基于APM飛控制作的MAVLink通信協(xié)議分析

孟穎 張貴陽 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度庫的通信協(xié)議，遵從GNU的LGPL許可協(xié)議。主要用于地面站（GCS）和微型無人運載工具間的通信?？梢詡鬏斘⑿蜔o人運載工具的方向、GPS信息和速度。本設計結合APM飛控對MAVLink進行介紹與分析。目前，各開源社區(qū)對MAVLink的移植工作不斷進行，MAVLink將得到廣泛應用。

【關鍵詞】MAVLink;無人機;開源飛控;通信協(xié)議

1.引言

微型無人機發(fā)展迅猛，門檻也大大降低。微型無人機不僅在軍事上得到重視，民用上也潛力巨大。微型無人機飛行速度慢、翼載荷小，有效載荷小，無法像大型飛機一樣使用大型天線，且無人在飛機上操縱，必須將微型無人載具的狀態(tài)數(shù)據(jù)實時傳回地面。傳統(tǒng)的航?？盏赝ㄐ胖饕揽?.4GHz遙控器，需要操作人員具有豐富的經(jīng)驗和極高的技巧。微型無人機需要全雙工實時通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)對微型載具和機上設備的實時控制。加入地面站的飛行控制系統(tǒng)則可以實現(xiàn)航線規(guī)劃、自主起降等先進功能。MAVLink協(xié)議可以工作在2.4G、900M、433M波段，兼容傳統(tǒng)無線發(fā)射設備，能夠全雙工工作。該協(xié)議比較簡單，可完全滿足一般微型無人機的通信需求，是一種極具應用價值的開源通信協(xié)議。

2.MAVLink通訊協(xié)議的發(fā)展

開源飛控與開源軟件一樣遵循GNU協(xié)議，開放源代碼與硬件，目前已經(jīng)非常成熟。在國內基本形成了Autopilots與Paparazzi飛控平分秋色的局面。Paparazzi從2005年開始創(chuàng)立到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為一個功能完善的開源飛控項目。Paparazzi官方目前還沒有將MAVLink納入其中，但是已有開發(fā)者將MAVLink的子集移植到Paparazzi硬件上。而Autopilots項目從2009年創(chuàng)立開始就在其飛控實現(xiàn)了MAVLink子集，目前是對MAVLink支持最完善的飛控。遺憾的是在Autopilots項目最新的硬件平臺PX4上還沒有完整實現(xiàn)MAVLink協(xié)議。飛控對通信協(xié)議的一般要求是實時性和可靠性。微型無人機的螺旋槳（旋翼）槳尖速度一般在1/3馬赫，具有相當強的破壞性，因此必須對微型無人機進行實時監(jiān)視和干預。MAVLink最大支持250kbps的傳輸速率，且可以自動調整傳輸速率，實時性很強。MAVLink對物理層進行了詳細地規(guī)定，包括支持的設備類型等信息，保證對設備的良好支持，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行在包括PC機、Android手機、Raspberry Pi、Gumstix平臺上，paparazzi對數(shù)傳電臺、2.4GHz遙控器的通信參數(shù)進行了規(guī)定，雖然完整地實現(xiàn)了實時通信功能，但沒有形成完整的通信協(xié)議，且缺乏靈活性，只能使用無線調制解調器通信，速率慢。

表1 MAVLink技術參數(shù)

波特率 載波頻率 刷新率 數(shù)據(jù)負載 浮點值

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完全面向兩個特性而設計：速度與安全。它允許檢查丟失的數(shù)據(jù)包，但是每個消息只需要6字節(jié)的開銷。MAVLink的體系結構，如圖1所示，MAVLink分為地面站和載具兩部分。兩者可以通過串行通信、無線調制解調器、UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(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，保證報文格式的穩(wěn)定，負責直接與載具通信。在MAV抽象層中包括各種MAV目標函數(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)結構和任務庫（包括參數(shù)、航點等）。任務庫是載具快速執(zhí)行參數(shù)和航線協(xié)議的保證。

表2 MAVLink的數(shù)據(jù)包結構

圖1 MAVLink的體系結構

如表2所示，數(shù)據(jù)包最小是在確定沒有數(shù)據(jù)負載時為8字節(jié)，最大為帶255字節(jié)數(shù)據(jù)負載263字節(jié)。該協(xié)議的數(shù)據(jù)包結構遵從CAN和SAE AS-4標準，因此其校驗與 ITU X.25和SAE AS-4 標準（CRC-16-CCITT）是一樣的。

