_scheduler),util(_util),opticalflow(_opticalflow),flash(_flash),dsp(_dsp){#if HAL_NUM_CAN_IFACES > 0                       //CAN管理if (_can_ifaces == nullptr) {for (uint8_t i = 0; i < HAL_NUM_CAN_IFACES; i++)can[i] = nullptr;} else {for (uint8_t i = 0; i < HAL_NUM_CAN_IFACES; i++)can[i] = _can_ifaces[i];}
#endifAP_HAL::init();}struct Callbacks {                    //基础抽象类组件，内部纯虚函数等待子类重写virtual void setup() = 0;virtual void loop() = 0;};struct FunCallbacks : public Callbacks {      //派生自Callbacks组件FunCallbacks(void (*setup_fun)(void), void (*loop_fun)(void));void setup() override { _setup(); }void loop() override { _loop(); }private:void (*_setup)(void);void (*_loop)(void);};//run接口方法virtual void run(int argc, char * const argv[], Callbacks* callbacks) const = 0;//抽象类基础成员组件AP_HAL::UARTDriver* uartA;AP_HAL::UARTDriver* uartB;AP_HAL::UARTDriver* uartC;AP_HAL::UARTDriver* uartD;AP_HAL::UARTDriver* uartE;AP_HAL::UARTDriver* uartF;AP_HAL::UARTDriver* uartG;AP_HAL::UARTDriver* uartH;AP_HAL::I2CDeviceManager* i2c_mgr;AP_HAL::SPIDeviceManager* spi;AP_HAL::AnalogIn*   analogin;AP_HAL::Storage*    storage;AP_HAL::UARTDriver* console;AP_HAL::GPIO*       gpio;AP_HAL::RCInput*    rcin;AP_HAL::RCOutput*   rcout;AP_HAL::Scheduler*  scheduler;AP_HAL::Util        *util;AP_HAL::OpticalFlow *opticalflow;AP_HAL::Flash       *flash;AP_HAL::DSP         *dsp;
#if HAL_NUM_CAN_IFACES > 0AP_HAL::CANIface* can[HAL_NUM_CAN_IFACES];
#elseAP_HAL::CANIface** can;
#endif
};

参考：Ardupilot之cpu外设基础抽象聚合类 HAL.h

三、class AP_Vehicle

3.1 .h

该类定义于 libraries/AP_Vehicle/AP_Vehicle.h，派生自AP_HAL::HAL::Callbacks接口类，因此拥有 setup() 和 loop() 两种行为。该类的主要目的就是作为各种具体车辆类型的基类，提供最基本的功能，并在具象化特定车辆时提供相应的接口。

