无人机通信流程

第一层：硬件物理通信

激光雷达到机载电脑

• 物理连接：网线（以太网）
• 通信协议：UDP协议，IP地址通常是192.168.1.X
• 数据包格式：Livox自定义的二进制数据包，包含点的坐标(x,y,z)和反射强度
• 传输频率：10Hz，每秒发送10帧点云数据
• 数据量：每帧约240KB，每秒约2.4MB

具体过程：激光雷达扫描环境后，将测量的距离、角度转换为三维坐标，打包成UDP数据包，通过网线发送给机载电脑的指定端口（通常是65000端口）。

PX4飞控内部通信

• IMU到主控：SPI总线，时钟频率1-8MHz，数字信号
• GPS到主控：UART串口，波特率115200，3.3V电平
• 气压计/磁力计：I2C总线，时钟频率400kHz
• 数据格式：各传感器有自己的寄存器地址和数据格式

机载电脑到PX4飞控

• 物理连接：USB线或UART串口线
• 通信协议：MAVLink协议
• 波特率：921600或1500000（高速串口）
• 数据包：每个MAVLink消息有固定的头部、消息ID、载荷和校验和

第二层：驱动层协议转换

Livox驱动程序

机载电脑上运行livox_ros_driver，这个驱动做了以下转换：

• 接收：监听UDP端口，解析Livox二进制数据包
• 时间戳同步：给每个点云帧添加ROS时间戳
• 坐标转换：将激光雷达坐标系转换到机体坐标系
• 格式转换：转换为ROS标准的sensor_msgs/PointCloud2消息
• 发布频率：保持10Hz，发布到/livox/lidar话题

MAVROS驱动

机载电脑上的mavros节点负责ROS和PX4之间的通信：

• 双向转换：MAVLink消息 ↔ ROS消息
• 话题映射：
  • PX4的IMU数据 → /mavros/imu/data (sensor_msgs/Imu)
  • PX4的位置信息 → /mavros/local_position/pose (geometry_msgs/PoseStamped)
  • 控制指令 → /mavros/setpoint_position/local → PX4

数据流向

激光雷达UDP → livox_ros_driver → sensor_msgs/PointCloud2 → /livox/lidar话题
PX4传感器 → MAVLink → mavros → sensor_msgs/Imu → /mavros/imu/data话题

第三层：算法处理与融合

FastLIO算法节点

这是在机载电脑上运行的核心算法：

• 订阅话题：
  • /livox/lidar (点云数据)
  • /mavros/imu/data (IMU数据)
• 数据同步：通过时间戳对齐点云和IMU数据
• 算法处理：
  1. 点云预处理（去噪、降采样）
  2. IMU预积分计算
  3. 点云配准优化
  4. 卡尔曼滤波状态更新
• 输出：
  • nav_msgs/Odometry消息 → /odometry话题
  • tf变换（从odom到base_link）
• 更新频率：50Hz

数据格式细节

nav_msgs/Odometry包含：
- header: 时间戳和坐标系ID
- pose: 位置(x,y,z)和姿态(四元数)
- twist: 线速度和角速度
- 协方差矩阵：表示估计的不确定性

第四层：控制指令传递

你的项目中的简化控制

由于没有路径规划，控制流程很直接：

1. 目标设定：

   • 用户或程序设定目标点坐标(x_target, y_target, z_target)
   • 发布到/mavros/setpoint_position/local话题
   • 消息格式：geometry_msgs/PoseStamped

2. PX4位置控制器：

   • 订阅目标位置和当前位置
   • 计算位置偏差：error = target - current
   • PID控制计算：velocity_cmd = Kperror + Kiintegral + Kd*derivative
   • 输出速度指令到姿态控制器

3. 姿态控制器：

   • 将速度指令转换为期望的姿态角（倾斜角度）
   • 姿态PID控制：计算需要的力矩
   • 力矩分配：将总力矩分配到各个电机

4. 电机输出：

   • 生成PWM信号（1000-2000微秒脉宽）
   • 通过硬件定时器输出到各个电机的ESC

控制频率

• 位置控制器：50Hz
• 姿态控制器：250Hz
• 电机输出：400Hz（PWM频率）

第五层：反馈闭环

状态反馈

1. 传感器采集新状态：

   • IMU持续测量新的加速度和角速度（200Hz）
   • 激光雷达扫描新的环境点云（10Hz）

2. 状态估计更新：

   • FastLIO融合新的传感器数据
   • 更新位置和姿态估计
   • 发布新的里程计数据

3. 控制器响应：

   • PX4接收新的位置信息
   • 重新计算与目标的偏差
   • 调整控制输出

通信时序

整个系统是并发运行的：

时间线：
0ms: 激光雷达发送点云帧
5ms: IMU数据更新（200Hz中的一次）
10ms: IMU数据更新
15ms: IMU数据更新
20ms: FastLIO处理完成，发布新位姿
25ms: PX4位置控制器更新（50Hz中的一次）
...
100ms: 下一帧激光雷达数据到达

关键通信参数总结

1. 数据带宽：

   • 激光雷达：2.4MB/s
   • MAVLink：约10KB/s
   • ROS话题：总计约3MB/s

2. 延迟特性：

   • 传感器到估计：20-40ms
   • 控制指令到执行：10-20ms
   • 总体闭环延迟：50-80ms

3. 可靠性机制：

   • MAVLink有消息确认和重传
   • ROS使用TCP保证可靠传输
   • 时间戳同步确保数据时序正确

这就是整个系统的通信流程，每一步都有明确的协议、格式和时序要求，最终形成一个实时的闭环控制系统。