基于MSP的無人機(jī)通信協(xié)議開發(fā)設(shè)計(jì)

趙旭 彭克勤 北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

基于MSP的無人機(jī)通信協(xié)議開發(fā)設(shè)計(jì)

趙旭 彭克勤 北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

在無人機(jī)應(yīng)用趨向廣泛的今天，無人機(jī)發(fā)展已成為一股潮流，隨之而來的是大量愛好者的涌入，以及開源飛控的熱門。本文從基于Multiwii飛控的通信協(xié)議的講解，說明MSP(Multiwii Serial Protocol)的開發(fā)設(shè)計(jì)模式。

無人機(jī) 開源飛控 Multiwii 通信協(xié)議

1 MSP的簡介

MSP（Multiwii Serial Protocol）是用于上位機(jī)與基于Multiwii飛控通訊的協(xié)議。使用MSP可使操作端更輕便，更具有通用性（例如使用GUI，OSD，遙控或是自制遙控裝置控制無人機(jī)或從無人機(jī)中獲取信息）；MSP具有以下特征：

(1)．效率更高：傳輸數(shù)據(jù)為2進(jìn)制代碼

(2)．更安全：數(shù)據(jù)傳輸伴隨校驗(yàn)和，避免無人機(jī)被劫持

(3)．對代碼升級依賴更少：代碼升級對GUI等控制端影響更小

使用MSP將大大拓展與無人機(jī)的通訊方式，而不僅僅局限于2．4G信號（大多數(shù)移動設(shè)備，或是PC都沒有配備2．4G模塊），也就大大拓寬了無人機(jī)上位機(jī)開發(fā)的方向。

注：1．無人機(jī)專指基于Multiwii飛控的無人機(jī)。

2．Multiwii版本在 2．3 之后（包含 2．3）無需在 config．h中選擇RCSERIAL（RC Serial）預(yù)編譯選項(xiàng)。

2 MSP的工作流程

串口通訊均有TX,RX兩端口，其中TX用于發(fā)送數(shù)據(jù)，RX用于接收數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)只需把相應(yīng)傳輸模塊（wifi，藍(lán)牙）TX端與飛控板的RX連接，RX端與飛控板的TX連接，若是藍(lán)牙模塊，需設(shè)置傳輸波特率為115200。上位機(jī)連接上傳輸模塊后，編寫符合傳輸格式的指令計(jì)算指令，即可接收或是發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 MSP的傳輸格式及數(shù)據(jù)類型

MSP的數(shù)據(jù)傳輸格式包含：數(shù)據(jù)頭（header），方向（direction）大?。╯ize），類型（type），數(shù)據(jù)包（data），校驗(yàn)和（checksum）。一條MSP消息中，每一個(gè)元素都是使用byte類型來存儲數(shù)據(jù)。

（1）header：數(shù)據(jù)頭，包含兩個(gè)byte，$,M，表示這條數(shù)據(jù)是一條Multiwii傳輸用數(shù)據(jù)，所有指令必須包含這一部分。

（2）direction：方向，包含一個(gè)byte，＜或＞。向飛控發(fā)送指令時(shí)，direction為＜；從飛控獲取信息時(shí)，direction為＞。

（3）size：數(shù)據(jù)大小，包含一個(gè)byte，用來描述data的個(gè)數(shù)，例如，data有4個(gè)字符，那size就為0x04，但是注意數(shù)據(jù)的總長度不能超過64。

type：類型，標(biāo)明這條指令的目的，填入內(nèi)容根據(jù)MSP官方文檔中的message_id來定義

例：如需獲取無人機(jī)身份信息，message_id查表可知為100，則type為ASCII碼為100的byte（或用十六進(jìn)制表示為0x64（數(shù)據(jù)類型為byte））。