代码有点长，一些必要的地方已经备注，请大家耐心看完

class AP_Vehicle : public AP_HAL::HAL::Callbacks {public:// 构造方法以确保单例AP_Vehicle() {if (_singleton) {AP_HAL::panic("Too many Vehicles");}AP_Param::setup_object_defaults(this, var_info);_singleton = this;}// 禁止拷贝构造方法防止递归引用AP_Vehicle(const AP_Vehicle &other) = delete;AP_Vehicle &operator=(const AP_Vehicle&) = delete;static AP_Vehicle *get_singleton();// 注意此处同时使用了override和final关键字// 表示函数可以覆盖来自基类AP_HAL::HAL::Callbacks的函数，但是禁止在派生类中重写该方法// 但是可以在init_ardupilot中进行特定于子类的初始化，此初始化是从setup()调用// setup（）在车辆启动期间被调用一次，以初始化车辆对象及其包含的对象// AP_HAL_MAIN_CALLBACKS编译指示创建一个main(...)函数，该函数引用包含setup()和loop()函数的对象void setup(void) override final;void loop() override final;// 纯虚函数提供接口，希望子类重写set_mode()和get_mode()方法bool virtual set_mode(const uint8_t new_mode, const ModeReason reason) = 0;uint8_t virtual get_mode() const = 0;/*固定翼飞行的通用参数*/struct FixedWing {AP_Int8 throttle_min;               // 油门上下限AP_Int8 throttle_max;   AP_Int8 throttle_slewrate;          // 油门转换率AP_Int8 throttle_cruise;            // 巡航油门AP_Int8 takeoff_throttle_max;        // 起飞最大油门AP_Int16 airspeed_min;AP_Int16 airspeed_max;AP_Int32 airspeed_cruise_cm;AP_Int32 min_gndspeed_cm;AP_Int8  crash_detection_enable;  // 坠机检测AP_Int16 roll_limit_cd;              // roll和pitch上下限AP_Int16 pitch_limit_max_cd;AP_Int16 pitch_limit_min_cd;        AP_Int8  autotune_level;            // 自动调制级别AP_Int8  stall_prevention;         // 防失速AP_Int16 loiter_radius;               // 游荡半径struct Rangefinder_State {           // 测距仪参数配置bool in_range:1;bool have_initial_reading:1;bool in_use:1;float initial_range;float correction;float initial_correction;float last_stable_correction;uint32_t last_correction_time_ms;uint8_t in_range_count;float height_estimate;float last_distance;};// 飞行状态enum FlightStage {FLIGHT_TAKEOFF       = 1,      // 起飞FLIGHT_VTOL          = 2,     // 垂直起降FLIGHT_NORMAL        = 3,       // 正常飞行FLIGHT_LAND          = 4,       // 着陆FLIGHT_ABORT_LAND    = 7      // 终止着陆};};/*多旋翼通用参数*/struct MultiCopter {AP_Int16 angle_max;                   // 最大角度};//获取任务列表及任务数void get_common_scheduler_tasks(const AP_Scheduler::Task*& tasks, uint8_t& num_tasks);// implementations *MUST* fill in all passed-in fields or we get// Valgrind errorsvirtual void get_scheduler_tasks(const AP_Scheduler::Task *&tasks, uint8_t &task_count, uint32_t &log_bit) = 0;/*设置是否处于飞行标志，无法保证准确度，但是是对于无人机是否处于飞行状态的最佳估计*/void set_likely_flying(bool b) {if (b && !likely_flying) {_last_flying_ms = AP_HAL::millis();}likely_flying = b;}/*获取飞行状态，返回值为true则表明处于飞行中，无法保证准确性*/bool get_likely_flying(void) const {return likely_flying;}/*返回以ms为单位的时间，开始时间为likely_flying被设置为true如果likely_flying为false，则返回0*/uint32_t get_time_flying_ms(void) const {if (!likely_flying) {return 0;}return AP_HAL::millis() - _last_flying_ms;}// 如果车辆发生碰撞，返回truevirtual bool is_crashed() const;/*通过脚本控制车辆使用的函数*/virtual bool start_takeoff(float alt) { return false; }virtual bool set_target_location(const Location& target_loc) { return false; }virtual bool set_target_velocity_NED(const Vector3f& vel_ned) { return false; }virtual bool set_target_angle_and_climbrate(float roll_deg, float pitch_deg, float yaw_deg, float climb_rate_ms, bool use_yaw_rate, float yaw_rate_degs) { return false; }// 获取目标位置（供脚本使用）virtual bool get_target_location(Location& target_loc) { return false; }// 设置转向和油门（-1到+1）（供Rover脚本使用）virtual bool set_steering_and_throttle(float steering, float throttle) { return false; }// 控制输出量的枚举类型enum class ControlOutput {Roll = 1,Pitch = 2,Throttle = 3,Yaw = 4,Lateral = 5,MainSail = 6,WingSail = 7,Walking_Height = 8,Last_ControlOutput  // place new values before this};// 获取控制输出（用于脚本）// 成功返回true，并且control_value设置为-1到+1范围内的值virtual bool get_control_output(AP_Vehicle::ControlOutput control_output, float &control_value) { return false; }// 输出谐波陷波日志消息void write_notch_log_messages() const;// 更新谐波陷波virtual void update_dynamic_notch() {};protected:virtual void init_ardupilot() = 0;virtual void load_parameters() = 0;virtual void set_control_channels() {}// 板级特定配置AP_BoardConfig BoardConfig;#if HAL_MAX_CAN_PROTOCOL_DRIVERS// 对于CAN总线的配置AP_CANManager can_mgr;
#endif// 主循环调度器AP_Scheduler scheduler{FUNCTOR_BIND_MEMBER(&AP_Vehicle::fast_loop, void)};virtual void fast_loop();// IMU 变量// 积分时间; 最后一次循环运行的时间float G_Dt;// 传感器定义AP_GPS gps;AP_Baro barometer;Compass compass;AP_InertialSensor ins;AP_Button button;RangeFinder rangefinder;AP_RSSI rssi;
#if HAL_RUNCAM_ENABLEDAP_RunCam runcam;
#endif
#if HAL_GYROFFT_ENABLEDAP_GyroFFT gyro_fft;
#endifAP_VideoTX vtx;AP_SerialManager serial_manager;AP_Relay relay;AP_ServoRelayEvents ServoRelayEvents;// LED，蜂鸣器等的通知对象（参数设置为false将禁用外部LED）AP_Notify notify;// 扩展卡尔曼滤波的惯性导航
#if AP_AHRS_NAVEKF_AVAILABLEAP_AHRS_NavEKF ahrs;
#elseAP_AHRS_DCM ahrs;
#endif#if HAL_HOTT_TELEM_ENABLEDAP_Hott_Telem hott_telem;
#endif#if HAL_VISUALODOM_ENABLEDAP_VisualOdom visual_odom;
#endifAP_ESC_Telem esc_telem;#if HAL_MSP_ENABLEDAP_MSP msp;
#endif#if GENERATOR_ENABLEDAP_Generator_RichenPower generator;
#endifstatic const struct AP_Param::GroupInfo var_info[];static const struct AP_Scheduler::Task scheduler_tasks[];private:// delay() 回调处理MAVLink数据包static void scheduler_delay_callback();// 如果有看门狗重置，请通过statustext通知void send_watchdog_reset_statustext();bool likely_flying;         // 车辆被判断为可能处于飞行的状态时将会被设置为trueuint32_t _last_flying_ms;   // 上一次likely_flying被设置为true的时间static AP_Vehicle *_singleton;
};

