基于RT-Thread和Matlab的Firmament(FMT)开源飞控系统

RTThread物联网操作系统 2022-05-21 22:07

如何提升高压系统的实时性能? 如何增强能源基础设施的实时控制？

“Firmament意为苍穹，希望无人机未来可以自由翱翔于广阔天空。仰望苍穹，也表达了对于未知的探索和科技的敬畏。”

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项目介绍

Firmament (FMT) 是一款基于模型设计 (Model Based Design, MBD) 的开源自驾仪，可被用来快速构建无人机，车，船，机器人等的无人控制系统。基于模型设计已经被广泛应用于汽车制造、航空航天等行业，当前采用基于模型设计模式开发的飞控系统凤毛菱角，而 FMT 就是为此而诞生。

FMT结合当前最先进的基于模型设计和3D仿真技术，致力于打造下一代的开源自驾仪系统。

FMT 项目主要由三部分构成：

FMT-FW: 飞控嵌入式软件框架。包含飞控的核心软件，驱动以及功能模块。
FMT-Model: 飞控算法模型框架。包含了基于 Matlab/Simulink 实现的算法模型，如导航，控制，状态机，被控对象模型等。算法模型通过自动代码生成可以合入到 FMT-FW中，从而构成完整的飞控系统软件。
FMT-Sim（开发中）: 基于3D引擎实现的模拟仿真环境，提供逼真的渲染效果和丰富的仿真场景。

区别于其它的开源飞控，FMT构建了从嵌入式软件，建模与仿真于一体的软件开发平台。

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功能特点

C语言实现的轻量级、高实时、高性能的嵌入式软件系统，支持C/C++混合编译。
基于国产RTOS RT-Thread, 拥有活跃的开源社区以及丰富的第三方组件。
支持MBD（Model-based Design）全流程开发。MIL，SIL，HIL，SIH仿真支持。
基于Matlab/Simulink实现的算法和模型库，图形化编程，支持仿真和自动代码生成。
支持Mavlink协议以及开源地面站QGroundcontrol。
支持广泛使用的开源硬件Pixhawk/Pixhawk4等，以及QEMU模拟器。
采用跨平台的开发工具链，支持Win/Linux/Mac等平台的开发。

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FMT vs PX4/APM

PX4与APM作为较为成熟的开源飞控代表，有着众多的使用者和开发者。而且因其维护时间长，功能也较为完善。相比之下，FMT起步较晚（最早开始于2016年的Starry Pilot项目）。

虽然FMT“资历尚浅”，但是其整体软件框架清晰，功能也十分强大。相比于PX4/APM这样成熟的飞控系统，由于贡献者众多，所以难免会导致系统变得臃肿，随之而来的是效率的降低以及越来越难维护。

以下是FMT与PX4的一个简单对比（非严格测试）：

Pixhawk4 (FMUv5)	FMT	PX4
固件大小	~609 KB	~1908 KB
CPU使用率	~24%	~64%
内存使用率	~42%	~71%
实时性	高 (us)	中（ms）
导航算法运行频率	500 Hz	200 Hz
控制算法运行频率	500 Hz	250 Hz
状态机运行频率	250 Hz	100 Hz

可以看到，相比与PX4，FMT软件更精简，这体现在更小的代码量，同时也拥有更高的运行效率和更低的内存使用率。所以使用同样的硬件平台，FMT可以运行更为复杂的算法以及更高的频率运行。而PX4的固件已经接近片上Flash的大小（2 MB），所以留给用户可编程的空间已经极为狭小。这意味着你需要对PX4代码足够的熟悉以进行适当的裁剪。

当然，FMT的功能也还在持续开发中，代码量也会进一步扩大，但是让FMT始终保持精简和高效的这个原则是不会改变的。相信在不久的将来，FMT会成为除了PX4/APM外的另一个选择。

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基于模型开发 (Model-based design, MBD)

基于模型的设计方法目前在汽车、航空航天，电力能源等领域已经广泛使用，而在飞控系统开发中的应用尚处于早期，但是相信未来的趋势会转向于此。目前看到许多eVTOL企业已经开始使用基于模型的设计方法来设计它们的飞控系统。

相比于传统的开发模式，基于模型开发的优缺点：

优点：基于MBD平台（如Simulink）以图形化方式搭建算法模型，让开发人员可以专注于算法的实现。基于仿真环境可以更高效地调试和优化算法，大大提升开发效率。代码自动生成省去了繁琐的编码步骤，减少了编码过程中可能导致的错误。后期功能维护和修改更加方便，模块复用性也更强。需求和模型实现可追溯，而且有严格的模型检查，让生成的代码鲁棒性更强，安全性更高。

缺点：基于MBD设计的灵活性相比传统编码方式差一些，当然，以Simulink为例，可以通过s函数，m函数或者c函数的方式来增加设计的灵活性。生成代码效率相比手动编码更低？？？这里我要打个大大的问号，因为从Simulink生成代码的实际表现来看，其生成代码的效率是很高的，甚至要高于大部分的普通程序员，而略低于经验丰富的程序员。成熟的基于模型的设计平台一般费用比较昂贵。

总的来看，基于模型设计的优点是远大于其缺点的，如果将MBD与传统编码方式相结合，相信会是未来的趋势。

当然，如果还是习惯于传统的编码方式，FMT依然支持C/C++的编码方式。

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仿真调试

基于模型开发的强大之处除了可以自动生成代码，提升开发效率，其仿真调试功能也是非常强大。FMT结合基于模型开发实现了模型在环仿真（MIL），软件在环仿真（SIL），硬件在环仿真（HIL），纯硬件仿真（SIH）和开环仿真（Open-loop Simulation）等。

其中开环仿真为飞控提供了类似“黑匣子”的功能，只需要记录少量的模型输入数据，通过开环仿真即可获得模型所有的日志数据信息。