注：官方文檔鏈接 http：//www．multiwii．com/wiki/index．php？title=Multiwii_Serial_Protocol

（4）data：傳輸數(shù)據(jù)，包含n個(gè)byte類型數(shù)據(jù)（數(shù)量根據(jù)MSP文檔中不同Command所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)來定）。當(dāng)傳輸是8-bit數(shù)據(jù)時(shí)，可直接將8-bit數(shù)據(jù)加入數(shù)據(jù)鏈中，若傳輸數(shù)據(jù)為16-bit或是32-bit數(shù)據(jù)時(shí)，需要將數(shù)據(jù)拆分為2個(gè)8-bit或四個(gè)8-bit數(shù)據(jù)，且低八位在前，高八位在后，例如：

傳輸?shù)膁ata中的一個(gè)int型16-bit數(shù)據(jù)為1192，十六進(jìn)制表示為0x4A8，在加入數(shù)據(jù)鏈之前需拆分為兩個(gè)8-bit數(shù)據(jù)：0x04（高八位）,0xA8（低八位），然后加入順序?yàn)?xA8（低八位），0x04（高八位）。

32-bit數(shù)據(jù)亦然，拆分后，最先加入數(shù)據(jù)鏈的是位級最低的八位數(shù)據(jù)，越后加入，位級越高。

（5）checksum（crc）：校驗(yàn)和，包含一個(gè)byte數(shù)據(jù)，用來保證通信中數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。算法：初始化一個(gè)校驗(yàn)和為零后，依次從數(shù)據(jù)鏈中從size開始的每一個(gè)元素與0xff作與運(yùn)算的結(jié)果作異或運(yùn)算，直至data中的最后一個(gè)元素，與0xff作或運(yùn)算保證了每一個(gè)元素的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的一致性。

例如：初始化校驗(yàn)和（checksum）為0x00后，與size（假設(shè)為0x04）作與運(yùn)算表示為

checksum ^= (size&0xff)

若只需從FC獲取信息，data即為空，size為0，所以校驗(yàn)和command一致，如下圖。

4 具體實(shí)現(xiàn)

發(fā)送消息：

MSP消息中比較固定的信息可以使用一個(gè)類中的靜態(tài)變量（數(shù)據(jù)類型為byte）來表示，例如：MSP消息中的header，direction，和type部分。

data部分若添加8-bit數(shù)據(jù)時(shí)，直接向data鏈中添加byte類型數(shù)據(jù)即可，若為16-bit需將數(shù)據(jù)拆分為兩個(gè)8-byte數(shù)據(jù)，

具體方法：

拆分目標(biāo)：int target = 0x4A8，二進(jìn)制表示：0000 0100，1010 1000

拆分時(shí)高八位為byte lower_byte = (byte)(target＞＞8)

低八位為byte upper_byte = (byte)target

根據(jù)Multiwii源碼決定，MSP消息中，如遇到需發(fā)送16-bit數(shù)據(jù)時(shí)，低八位在前，后八位在后。

拆分原理：java語言中高位數(shù)據(jù)向低位數(shù)類型轉(zhuǎn)換時(shí)僅會保留高位數(shù)據(jù)的低位數(shù)，例如16-bit向8-bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，16-bit數(shù)據(jù)保留低八位，賦值給8-bit數(shù)據(jù)，且最高位保存為符號位。數(shù)據(jù)右移時(shí)，低位數(shù)據(jù)被高位數(shù)據(jù)占據(jù)，原本高位數(shù)據(jù)變?yōu)?，右移后可將原本在高位的數(shù)據(jù)移到低位。結(jié)合以上兩點(diǎn)，使用高位數(shù)據(jù)向低位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可獲得高位數(shù)據(jù)的低位部分，使用移位后，再配合類型轉(zhuǎn)換即可獲取高位數(shù)據(jù)的高位部分。

校驗(yàn)和（checksum）：根據(jù)MSP規(guī)定的校驗(yàn)和算法，需要初始話一個(gè)byte類型，初值為0的數(shù)據(jù)，先與size，type分別作異或運(yùn)算，隨后再逐一與data里的數(shù)據(jù)作異或運(yùn)算(^=)直到data的最后一位（包含最后一位）。