3.MAVLink通信協(xié)議簡介

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

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

（2）載具狀態(tài)：該協(xié)議要求可以將載具狀態(tài)實時傳回地面站，包括：未初始化/未知狀態(tài)、正在啟動、正在校準、待命、開車、系統(tǒng)失常但可導航、完全失常、執(zhí)行關機指令。

（3）系統(tǒng)組件：協(xié)議要求至少對下列組件進行支持：GPS、任務管理器、航線管理器、地圖、照相機/攝像機、3個姿態(tài)傳感器、網(wǎng)絡和數(shù)傳中繼、系統(tǒng)控制器、14個舵機。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)劃的軌跡運動完全依靠GPS的定位導航功能。因此地面站需要實時顯示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：對于普通無人機來說能夠精確地按航線飛行是飛行器的核心任務。MAVLink可以分為立即執(zhí)行和任務腳本兩種指令。指令參數(shù)規(guī)定為7個，分別代表不同的數(shù)據(jù)類型。這些規(guī)定參照民航飛機的ARINC424導航數(shù)據(jù)庫標準，包括航點、持續(xù)盤旋、在航點盤旋N圈、在航點盤旋N秒、返回起飛點、設定點著陸等指令。這些豐富的指令保證了飛行器可以完成復雜的任務。例如，使用任務腳本指令可以使飛機按照航線飛行，在航測中，要求飛行器能夠嚴格地按照航線飛行，以覆蓋所有待測繪的地區(qū)，以在后期對所拍攝的圖片進行拼接。而立即執(zhí)行的指令可以使地面操作人員靈活地操作無人機進行航拍作業(yè)，微型無人機航拍不僅價格低，還具有比有人飛機飛得低、比手持設備飛得快的特點，可以完成不同拍攝視角的視頻，受到普遍關注。但是MAVLink受數(shù)據(jù)吞吐率的限制無法實現(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

應有與APM的MAVLink協(xié)議具有幾個非常強大的功能。

4.1 三維航點功能

圖2 兩臺電腦上實現(xiàn)硬件在回路仿真框圖

圖3 硬件在回路仿真效果圖

三維航點對于無人機執(zhí)行復雜任務具有重要意義。三維航點即確定的經(jīng)度、緯度、高度的航點。它包括相對高度和絕對高度，有了相對高度可以實現(xiàn)復雜的功能，比如自主起降功能，定高巡航。MAVLink能夠實時傳回GPS坐標、氣壓值、光流計參數(shù)以及融合后的高度值，設定指令的優(yōu)先級，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)，同時具有飛行器仿真和娛樂功能，MAVLink能夠傳遞進程間數(shù)據(jù)，APM地面站能夠X-plane連接，實現(xiàn)硬件在回路仿真。X-plane具有非常強大的飛行器模擬功能，硬件在回路仿真不僅能夠發(fā)現(xiàn)軟件的問題，還能訓練操作人員。在仿真中發(fā)現(xiàn)X-plane能夠準確快速地體現(xiàn)APM地面站的參數(shù)設置和2.4G遙控器的動作，說明MAVLink能夠精確地實現(xiàn)應將實現(xiàn)硬件在回路仿真。

4.3 多機通信及對多旋翼的支持

MAVLink支持最多4個四旋翼飛行器，可以為每一個四旋翼飛行器設置俯仰、偏航、滾轉、油門值。多個微型飛行器協(xié)同運行時要求有精準的定位和高級的人工智能[4]。多旋翼結構雖然有能量效率低的缺點，但是其機械結構簡單、可靠性好、載重量大、操控簡單、抗風能力強，非常適合微型無人機，是微型無人機領域的研究熱點。APM對多旋翼飛行器進行全面支持，不僅可以應用于傳統(tǒng)的普通布局多旋翼飛行器，還可以應用于特殊布局多旋翼飛行器，如準異形多旋翼和異形多旋翼飛行器。

5.總結

本文對多種開源項目支持的MAVLink協(xié)議進行了簡介和分析。對開源飛控通信協(xié)議的一般要求進行了討論，介紹了MAVLink協(xié)議的體系結構。對基于APM開源飛控的MAVLink的功能進行了分析，MAVLink基本滿足一般民用無人機的要求，是一種很有研究和發(fā)展價值的協(xié)議。

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作者簡介：孟穎（1980—），女，碩士，實驗師，主要研究方向：自動控制技術，目標識別。