需要注意的是在公有部分内部声明的两个函数setup()和loop()。之前查了很多博客，包括截至写博客期间的官方手册，讲述的都是以前的版本。以前版本的APM源码在对应的具体车辆类型中（如Copter等）是在主文件中（如Copter.cpp）中通过setup()完成初始化，loop()完成主循环。现在的话主循环完成在fast_loop()里面。具体内容我打算另写一篇博文细讲一下，这边就先点到为止。

    // 注意此处同时使用了override和final关键字// 表示函数可以覆盖来自基类AP_HAL::HAL::Callbacks的函数，但是禁止在派生类中重写该方法// 但是可以在init_ardupilot中进行特定于子类的初始化，此初始化是从setup()调用// setup（）在车辆启动期间被调用一次，以初始化车辆对象及其包含的对象// AP_HAL_MAIN_CALLBACKS编译指示创建一个main(...)函数，该函数引用包含setup()和loop()函数的对象void setup(void) override final;void loop() override final;

此外在protected部分，需要注意的是init_ardupilot()和fast_loop()两个方法。

virtual void init_ardupilot() = 0;
...
virtual void fast_loop();

3.2 .cpp

在对应的AP_Vechile.cpp文件中实现了setup()，loop()和fast_loop()函数。

/*setup is called when the sketch starts*/
void AP_Vehicle::setup()
{// 加载变量表var_info[]中变量的默认值AP_Param::setup_sketch_defaults();// 初始化串口serial_manager.init_console();hal.console->printf("\n\nInit %s""\n\nFree RAM: %u\n",AP::fwversion().fw_string,(unsigned)hal.util->available_memory());load_parameters();// 初始化主循环任务const AP_Scheduler::Task *tasks;uint8_t task_count;uint32_t log_bit;get_scheduler_tasks(tasks, task_count, log_bit);AP::scheduler().init(tasks, task_count, log_bit);// 每个循环的时间-根据实际的循环速率在main loop（）中进行更新G_Dt = scheduler.get_loop_period_s();// this is here for Plane; its failsafe_check method requires the// RC channels to be set as early as possible for maximum// survivability.set_control_channels();// 在启动过程中尽早初始化串行管理器以获取诊断输出。 我们必须首先初始化GCS单例，因为它设置了可能在早期使用的全局mavlink系统ID。gcs().init();// 初始化串口设备serial_manager.init();gcs().setup_console();// 注册scheduler_delay_cb，它将在您对hal.scheduler-> delay的调用中剩余超过5毫秒的任何时间运行hal.scheduler->register_delay_callback(scheduler_delay_callback, 5);#if HAL_MSP_ENABLED// 在init_ardupilot之前调用MSP init以允许MSP传感器msp.init();
#endif// 这部分函数是车辆完成大部分初始化的地方init_ardupilot();// gyro FFT 需要在较晚的时间完成初始化
#if HAL_GYROFFT_ENABLEDgyro_fft.init(AP::scheduler().get_loop_period_us());
#endif
#if HAL_RUNCAM_ENABLEDruncam.init();
#endif
#if HAL_HOTT_TELEM_ENABLEDhott_telem.init();
#endif
#if HAL_VISUALODOM_ENABLED// 用于视觉位置估计的初始化库visual_odom.init();
#endifvtx.init();#if AP_PARAM_KEY_DUMPAP_Param::show_all(hal.console, true);
#endif
}

