PX4模块设计之六：PX4-Fast RTPS(DDS)简介
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了PX4模块设计之六：PX4-Fast RTPS(DDS)简介相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
@[TOC](PX4模块设计之六：PX4-Fast RTPS(DDS)简介)
基于PX4开源软件框架简明简介的框架设计，逐步分析内部模块功能设计。
PX4-Fast RTPS(DDS)具有实时发布/订阅uORB消息接口，用于AutoPilot内部组件或者offboard实时应用。其针对的主要应用是计算机视觉和传感器应用实时控制。Fast DDS的应用目标并非是替换MAVLink，目前，MAVLink仍然是地面站、平衡架、摄像头、offboard应用的主要通信接口；但是Fast DDS主要应用在搞通信带宽，高频率数据更新的场景。
1. DDS & Fast RTPS(DDS) 简介
DDS全称是Data Distribution Service，这是一套通信协议和API标准，它提供了以数据为中心的连接服务，基于发布者-订阅者模型。Fast-RTPS(DDS)是DDS的开源实现，借助它可以方便的开发出高效，可靠的分布式系统。
- （第一代）点对点的CS（Client-Server）结构，这是大家最为熟悉的：一个服务器角色被许多的客户端使用，每次通信时，通信双方必须建立一条连接。当通信节点增多时，通信的连接数也会增多。并且，每个客户端都必须知道服务器的具体地址和所提供的服务。一旦服务器地址发生变化，所有客户端都会受到影响。
- （第二代）Broker模型：存在一个中间人，它负责初步处理大家的请求，并进一步找到真正能响应服务的角色，这就好像存在一个经纪人。这为客户端提供了一层抽象，使得服务器的具体地址变得不重要了。服务端地址如果发生变化，只需要告诉Broker就可以了。但这个模型的问题在于，Broker变成了模型的中心，它的处理速度会影响所有人的效率，这就好像城市中心的路口，当系统规则增长到一定程度，Broker终究会成为瓶颈。更糟糕的是，如果Broker瘫痪了，可能整个系统都将无法运转。
- （第三代）广播模型：所有人都可以在通道上广播消息，并且所有人都可以收到消息。这个模型解决了服务器地址的问题，且通信双方不用单独建立连接，但它存在的问题是：广播通道上的消息太多，太嘈杂，所有人都必须关心每条消息是否与自己有关。这就好像全公司一千号人坐在同一个房间里面办公一样。
- （第四代）DDS模型：这种模型与广播模型有些类似，所有人都可以在DataBus上发布和读取消息。但它更进一步的是，通信中包含了很多并行的通路，每个人可以只关心自己感兴趣的消息，自动忽略自己不需要的消息。
2. PX4-Fast RTPS(DDS) 架构
Fast-RTPS(DDS)是eprosima对于RTPS的C++实现，这是一个免费开源软件，遵循Apache License 2.0。
Fast-RTPS(DDS)支持平台包括：Windows, Linux, Mac OS, QNX, VxWorks, ios, android, Raspbian。
Fast-RTPS(DDS)具有以下优点：
- 对于实时应用程序来说，可以在Best-Effort和可靠通信两种策略上进行配置。
- 即插即用的连接性，使得网络的所有成员自动发现其他新的成员。
- 模块化和可扩展性允许网络中设备不断增长。
- 可配置的网络行为和可互换的传输层：为每个部署选择最佳协议和系统输入/输出通道组合。
- 两个API层：一个简单易用的发布者-订阅者层和一个提供对RTPS协议内部更好控制的Writer-Reader层。
注1：Publisher-Subscriber层：RTPS上的简化抽象。
注2：Writer-Reader层：对于RTPS端点的直接控制。
2.1 microRTPS Bridge
microRTPS桥接器在PX4和DDS参与应用程序之间交换消息，在每个系统使用的uORB和RTPS/DDS消息之间无缝转换。
架构主要通过其客户端和代理组成。
2.2 microRTPS Client
microRTPS客户端是在飞行控制器上运行的PX4自动驾驶仪中间件守护进程。该客户端订阅由其他PX4自动驾驶仪组件发布的uORB主题，并向代理发送任何更新（通过UART或UDP端口），还从代理接收消息，并将其作为uORB消息发布到PX4自动驾驶仪。
2.3 microRTPS Agent
microRTPS代理作为后台进程在伴飞计算机（飞行控制器外部）上运行。该代理监视来自客户端的uORB更新消息，并（重新）通过RTP发布这些消息，还订阅来自其他DDS参与者应用程序的“uORB”RTP/DDS消息，并将其转发给客户端。
2.4 microRTPS Agent/Client Communication
代理和客户端通过串行链路（UART）或UDP网络连接，uORB信息通过CDR序列化机制，提供了在不同平台之间交换串行数据的通用格式。在典型配置中，它们将位于连接到客户端的同一系统（例如，开发计算机、Linux配套计算机或计算板）上，硬件上可以通过Wifi链接或USB进行。
3. Fast RTPS(DDS)安装
eProsima Fast DDS是对象管理组（OMG）数据分发服务（DDS）规范和实时发布订阅（RTPS）协议的C++实现。
Fast DDS支持RTPS/DDS接口，允许PX4 uORB主题与参与同一DDS域的非车载组件共享，包括机器人和模拟器工具。特别是，快速DDS是机器人操作系统2（ROS 2）的默认中间件。
3.1 安装前提条件
3.1.1 基础环境
$ lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID: Ubuntu
Description: Ubuntu 20.04.4 LTS
Release: 20.04
Codename: focal
$ java --version
openjdk 11.0.15 2022-04-19
OpenJDK Runtime Environment (build 11.0.15+10-Ubuntu-0ubuntu0.20.04.1)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 11.0.15+10-Ubuntu-0ubuntu0.20.04.1, mixed mode, sharing)
