用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)揭示BaseFlight開(kāi)源飛控代碼工程的全貌

1、背景

Baseflight是一款開(kāi)源的飛行控制軟件，最初是MultiWii項(xiàng)目的32位分支，旨在為多旋翼、固定翼和直升機(jī)等飛行器提供高效的飛行控制解決方案。Baseflight的發(fā)展歷程可以追溯到MultiWii項(xiàng)目，它在性能和功能上進(jìn)行了顯著的優(yōu)化和擴(kuò)展，特別是在移植到更強(qiáng)大的32位處理器（如STM32）后，解決了早期8位單片機(jī)的性能瓶頸問(wèn)題。

1.開(kāi)源與社區(qū)支持

Baseflight是一個(gè)完全開(kāi)源的項(xiàng)目，代碼托管在GitHub上（https://github.com/multiwii/baseflight，下載其實(shí)幾百k，純c代碼的空間都不大），獲得了全球眾多開(kāi)發(fā)者和愛(ài)好者的貢獻(xiàn)和支持。

2.兼容多種硬件平臺(tái)：

Baseflight支持多種流行的飛行控制器硬件，例如NAZE32、SKYLINE32 Mini等，這些硬件具有高性價(jià)比和良好的性能表現(xiàn)（http://www.yinyanmodel.com/ch/ProductView.asp?ID=393）。

3.豐富的配置選項(xiàng)：

通過(guò)Baseflight Configurator圖形用戶界面，用戶可以方便地調(diào)整飛控參數(shù)，如PID值、傳感器校準(zhǔn)等，以滿足不同的飛行需求。

所謂調(diào)整飛控參數(shù)，就是調(diào)整源碼中類(lèi)似這種的變量：

float magneticDeclination = 0.0f; ? ? ? // calculated at startup from config

4.命令行CLI（command line）接口：

除了圖形界面外，Baseflight還提供了命令行接口（CLI），允許用戶直接通過(guò)串口進(jìn)行高級(jí)設(shè)置和調(diào)試操作。

5.家族譜系：

Baseflight是Cleanflight和Betaflight等后續(xù)項(xiàng)目的前身。Cleanflight在其基礎(chǔ)上增加了更多特性，而B(niǎo)etaflight則進(jìn)一步提升了性能，成為目前FPV競(jìng)速無(wú)人機(jī)中最常用的固件之一https://oscarliang.com/baseflight-cleanflight-comparison/。

2、代碼結(jié)構(gòu)概述

三層架構(gòu)：驅(qū)動(dòng)-計(jì)算-工具

BaseFlight代碼通常采用分層架構(gòu)。最上層是與硬件交互的驅(qū)動(dòng)層，負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)（如加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)等）并將控制信號(hào)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。中間層是核心控制算法層，包含姿態(tài)估計(jì)、導(dǎo)航和控制算法等。最下層是一些基礎(chǔ)的工具函數(shù)庫(kù)。

圖1 筆者用source insight閱讀baseflight全代碼

主要文件的統(tǒng)計(jì)和解釋

整個(gè)項(xiàng)目不過(guò)1.6w行，78個(gè)文件。最大的文件是cli.c超過(guò)一千行（包含大量的交互處理，所以代碼多一點(diǎn)），其余文件均小于1k行，符合良好的c語(yǔ)言代碼設(shè)計(jì)規(guī)范。數(shù)量最多的是drv_開(kāi)頭的驅(qū)動(dòng)層程序。

其次是各種計(jì)算和控制文件，比如fw_nav,是前向?qū)Ш降囊馑?，也就是控制無(wú)人機(jī)往前飛。比如mixer是混合器，混合器是混合操控命令環(huán)境感知等等渠道的信息，形成最終的每個(gè)旋翼的電動(dòng)機(jī)的控制命令。

最后是各種輔助文件，包含各種輔助函數(shù)，比如utils.c.h，比如printf.c.h。

還有一個(gè)不屬于上面三類(lèi)的重要文件makefile，是把baseflight編譯成固件.bin的核心文件，一般不要去改。

圖2 baseflight的簡(jiǎn)明項(xiàng)目報(bào)告

表1 全文件列表

里面的main.c，會(huì)把主循環(huán)拉起來(lái)。就像任何持續(xù)執(zhí)行的嵌入式系統(tǒng)，都是靠一個(gè)無(wú)限循環(huán)來(lái)保證器件的無(wú)限執(zhí)行的。

?// loopy?while?(1) {?//這里，main啟動(dòng)無(wú)限循環(huán)? ??loop();?#ifdef?SOFTSERIAL_LOOPBACK? ??if?(loopbackPort1) {? ? ? ??while?(serialTotalBytesWaiting(loopbackPort1)) {? ? ? ? ? ??uint8_t?b =?serialRead(loopbackPort1);? ? ? ? ? ??serialWrite(loopbackPort1, b);? ? ? ? ? ??//serialWrite(core.mainport, 0x01);? ? ? ? ? ??//serialWrite(core.mainport, b);? ? ? ? };? ? }? ??if?(loopbackPort2) {? ? ? ??while?(serialTotalBytesWaiting(loopbackPort2)) {? ? ? ? ? ??serialRead(loopbackPort2);? ? ? ? };? ? }#endif}