void AP_Vehicle::loop()
{scheduler.loop();G_Dt = scheduler.get_loop_period_s();
}

/*所有车辆的快速循环回调。 这将在任何特定于车辆的快速循环结束时调用。*/
void AP_Vehicle::fast_loop()
{#if HAL_GYROFFT_ENABLEDgyro_fft.sample_gyros();
#endif
}

总结：

在setup()里面完成了如串口和参数表等部分设备的初始化内容，但是具体的车辆设备初始化需要在init_ardupilot()中完成。
loop()函数较短，内部实现的是对任务循环并且获取任务单词循环时的时间（以s为单位）。
fast_loop()见注释。

四、class Sub

4.1 .h

内容实在是有点多，为了排版和阅读方便，这边就不全部放上来了，挑一些重点说一下。

public:friend class GCS_MAVLINK_Sub;friend class GCS_Sub;friend class Parameters;friend class ParametersG2;friend class AP_Arming_Sub;friend class RC_Channels_Sub;Sub(void);

首先是公有部分，内部声明了6个友元类，这些类中的成员函数能够访问Sub类中的私有成员。构造函数Sub()在Sub.cpp文件中实现。

    // primary input control channelsRC_Channel *channel_roll;RC_Channel *channel_pitch;RC_Channel *channel_throttle;RC_Channel *channel_yaw;RC_Channel *channel_forward;RC_Channel *channel_lateral;

这部分上一篇博客已经提过了，但是这边还是想说一下，此处表示的是Sub的主要输入控制通道，一个通道可能会对应多个电机（具体关系请看我上一篇博文）。

    // 失效保护struct {uint32_t last_leak_warn_ms;      // 上次向gcs发送泄漏警告的时间uint32_t last_gcs_warn_ms;uint32_t last_heartbeat_ms;      // 从GCS到达最后一个HEARTBEAT消息的时间-用于触发gcs故障保护的时间uint32_t last_pilot_input_ms; // 上次我们以MANUAL_CONTROL或RC_CHANNELS_OVERRIDE消息的形式收到飞行员输入时间uint32_t terrain_first_failure_ms;  // 第一次地形数据访问失败-用于计算失败的持续时间uint32_t terrain_last_failure_ms;   // 最近一次地形数据访问失败uint32_t last_crash_warn_ms; // 上次向gcs发送崩溃警告uint32_t last_ekf_warn_ms; // 上一次向gcs发送ekf警告uint8_t pilot_input          : 1; // 如果先导输入故障保护处于活动状态，则为true，处理在操作过程中断开操纵杆之类的事情uint8_t gcs                  : 1; // 地面站故障保护的状态标志uint8_t ekf                  : 1; // 如果发生ekf故障安全，则为trueuint8_t terrain              : 1; // 如果发生了丢失的地形数据故障保险，则为trueuint8_t leak                 : 1; // 如果最近检测到泄漏，则为trueuint8_t internal_pressure    : 1; // 如果内部压力超过阈值，则为trueuint8_t internal_temperature : 1; // 如果温度超过阈值，则为trueuint8_t crash                : 1; // 如果坠毁则为真uint8_t sensor_health        : 1; // 如果至少一个传感器已触发故障保护（当前仅用于启用深度的深度模式），则为true} failsafe;

失效保护部分，failsafe结构体内部主要分为两部分，包括最新一次故障时间的记录以及故障标志位更新。

    // sensor health for loggingstruct {uint8_t baro        : 1;    // true if any single baro is healthyuint8_t depth       : 1;    // true if depth sensor is healthyuint8_t compass     : 1;    // true if compass is healthy} sensor_health;