使用ubuntu下的gradle组件
$ sudo apt-get install gradle
$ gradle --version
WARNING: An illegal reflective access operation has occurred
WARNING: Illegal reflective access by org.codehaus.groovy.reflection.CachedClass (file:/usr/share/java/groovy-all.jar) to method java.lang.Object.finalize()
WARNING: Please consider reporting this to the maintainers of org.codehaus.groovy.reflection.CachedClass
WARNING: Use --illegal-access=warn to enable warnings of further illegal reflective access operations
WARNING: All illegal access operations will be denied in a future release
------------------------------------------------------------
Gradle 4.4.1
------------------------------------------------------------
Build time: 2012-12-21 00:00:00 UTC
Revision: none
Groovy: 2.4.17
Ant: Apache Ant(TM) version 1.10.7 compiled on October 24 2019
JVM: 11.0.15 (Private Build 11.0.15+10-Ubuntu-0ubuntu0.20.04.1)
OS: Linux 5.13.0-52-generic amd64
安装Foonathan memory
$ git clone https://github.com/eProsima/foonathan_memory_vendor.git
$ cd foonathan_memory_vendor
$ mkdir build && cd build
$ cmake ..
$ sudo cmake --build . --target install
3.1.2 eProsima Fast DDS版本
- Ubuntu 18.04: Fast RTPS 1.8.4 (or later) and Fast-RTPS-Gen 1.0.4 (not later!).
- Ubuntu 20.04: Fast DDS 2.0.2 (or later) and Fast-RTPS-Gen 1.0.4 (not later!).
TIP
Remember (again) you only need to install Fast DDS if you are not using ROS 2 and just want to leverage non-ROS2 DDS networks and applications.
3.2 二进制安装eProsima Fast DDS v2.7.0版本
注：推荐采用二进制安装，一般发布的二进制版本都会进行比较完善的测试。除非您对这个源代码非常熟悉，那么可以忽略我们的担忧。
3.2.1 官网下载最新eProsima_Fast-DDS版本
鉴于我们采用ubuntu20.04，以及官网最新二进制发布件为2.7.0，满足前提条件>=2.0.2要求。
3.2.2 安装eProsima_Fast-DDS
使用下面命令进行安装
注：建议使用迅雷，速度快点，且文件名比较标准，wget下来的文件名需要重命名。如果链接出现问题，请直接从官网下载链接进去。
$ mkdir eProsima_Fast-DDS-v2.7.0-Linux
$ wget https://www.eprosima.com/index.php/component/ars/repository/eprosima-fast-dds/eprosima-fast-dds-2-7-0/eprosima_fast-dds-v2-7-0-linux-tgz?format=raw
$ tar zxvf eProsima_Fast-DDS-v2.7.0-Linux.tgz //解压二进制
$ sudo ./install.sh //需要一段时间，请耐心等待
安装完成可以简单测试下以下命令是否已经在系统中。
$ fastdds -h
usage: fastdds <command> [<command-args>]
Commands:
discovery Server-Client discovery auxiliary generator
shm Shared-memory commands
fastdds <command> [-h] shows command usage
positional arguments:
command Command to run
optional arguments:
-h, --help show this help message and exit
$ fastddsgen -help
openjdk version "11.0.15" 2022-04-19
OpenJDK Runtime Environment (build 11.0.15+10-Ubuntu-0ubuntu0.20.04.1)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 11.0.15+10-Ubuntu-0ubuntu0.20.04.1, mixed mode, sharing)
fastddsgen usage:
fastddsgen [options] <file> [<file> ...]
where the options are:
-help: shows this help
-version: shows the current version of eProsima Fast DDS gen.
