2. 多旋翼飞控系统架构解析

做HIL自动化测试，第一步不是写脚本，而是把被测对象“拆开看”。HIL测试台架要替代真实飞机上的电机、舵机、GPS、遥控接收机等外部世界，就必须精确知道飞控在这些接口上期待什么信号、以什么时序收发、由哪个固件模块处理。如果对飞控架构理解模糊，测试用例只能停留在“能连上、能起飞”的层面，无法定位到具体模块的异常。本节从硬件、传感器链路、执行机构接口、实时操作系统和固件模块划分五个层面，建立后续所有测试用例的“坐标系”。

一、飞控硬件组成：从主控到接口

典型多旋翼飞控硬件可以分成四块：主控计算单元、传感器单元、接口与电源单元、存储与调试单元。以常见的STM32H7系列飞控为例，主控芯片运行在480MHz，内部有双精度浮点单元和DMA控制器；传感器单元通常包含一颗六轴IMU（如BMI088或ICM-42688）、一颗气压计（如BMP388）、一颗磁力计（如IST8310），部分机型还会加第二颗IMU做冗余。接口单元包括PWM/DShot输出、UART、I2C、SPI、CAN、SBUS/PPM输入、USB和SD卡槽。电源单元提供5V/3.3V稳压，并监测电池电压和电流。

HIL测试中，飞控的“真实”传感器被仿真机替代，但主控、RTOS、固件模块仍然真实运行。因此测试台架必须能通过SPI/I2C注入IMU和气压计数据，通过UART注入GPS和遥控信号，通过PWM/DShot采集执行机构输出。理解硬件组成，就是理解“哪些线要接、哪些信号要模拟”。

二、传感器链路：从物理量到状态估计

传感器链路不是简单的“读寄存器”，而是一条带时间戳、带校准、带融合的数据流。以IMU为例，陀螺仪和加速度计的原始数据先经过温度补偿和零偏校准，再进入姿态解算。PX4和ArduPilot都采用类似结构：IMU采样频率通常为1kHz，姿态解算在250Hz~1kHz运行，输出四元数或欧拉角。气压计和GPS提供高度与位置观测，磁力计提供航向参考，它们通过扩展卡尔曼滤波（EKF）融合成位置、速度、姿态的估计。

HIL测试的关键在于：仿真机必须按飞控期望的采样率和数据格式，通过SPI或I2C把IMU数据“喂”进去，并保证时间戳与飞控内部时钟同步。如果时间戳错位，EKF会发散，测试结果就不可信。因此传感器链路的测试点通常包括：原始数据注入、校准参数加载、EKF状态输出、传感器健康标志。

三、执行机构接口：PWM、DShot与CAN

多旋翼的执行机构主要是电调和舵机。传统PWM接口以50Hz~400Hz输出脉宽，脉宽范围通常为1000~2000μs，对应油门0~100%。DShot是数字协议，常见DShot300/600，帧包含11位油门值、1位遥测请求和4位CRC，抗干扰能力更强，且支持双向遥测。CAN接口在大型多旋翼和行业机型中用于连接电调或舵机，支持总线拓扑和状态回传。

HIL测试中，仿真机需要采集飞控输出的PWM/DShot信号，解析出油门值，再代入动力学模型计算电机转速和推力。这里的关键参数是：PWM频率、脉宽范围、DShot速率、CRC校验方式、CAN波特率。如果测试用例要验证“电机输出是否随姿态误差线性变化”，就必须在仿真机侧记录每个通道的脉宽或DShot值，并与控制律输出做对比。

四、实时操作系统：NuttX与调度策略

PX4使用NuttX，ArduPilot早期使用NuttX后转向ChibiOS/FreeRTOS。RTOS的核心是任务调度和优先级管理。以PX4为例，主要任务包括：传感器采集（高优先级，1kHz）、姿态控制（高优先级，1kHz）、位置控制（中优先级，50Hz）、导航与任务（低优先级，10Hz）、日志与通信（低优先级）。任务之间通过uORB消息总线通信，发布/订阅模式解耦了模块。

HIL测试必须关注RTOS的实时性：如果仿真机注入数据的时刻与飞控任务调度不同步，就会出现“数据迟到”或“数据堆积”。因此测试台架通常需要与飞控的1kHz主循环对齐，或者使用飞控的硬件定时器触发仿真步进。测试点包括：任务执行时间、消息队列深度、CPU占用率、堆栈使用量。

五、固件模块划分：从uORB到控制律

PX4固件可以划分为：驱动层（sensors、pwm_out、dshot）、估计层（ekf2、attitude_estimator）、控制层（mc_att_control、mc_pos_control）、导航层（navigator、mission）、通信层（mavlink、rc）。模块之间通过uORB主题传递数据，例如sensor_combined、vehicle_attitude、actuator_controls_0。HIL测试的用例设计应围绕这些主题展开：注入sensor_combined，观察vehicle_attitude；注入vehicle_attitude_setpoint，观察actuator_controls_0。

下面给出一份HIL测试中常用的模块-主题-测试点对照表，可直接用于用例设计：