接收到的消息格式如下

驗(yàn)證數(shù)據(jù)：接收到消息后因?yàn)閔eader和direction是固定部分，所以我們開始從size開始分析。在使用這條消息之前，需驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否有丟失情況，具體方法：計(jì)算這條消息的校驗(yàn)和，然后再判斷是否與消息自帶的校驗(yàn)和相等。若相等，說明數(shù)據(jù)無丟失，可以使用；若不想等則丟棄數(shù)據(jù)，重新發(fā)起請求。

使用數(shù)據(jù)：可以根據(jù)type來確定MSP消息的目的，從而確定MSP的功能，再根據(jù)MSP用列表去分析data中的數(shù)據(jù)。

圖中的message_id為MSP消息中的type；direction中FC-＞說明消息來自飛控。-＞FC說明消息發(fā)往飛控。圖中type說明接收到的數(shù)據(jù)類型。comment為對數(shù)據(jù)的解釋。UINT 8：8-bit int型數(shù)據(jù)。UINT 16：16-bit int型數(shù)據(jù)類型。UINT 32：32-bit int型數(shù)據(jù)類型。

當(dāng)接收到的data為8-bit（圖中的UINT 8）時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)即為接收到的消息的data鏈中的一個(gè)byte，如果為16-bit（32-bit），每個(gè)數(shù)據(jù)就由data數(shù)據(jù)鏈中的兩個(gè)byte(四個(gè)byte)組成，與發(fā)送時(shí)的規(guī)則一致，兩個(gè)（四個(gè)）組成元素中，前面的是低數(shù)據(jù)位，后面的是高數(shù)據(jù)位，獲取到組成元素之后先將高位數(shù)據(jù)賦值給目標(biāo)數(shù)據(jù)，再將目標(biāo)數(shù)據(jù)左移，再將低位數(shù)據(jù)加到目標(biāo)數(shù)據(jù)上。

例：發(fā)送 0x24 0x4D 0x3C 0x00 0x64 0x64（對應(yīng)圖中MSP_IDENT：獲取飛控信息）后

接收到的消息為：0x24 0x4D 0x3E 0x07 0x64 0xE6 0x03 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x86

將消息分解后 0x24 0x4D（header）

0x3 E（direction）

0x07 （size）

0x64 （type）

0xE6 0x03 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00（data）

0 x86（checksum）

有MSP樣例表（上圖）可知，data部分包含四個(gè)數(shù)據(jù)：VERSION（UINT 8），MULTITYPE（UINT 8），MSP_VERSION(UINT 8), capability（UINT 32）

根據(jù)規(guī)則：

VERSION（UINT 8） = 0xE6 = 230（版本為 2．3）

MULTITYPE（UINT 8） = 0x03 = 3（QUAD X）

MSP_VERSION（UINT 8）= 0x00

Capability（UINT 32） 為了區(qū)分，四個(gè)部分分別改為 ：0x01 0x02 0x03 0x04拼裝后：0x4321 = 17185

5 結(jié)語

完成了對MSP的設(shè)計(jì)，就可以和Multiwii無人機(jī)進(jìn)行通訊，也就可以對無人機(jī)進(jìn)行開發(fā)。使用串口通訊控制無人機(jī)除了距離不如2．4Ghz，其他方面都與2．4Ghz無異。而且使用串口通訊之后，就可以使用掌上設(shè)備來控制無人機(jī)，就可以使無人機(jī)的應(yīng)用大大拓寬。

[1]MWC飛控V2.3串口通信協(xié)議——new Multiwii Serial Protocol：http://www.cnblogs.com/2cats/p/3501033.html

[2]Multiwii serial protocol 官方文檔http://www.multiwii.com/wiki/index.php?title=Multiwii_Serial_Protocol

[3]與0xff作與運(yùn)算的目的http://www.cnblogs.com/think-injava/p/5527389.html

[4] MSP - The Multiwii serial protocol http://www.stefanocottafavi.com/msp-the-multiwii-serial-protocol/

[5]Java中byte，int的轉(zhuǎn)換http://freewind886.blog.163.com/blog/static/661924642011810236100/

趙旭，男，本科，北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院。彭克勤，女，碩士，副教授，北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院。