-example <platform>: Generates a solution for a specific platform (example: x64Win64VS2015)
Supported platforms:
* i86Win32VS2013
* x64Win64VS2013
* i86Win32VS2015
* x64Win64VS2015
* i86Linux2.6gcc
* x64Linux2.6gcc
* armLinux2.6gcc
* CMake
-replace: replaces existing generated files.
-ppDisable: disables the preprocessor.
-ppPath: specifies the preprocessor path.
-typeros2: generates type naming compatible with ROS2.
-I <path>: add directory to preprocessor include paths.
-d <path>: sets an output directory for generated files.
-t <temp dir>: sets a specific directory as a temporary directory.
-typeobject: generates TypeObject files to automatically register the types as dynamic.
-cs: IDL grammar apply case sensitive matching.
-test: executes FastDDSGen tests.
-python: generates python bindings for the generated types.
and the supported input files are:
* IDL files.
3.2.3 配合Debug下载 Fast DDS Monitor
有windows/linux等版本可供下载，这个安装使用相对简单，请自行研究(详见eprosima官网)。
3.3 源代码安装eProsima Fast DDS Gen v1.0.4版本
直接从源代码下载，但是安装命令做了调整(可能是ubuntu的默认gradle的版本太高了（不兼容）
git clone --recursive https://github.com/eProsima/Fast-DDS-Gen.git -b v1.0.4 Fast-RTPS-Gen \\
&& cd Fast-RTPS-Gen \\
&& ./gradlew assemble \\
&& sudo env "PATH=$PATH" ./gradlew install
$ git log -n 1
commit 56044ae7c493834f4789893a360c6df28642691e (HEAD, tag: v1.0.4)
Author: Miguel Company <miguelcompany@eprosima.com>
Date: Wed Apr 1 09:52:58 2020 +0200
Bump version to 1.0.4
$ /usr/local/bin/fastrtpsgen -version
openjdk version "11.0.15" 2022-04-19
OpenJDK Runtime Environment (build 11.0.15+10-Ubuntu-0ubuntu0.20.04.1)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 11.0.15+10-Ubuntu-0ubuntu0.20.04.1, mixed mode, sharing)
fastrtpsgen version 1.0.4
4. Fast RTPS(DDS)应用
4.1 Fast RTPS(DDS) ROS 2应用
ROS 2应用涉及广泛，这里不展开讨论，后续有时间再做进一步研究 TBD。
For information about how to use this interface within the ROS 2 applications and development workflows, see PX4-ROS 2 bridge.
4.2 Fast RTPS(DDS) 非ROS应用
4.2.1 配置uORB消息
生成的Fast RTPS(DDS) 代码将允许通过RTPS发布/订阅uORB主题的指定子集，无论是否部署ROS应用程序。
对于自动代码生成，PX4在PX4-Autopilot/msg/tools/uorb_rtps_message_ids.yaml定义了要与RTPS一起使用的uORB消息集，消息是要发送、接收还是两者都要发送，以及要在DDS/RTPS中间件中使用的消息的RTPS ID。
Note
It’s essential to note that every RTPS message needs an ID to be set in this file.
4.2.2 构建Client (PX4/PX4-Autopilot)
编译命令
$ make px4_sitl_rtps
启动环境
$ make px4_sitl_rtps jmavsim
模拟环境下，micrortps_client命令参数
pxh> micrortps_client
Usage: micrortps_client <command> [arguments...]
