基于APM飛控制作的MAVLink通信協(xié)議分析

孟穎 張貴陽(yáng) 魏曉馬 武宇欣 汪磊 竇成林

【摘要】MAVLink是一種輕量，只包含頭文件信息調(diào)度庫(kù)的通信協(xié)議，遵從GNU的LGPL許可協(xié)議。主要用于地面站（GCS）和微型無(wú)人運(yùn)載工具間的通信?？梢詡鬏斘⑿蜔o(wú)人運(yùn)載工具的方向、GPS信息和速度。本設(shè)計(jì)結(jié)合APM飛控對(duì)MAVLink進(jìn)行介紹與分析。目前，各開(kāi)源社區(qū)對(duì)MAVLink的移植工作不斷進(jìn)行，MAVLink將得到廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】MAVLink;無(wú)人機(jī);開(kāi)源飛控;通信協(xié)議

1.引言

微型無(wú)人機(jī)發(fā)展迅猛，門(mén)檻也大大降低。微型無(wú)人機(jī)不僅在軍事上得到重視，民用上也潛力巨大。微型無(wú)人機(jī)飛行速度慢、翼載荷小，有效載荷小，無(wú)法像大型飛機(jī)一樣使用大型天線，且無(wú)人在飛機(jī)上操縱，必須將微型無(wú)人載具的狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回地面。傳統(tǒng)的航模空地通信主要依靠2.4GHz遙控器，需要操作人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)和極高的技巧。微型無(wú)人機(jī)需要全雙工實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微型載具和機(jī)上設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。加入地面站的飛行控制系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)航線規(guī)劃、自主起降等先進(jìn)功能。MAVLink協(xié)議可以工作在2.4G、900M、433M波段，兼容傳統(tǒng)無(wú)線發(fā)射設(shè)備，能夠全雙工工作。該協(xié)議比較簡(jiǎn)單，可完全滿足一般微型無(wú)人機(jī)的通信需求，是一種極具應(yīng)用價(jià)值的開(kāi)源通信協(xié)議。

2.MAVLink通訊協(xié)議的發(fā)展

開(kāi)源飛控與開(kāi)源軟件一樣遵循GNU協(xié)議，開(kāi)放源代碼與硬件，目前已經(jīng)非常成熟。在國(guó)內(nèi)基本形成了Autopilots與Paparazzi飛控平分秋色的局面。Paparazzi從2005年開(kāi)始創(chuàng)立到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)功能完善的開(kāi)源飛控項(xiàng)目。Paparazzi官方目前還沒(méi)有將MAVLink納入其中，但是已有開(kāi)發(fā)者將MAVLink的子集移植到Paparazzi硬件上。而Autopilots項(xiàng)目從2009年創(chuàng)立開(kāi)始就在其飛控實(shí)現(xiàn)了MAVLink子集，目前是對(duì)MAVLink支持最完善的飛控。遺憾的是在Autopilots項(xiàng)目最新的硬件平臺(tái)PX4上還沒(méi)有完整實(shí)現(xiàn)MAVLink協(xié)議。飛控對(duì)通信協(xié)議的一般要求是實(shí)時(shí)性和可靠性。微型無(wú)人機(jī)的螺旋槳（旋翼）槳尖速度一般在1/3馬赫，具有相當(dāng)強(qiáng)的破壞性，因此必須對(duì)微型無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和干預(yù)。MAVLink最大支持250kbps的傳輸速率，且可以自動(dòng)調(diào)整傳輸速率，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)。MAVLink對(duì)物理層進(jìn)行了詳細(xì)地規(guī)定，包括支持的設(shè)備類型等信息，保證對(duì)設(shè)備的良好支持，并使用硬解析保證了編解碼的快速可靠。Paparazzi飛控的地面站可以運(yùn)行在包括PC機(jī)、Android手機(jī)、Raspberry Pi、Gumstix平臺(tái)上，paparazzi對(duì)數(shù)傳電臺(tái)、2.4GHz遙控器的通信參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，雖然完整地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)通信功能，但沒(méi)有形成完整的通信協(xié)議，且缺乏靈活性，只能使用無(wú)線調(diào)制解調(diào)器通信，速率慢。

表1 MAVLink技術(shù)參數(shù)