區(qū)區(qū)幾行代碼，其內(nèi)容卻很豐富：

1. 無(wú)限循環(huán) (while (1))

while (1) 創(chuàng)建了一個(gè)無(wú)限循環(huán)，使得代碼不斷重復(fù)執(zhí)行。后面會(huì)說(shuō)如何終止無(wú)限循環(huán)。

2. 調(diào)用 loop() 函數(shù)

這個(gè)loop() 就是飛行的主要函數(shù)，不在main。c里面，而在mw.c里面。mw的意思就是main work。之所以分開(kāi)無(wú)非是軟件工程良好代碼規(guī)范的需要：不要讓單個(gè)文件太過(guò)龐大。

3. 條件編譯 (#ifdef SOFTSERIAL_LOOPBACK)

a. #ifdef SOFTSERIAL_LOOPBACK 是一個(gè)預(yù)處理器指令，表示只有在定義了 SOFTSERIAL_LOOPBACK 宏的情況下，才會(huì)編譯下面的代碼塊。

4. 處理 loopbackPort1

a. 如果 loopbackPort1 存在（即不為 NULL 或假值），則進(jìn)入一個(gè)內(nèi)部循環(huán)。

b. while (serialTotalBytesWaiting(loopbackPort1))：此循環(huán)將持續(xù)運(yùn)行，直到 loopbackPort1 上沒(méi)有任何數(shù)據(jù)等待讀取為止。

c. uint8_t b = serialRead(loopbackPort1);：從 loopbackPort1 讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在變量 b 中。

d. serialWrite(loopbackPort1, b);：將剛剛讀取到的數(shù)據(jù)再寫(xiě)回到 loopbackPort1，這實(shí)際上是在模擬一個(gè)回環(huán)（loopback）操作。

5. 處理 loopbackPort2

a. 如果 loopbackPort2 存在，則進(jìn)入另一個(gè)內(nèi)部循環(huán)。

b. while (serialTotalBytesWaiting(loopbackPort2))：此循環(huán)將持續(xù)運(yùn)行，直到 loopbackPort2 上沒(méi)有任何數(shù)據(jù)等待讀取為止。

c. serialRead(loopbackPort2);：從 loopbackPort2 讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，但沒(méi)有將其存儲(chǔ)或重新發(fā)送出去，因此這似乎只是簡(jiǎn)單地丟棄數(shù)據(jù)。

其中值得注意的幾個(gè)點(diǎn)：

● 死循環(huán)：由于 while (1) 是一個(gè)死循環(huán)，除非通過(guò)外部中斷或其他方式終止程序，否則這段代碼會(huì)一直運(yùn)行下去。

● 資源消耗：在沒(méi)有數(shù)據(jù)可讀的情況下，serialTotalBytesWaiting 函數(shù)會(huì)持續(xù)返回 false，導(dǎo)致循環(huán)快速結(jié)束。然而，如果端口上有大量數(shù)據(jù)等待讀取，這可能會(huì)導(dǎo)致 CPU 資源的高占用率。

● 調(diào)試和測(cè)試：#ifdef SOFTSERIAL_LOOPBACK 指令使得這部分代碼可以根據(jù)需要啟用或禁用。這對(duì)于調(diào)試和測(cè)試不同的功能場(chǎng)景非常有用。

3、如何安裝？

假設(shè)某一位讀者花了很大力氣根據(jù)自己的設(shè)備改寫(xiě)了baseflight的程序，而且這位讀者可能就是某個(gè)無(wú)人機(jī)廠商的創(chuàng)始人或者總師，需要把自己的產(chǎn)品（這些改進(jìn)就是你的產(chǎn)品）變現(xiàn)才能盈利，那么我們?cè)趺窗研薷暮蟮某绦颉白⑷搿憋w控里面。

Baseflight 主要運(yùn)行在基于 STM32 系列微控制器 (MCU) 的硬件平臺(tái)上。STM32 是一種廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)飛行控制器的 32 位 ARM Cortex-M 處理器，具有高性能和豐富的外設(shè)接口。具體來(lái)說(shuō)，Baseflight 支持多種常見(jiàn)的飛控板，例如 Naze32、F3、CC3D 等 。

表2 安裝 Baseflight 固件到硬件中

那么固件哪來(lái)的？baseflight都是源文件啊。

表3 baseflight固件生成

特別注意，除非你改變了源工程的文件結(jié)構(gòu)，否則不要改原先的makefile文件。