Commands:
start
[-t <val>] Transport protocol
values: UART|UDP, default: UART
[-d <val>] Select Serial Device
values: <file:dev>, default: /dev/ttyACM0
[-b <val>] Baudrate (can also be p:<param_name>)
default: 460800
[-m <val>] Maximum sending data rate in B/s (0=not limited)
default: 0
[-p <val>] Poll timeout for UART in milliseconds
default: 1
[-l <val>] Limit number of iterations until the program exits (-1=infinite)
[-w <val>] Iteration time for data publishing to the uORB side, in microseconds
default: 1000
[-r <val>] Select UDP Network Port for receiving (local)
default: 2019
[-s <val>] Select UDP Network Port for sending (remote)
default: 2020
[-i <val>] Select IP address (remote)
values: <x.x.x.x>, default: 127.0.0.1
[-f] Activate UART link SW flow control
[-h] Activate UART link HW flow control
[-v] Add more verbosity
stop
status
4.2.3 构建Agent (Offboard)
编译命令
$ cd build/px4_sitl_rtps/src/modules/micrortps_bridge/micrortps_agent
$ mkdir -p build && cd build
$ cmake ..
$ make
Offboard环境（PC），micrortps_agent命令参数
$ ./micrortps_agent -h
--- MicroRTPS Agent ---
usage: ./micrortps_agent [options]
-b <baudrate> UART device baudrate. Defaults to 460800
-d <device> UART device. Defaults to /dev/ttyACM0
-f <sw-flow-control> Activates UART link SW flow control
-g <hw-flow-control> Activates UART link HW flow control
-i <ip-address> Target remote IP address for UDP. Defaults to 127.0.0.1
-n <namespace> Topics namespace. Identifies the vehicle in a multi-agent network
-o <poll-ms> UART polling timeout in milliseconds. Defaults to 1ms
-r <reception-port> UDP port for receiving (local). Defaults to 2020
-s <sending-port> UDP port for sending (remote). Defaults to 2019
-t <transport> [UART|UDP] Defaults to UART
-v <increase-verbosity> Add more verbosity
-w <sleep-time-us> Iteration time for data publishing to the DDS world, in microseconds.
Defaults to 1us
<ros-args> (ROS2 only) Allows to pass arguments to the timesync ROS2 node.
Currently used for setting the usage of simulation time by the node using
'--ros-args -p use_sim_time:=true'
注：如果发现有so没有找到，请看下LD_LIBRARY_PATH是否正确。尝试使用“export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib/”解决问题。
4.2.4 构建Application (Offboard)
构建示例监听应用
$ cd build/px4_sitl_rtps/src/modules/micrortps_bridge
$ mkdir -p micrortps_listener
$ cd micrortps_listener
$ fastrtpsgen -example x64Linux2.6gcc ../micrortps_agent/idl/debug_vect.idl
$ make -f makefile_x64Linux2.6gcc
注：如果发现有so没有找到，请看下LD_LIBRARY_PATH是否正确。尝试使用“export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib/”解决问题。
4.2.5 测试验证(PX4 --> Offboard)
4.2.5.1 配置从PX4飞控板向Offboard发出uORB消息：
msg\\tools\\urtps_bridge_topics.yaml
39 - msg: debug_vect
40 send: true
build\\px4_sitl_rtps\\src\\modules\\micrortps_bridge\\micrortps_listener\\debug_vectSubscriber.cxx
59 Rparam.topic.topicName = "fmu/debug_vect/out";
4.2.5.2 重新编译Client和Agent
略，参考章节4.2.4和4.2.3.
4.2.5.3 验证结果
4.2.6 测试验证(Offboard --> PX4)
4.2.6.1 配置从Offboard向PX4飞控板发出uORB消息：
msg\\tools\\urtps_bridge_topics.yaml
39 - msg: debug_vect
40 receive: true
build\\px4_sitl_rtps\\src\\modules\\micrortps_bridge\\micrortps_listener\\debug_vectPublisher.cxx
63 Wparam.topic.topicName = "fmu/debug_vect/in";
4.2.6.2 修改debug_vectPublisher.cxx文件
为了便于调试辨识，修改文件build\\px4_sitl_rtps\\src\\modules\\micrortps_bridge\\micrortps_listener\\debug_vectPublisher.cxx。新增三行代码，是的xyz值，跟随发送次数增加而增加。
111 st.x_( 7.0f * msgsent);
112 st.y_( 6.0f * msgsent);
113 st.z_( 5.0f * msgsent);
4.2.6.3 重新编译Client和Agent
略，参考章节4.2.4和4.2.3.
4.2.6.4 验证结果
这里通过一个Offboard–>PX4–>MAVLink–>QGroundControl来证明，消息已经从Offboard发送到PX4.
5.参考资料
【1】Fast-DDS-Installation
【2】PX4-Fast RTPS(DDS) Bridge
【3】Fast-DDS Github
以上是关于PX4模块设计之六：PX4-Fast RTPS(DDS)简介的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章