波特率 載波頻率 刷新率 數(shù)據(jù)負(fù)載 浮點(diǎn)值

115200 2.4 GHz 50 Hz 224 bytes 56

115200 2.4 GHz 100 Hz 109 bytes 27

57600 2.4 GHz 100 Hz 51 bytes 12

9600 900MHz 50 Hz 13 bytes 3

9600 900MHz 20 Hz 42 bytes 10

MAVLink完全面向兩個(gè)特性而設(shè)計(jì)：速度與安全。它允許檢查丟失的數(shù)據(jù)包，但是每個(gè)消息只需要6字節(jié)的開(kāi)銷。MAVLink的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示，MAVLink分為地面站和載具兩部分。兩者可以通過(guò)串行通信、無(wú)線調(diào)制解調(diào)器、UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）、WIFI802.11bgn鏈接。地面站部分分為三層：MAVLink層、MAV抽象層、用戶接口層。MAVLink層是硬件層，產(chǎn)生與載具通信的數(shù)據(jù)幀，保證報(bào)文格式的穩(wěn)定，負(fù)責(zé)直接與載具通信。在MAV抽象層中包括各種MAV目標(biāo)函數(shù)，這一層允許MAVLink適用于不同的自駕儀系統(tǒng)。最上層是用戶界面層，包括2D地圖界面、平顯。載具部分有兩層，底層為與地面直接通信的數(shù)據(jù)格式層，上層是包括自駕儀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和任務(wù)庫(kù)（包括參數(shù)、航點(diǎn)等）。任務(wù)庫(kù)是載具快速執(zhí)行參數(shù)和航線協(xié)議的保證。

表2 MAVLink的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

圖1 MAVLink的體系結(jié)構(gòu)

如表2所示，數(shù)據(jù)包最小是在確定沒(méi)有數(shù)據(jù)負(fù)載時(shí)為8字節(jié)，最大為帶255字節(jié)數(shù)據(jù)負(fù)載263字節(jié)。該協(xié)議的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)遵從CAN和SAE AS-4標(biāo)準(zhǔn)，因此其校驗(yàn)與 ITU X.25和SAE AS-4 標(biāo)準(zhǔn)（CRC-16-CCITT）是一樣的。

3.MAVLink通信協(xié)議簡(jiǎn)介

MAVLink協(xié)議對(duì)載具類型、飛行模式、載具狀態(tài)、系統(tǒng)組件、消息幀坐標(biāo)格式、地面站指令格式、微型載具的數(shù)據(jù)流等進(jìn)行了規(guī)定。下面就協(xié)議的幾個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行介紹

（1）載具類型：包括通用、固定翼、四旋翼、共軸雙槳結(jié)構(gòu)、普通有尾旋翼直升機(jī)、自由飛氣球、火箭、地面車(chē)輛、潛艇等

（2）載具狀態(tài)：該協(xié)議要求可以將載具狀態(tài)實(shí)時(shí)傳回地面站，包括：未初始化/未知狀態(tài)、正在啟動(dòng)、正在校準(zhǔn)、待命、開(kāi)車(chē)、系統(tǒng)失常但可導(dǎo)航、完全失常、執(zhí)行關(guān)機(jī)指令。

（3）系統(tǒng)組件：協(xié)議要求至少對(duì)下列組件進(jìn)行支持：GPS、任務(wù)管理器、航線管理器、地圖、照相機(jī)/攝像機(jī)、3個(gè)姿態(tài)傳感器、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)傳中繼、系統(tǒng)控制器、14個(gè)舵機(jī)。GPS和地圖在MAVLink協(xié)議中占據(jù)重要地位。GPS可以為飛行控制器提供重要的經(jīng)緯度信息，并輔助提供高度信息。微型載具能夠按照規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)完全依靠GPS的定位導(dǎo)航功能。因此地面站需要實(shí)時(shí)顯示GPS的衛(wèi)星數(shù)、定位精度、載具所在位置等信息。MAVLink完全提供了這些功能。