传感器健康状态监测

AP_Motors6DOF motors;    //电机库定义

剩下的一些都是零散的传感器、飞行模式、控制模式等的参数变量的声明，还有一大段的函数声明，讲起来太过于零散了，所以大家还是自己去看一下源码吧。

4.2 .cpp

Sub.cpp文件中实现了Sub类的构造，代码如下

Sub::Sub(): logger(g.log_bitmask),control_mode(MANUAL),          // 控制模式为手动motors(MAIN_LOOP_RATE),       // 电机初始化配置为400Hz运行频率scaleLongDown(1),               // GPS比例尺设置为1auto_mode(Auto_WP),            // 自动飞行模式：指向下一个航路点guided_mode(Guided_WP),        // 引导模式：指向下一个航路点auto_yaw_mode(AUTO_YAW_LOOK_AT_NEXT_WP),     // 自动飞行模式的偏航模式:指向下一个航路点（不接受飞行员输入）inertial_nav(ahrs),          // 惯性导航模式配置，默认使用NavEKFahrs_view(ahrs, ROTATION_NONE),    // 用于创建车辆姿态的第二视图attitude_control(ahrs_view, aparm, motors, MAIN_LOOP_SECONDS),  // 姿态控制配置pos_control(ahrs_view, inertial_nav, motors, attitude_control),    // 位置控制配置wp_nav(inertial_nav, ahrs_view, pos_control, attitude_control),    // 航点导航模式配置loiter_nav(inertial_nav, ahrs_view, pos_control, attitude_control),  // 游荡模式配置circle_nav(inertial_nav, ahrs_view, pos_control),                  // 绕圆运动模式配置param_loader(var_info)       //参数表配置
{// init sensor error logging flagssensor_health.baro = true;          // 设置压强传感器状态为正常sensor_health.compass = true;       // 设置电子罗盘状态为正常#if CONFIG_HAL_BOARD != HAL_BOARD_SITL   //如果不处于SITL仿真状态，那么...failsafe.pilot_input = true;       //如果飞行员输入故障保护处于活动状态，则为true，可处理操作杆在操作过程中断开连接
#endif
}

在这份文件内主要是通过Sub的构造函数实现了其他组件对象初始化，以上的所有参数均在Sub.h中有所声明。我这边简单说一下，以 control_mode(MANUAL) 为例，它在Sub.h中的Sub类中声明为一个control_mode_t 对象。

control_mode_t control_mode;

而这个control_mode_t 则是一个枚举类型

// Auto Pilot Modes enumeration
enum control_mode_t : uint8_t {STABILIZE =     0,  // manual angle with manual depth/throttleACRO =          1,  // manual body-frame angular rate with manual depth/throttleALT_HOLD =      2,  // manual angle with automatic depth/throttleAUTO =          3,  // fully automatic waypoint control using mission commandsGUIDED =        4,  // fully automatic fly to coordinate or fly at velocity/direction using GCS immediate commandsCIRCLE =        7,  // automatic circular flight with automatic throttleSURFACE =       9,  // automatically return to surface, pilot maintains horizontal controlPOSHOLD =      16,  // automatic position hold with manual override, with automatic throttleMANUAL =       19,  // Pass-through input with no stabilizationMOTOR_DETECT = 20   // Automatically detect motors orientation
};

因此 control_mode(MANUAL) 就是control_mode初始化配置为MANUAL，也就是初始化为19的意思。其他的如类对象的初始化构造相同。

关于各个飞行模式，具体可以参考官方手册中对Copter飞行模式的说明：Full list of flight modes

需要注意的是Sub类实现了对AP_Vehicle类的继承，但是其并为对setup()和loop()进行修改或者重写，而相对应的，在其内部另外声明了私有部分函数fast_loop()和init_ardupilot()，并在Ardusub.cpp和system.cpp中对两个函数进行了具体的实现。

private:
......
void fast_loop() override;
......
void init_ardupilot() override;

五、总结

总的来说，Sub类中实现的就是关于水下航行器相关功能以及传感器的最初定义。以上内容部分可能过于浅显，也可能会有出错之处，希望大家多多包涵（如有错误请务必留言指出）。后续应该还会再修改整理一下的（第一次更新：2020/10/06），现在就先将就看看吧。

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