（4）航線規(guī)劃指令：對(duì)于普通無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)能夠精確地按航線飛行是飛行器的核心任務(wù)。MAVLink可以分為立即執(zhí)行和任務(wù)腳本兩種指令。指令參數(shù)規(guī)定為7個(gè)，分別代表不同的數(shù)據(jù)類型。這些規(guī)定參照民航飛機(jī)的ARINC424導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)，包括航點(diǎn)、持續(xù)盤(pán)旋、在航點(diǎn)盤(pán)旋N圈、在航點(diǎn)盤(pán)旋N秒、返回起飛點(diǎn)、設(shè)定點(diǎn)著陸等指令。這些豐富的指令保證了飛行器可以完成復(fù)雜的任務(wù)。例如，使用任務(wù)腳本指令可以使飛機(jī)按照航線飛行，在航測(cè)中，要求飛行器能夠嚴(yán)格地按照航線飛行，以覆蓋所有待測(cè)繪的地區(qū)，以在后期對(duì)所拍攝的圖片進(jìn)行拼接。而立即執(zhí)行的指令可以使地面操作人員靈活地操作無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍作業(yè)，微型無(wú)人機(jī)航拍不僅價(jià)格低，還具有比有人飛機(jī)飛得低、比手持設(shè)備飛得快的特點(diǎn)，可以完成不同拍攝視角的視頻，受到普遍關(guān)注。但是MAVLink受數(shù)據(jù)吞吐率的限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)視頻傳輸。將數(shù)據(jù)傳輸與圖像傳輸相融合已成為完善MAVLink方向。

4.用于APM飛控的MAVLink協(xié)議分析

應(yīng)有與APM的MAVLink協(xié)議具有幾個(gè)非常強(qiáng)大的功能。

4.1 三維航點(diǎn)功能

圖2 兩臺(tái)電腦上實(shí)現(xiàn)硬件在回路仿真框圖

圖3 硬件在回路仿真效果圖

三維航點(diǎn)對(duì)于無(wú)人機(jī)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)具有重要意義。三維航點(diǎn)即確定的經(jīng)度、緯度、高度的航點(diǎn)。它包括相對(duì)高度和絕對(duì)高度，有了相對(duì)高度可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，比如自主起降功能，定高巡航。MAVLink能夠?qū)崟r(shí)傳回GPS坐標(biāo)、氣壓值、光流計(jì)參數(shù)以及融合后的高度值，設(shè)定指令的優(yōu)先級(jí)，防止數(shù)據(jù)丟失。MAVLink的可靠性保證了飛行器可以穩(wěn)定地按照三維航點(diǎn)飛行。

4.2 硬件在回路仿真

X-plane是Austin Meyer公司推出的一款模擬飛行軟件，能夠逼真地模擬飛行器的飛行狀態(tài)，同時(shí)具有飛行器仿真和娛樂(lè)功能，MAVLink能夠傳遞進(jìn)程間數(shù)據(jù)，APM地面站能夠X-plane連接，實(shí)現(xiàn)硬件在回路仿真。X-plane具有非常強(qiáng)大的飛行器模擬功能，硬件在回路仿真不僅能夠發(fā)現(xiàn)軟件的問(wèn)題，還能訓(xùn)練操作人員。在仿真中發(fā)現(xiàn)X-plane能夠準(zhǔn)確快速地體現(xiàn)APM地面站的參數(shù)設(shè)置和2.4G遙控器的動(dòng)作，說(shuō)明MAVLink能夠精確地實(shí)現(xiàn)應(yīng)將實(shí)現(xiàn)硬件在回路仿真。

4.3 多機(jī)通信及對(duì)多旋翼的支持

MAVLink支持最多4個(gè)四旋翼飛行器，可以為每一個(gè)四旋翼飛行器設(shè)置俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)、油門(mén)值。多個(gè)微型飛行器協(xié)同運(yùn)行時(shí)要求有精準(zhǔn)的定位和高級(jí)的人工智能[4]。多旋翼結(jié)構(gòu)雖然有能量效率低的缺點(diǎn)，但是其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、載重量大、操控簡(jiǎn)單、抗風(fēng)能力強(qiáng)，非常適合微型無(wú)人機(jī)，是微型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。APM對(duì)多旋翼飛行器進(jìn)行全面支持，不僅可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的普通布局多旋翼飛行器，還可以應(yīng)用于特殊布局多旋翼飛行器，如準(zhǔn)異形多旋翼和異形多旋翼飛行器。

5.總結(jié)

本文對(duì)多種開(kāi)源項(xiàng)目支持的MAVLink協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)介和分析。對(duì)開(kāi)源飛控通信協(xié)議的一般要求進(jìn)行了討論，介紹了MAVLink協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。對(duì)基于APM開(kāi)源飛控的MAVLink的功能進(jìn)行了分析，MAVLink基本滿足一般民用無(wú)人機(jī)的要求，是一種很有研究和發(fā)展價(jià)值的協(xié)議。

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作者簡(jiǎn)介：孟穎（1980—），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：自動(dòng)控制技術(shù)，目標(biāo)識(shí)別。