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开源飞控初探（五）：MAVLink协议和Java库-创新互联

概述

MAVLink协议是一种（应用层）数据协议，不依赖传输协议。传输层可以是TCP、UDP、RS232串口，甚至基于WebSocket。在定义数据的基础上，补充描述了几种子协议（microservice，直译是微服务）的现有实现。协议不保证送达，客户端需要经常检查机器状态确认命令被执行。

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具体的数据定义包括：

  1. 数据帧格式，包括协议头和载荷（Payload），协议头包括协议版本、载荷长度、兼容标识、次序号、发送者系统号、发送者组件号、消息号、CRC检验和可选的签名。

  1. 消息号枚举和意义，不同的消息号其载荷的长度和意义。

  1. 命令子协议（一种特殊的消息），命令枚举和意义

官方提供了数据帧的装帧和解析基础库，支持12种语言，还有非官方的库额外多支持3种语言。官方的基础库是通过脚本解析多个XML生成的，XML原始地描述了所有的消息、命令、枚举。这些XML是包含的关系，按消息数量多少排序是：厂商定制消息集（例如ardupilotmega.xml） >common.xml（常用消息集，有161种消息）>minimal.xml（最小消息集，有2种消息）。生成基础库时可传参给脚本指定消息集。

MAVLink的Java库

生成目标为APM板子。源码都在com.MAVLink包中，目录文件结构：

  • uAvionix/CRC.java。CRC算法，算法的约定整数序列全是0。

  • enums/

  • 97个java文件，按协议规范定义了各种枚举值。

  • Messages/

  • MAVLinkMessage.java。各种消息的抽象基类。每种MAVLink消息都有一个子类。

  • MAVLinkPayload.java。表示协议载荷，直接操作ByteBuffer。

  • MAVLinkStats.java。统计收发帧的数量和错误数。主要实现协议中的seq消息次序号。

  • ardupilotmega/

  • CRC.java。CRC算法，算法的约定整数序列已设为MAVLink自定义的值。

  • msg_*.java。63个消息类，APM特有的，都继承MAVLinkMessage。

  • common/

  • CRC.java。和ardupilot/CRC.java是一样的。

  • msg_*.java。136个消息类，都继承MAVLinkMessage。

  • MAVLinkPacket.java。对一帧数据的封装，有装帧和解析（生成一个具体的消息类）操作。

  • Parser.java。解析过程的实现类，逐字节传入数据。

数据接收流程：

  1. 将底层连接接收的字节流逐个字节传入Parser.mavlink_parse_char(int c)函数，至一帧接收完毕时会返回一个MAVLinkPacket实例，否则返回null。

  1. 调用MAVLinkPacket.unpack()函数，即得到一个MAVLinkMessage实例

  1. 根据msgid成员变量判断，强制转换成对应子类。

发送流程：

  1. new一个具体的消息，对成员变量赋（业务）值

  1. 调用MAVLinkMessage.pack()函数得到一个MAVLinkPacket实例

  1. 调用MAVLinkPacket.encodePacket()函数得到byte[]传给底层连接。

重要的协议流程 系统号和组件号

协议中各用一个字节（0~255）分别表示消息发送者的系统号（system ID）和组件号（component ID）。系统就两种，飞控和地面站（飞控客户端都叫地面站）。可以同时有多架飞机和多个地面站连接，所以系统号必须唯一。组件可以是飞控（固件）、无线电台、相机、电机、万向节、电池、显示设备、降落伞，地面站控制模块、惯性导航、GPS等，有固定枚举值来表示这些组件。

部分消息的载荷里，有targetSystemID和targetComponentID参数来表示期望执行命令的系统组件。

多架飞机的SystemID从1开始递增。多个地面站的SystemID从255开始递减。

心跳

各组件都发出HEARTBEAT ( #0 )消息，被其它系统组件用来判断是否在线。各组件必须有规律地发出心跳消息，即使不发控制命令的也要。通常频率为1Hz，如果连续4或5次没收到消息就认为那个系统掉线了。

参数type

  • 地面站应为6，MAV_TYPE_GCS

  • 飞控是14，MAV_TYPE_OCTOROTOR，4轴8桨飞行器。

参数（组件能力与状态）

飞控客户端可以请求想要的数据以及设置响应频率，这些数据都来自上文的组件。完整的可请求的数据列表在这：https://ardupilot.org/dev/docs/mavlink-requesting-data.html。

涉及4种消息。

获取

PARAM_REQUEST_LIST，获取所有参数。地面站发出这个命令，飞控用PARAM_VALUE消息逐个参数回复。PARAM_VALUE消息有param_count参数表示总共有多少个参数以及param_index表示这是第几个。

PARAM_REQUEST_READ，获取单个参数，飞控用PARAM_VALUE消息回复。

设置

PARAM_SET，设置单个参数。地面站发出这个命令，飞控用PARAM_VALUE消息再广播一次表示收到。

航线

涉及10种消息

上传

  1. 地面站发出MISSION_COUNT，表示有多少个item

  1. 飞控发来MISSION_REQUEST_INT，参数seq表示第几个。

  1. 地面站回复MISSION_ITEM_INT，按seq第几个来上传

  1. 飞控发来MISSION_ACK表示已接受所有item。

查询

  1. 地面站发出MISSION_REQUEST_LIST

  1. 然后是上传过程调换角色，即地面站发MISSION_REQUEST_INT，飞控发MISSION_ITEM_INT，最后地面站发MISSION_ACK

流程图如下：

报告

飞控发出MISSION_CURRENT消息，当前执行的item：飞控会报告当前执行的mission item seq号

飞控发出MISSION_ITEM_REACHED消息，飞控每到达一个mission item的地点就会报告一次，参数为seq

设置当前item

地面站发出MISSION_SET_CURRENT消息。我们不会用。

清除

地面站发出MISSION_CLEAR_ALL消息，清除所有任务item

重要的命令

  • MAV_CMD_NAV_WAYPOINT (16 )，航点信息，会直线飞过去。用在MISSION_ITEM_INT消息中

  • MAV_CMD_NAV_RETURN_TO_LAUNCH (20 )，返航命令。用在MISSION_ITEM_INT消息中

  • MAV_CMD_NAV_LAND (21 )，着陆命令。用在MISSION_ITEM_INT消息中

  • MAV_CMD_NAV_TAKEOFF (22 )，起飞命令。用在COMMAND_LOG消息中

  • MAV_CMD_NAV_SPLINE_WAYPOINT (82 )，航点信息，会延曲线路径飞过去。用在MISSION_ITEM_INT消息中

  • MAV_CMD_MISSION_START (300 )，开始执行任务。用在COMMAND_LOG消息中

  • MAV_CMD_COMPONENT_ARM_DISARM (400 )，锁定或解锁。用在COMMAND_LOG消息中

  • MAV_CMD_SET_MESSAGE_INTERVAL (511 )，设置消息的发送间隔。用在COMMAND_LOG消息中

  • MAV_CMD_REQUEST_MESSAGE (512 )，511命令的一次性版。用在COMMAND_LOG消息中

  • MAV_CMD_REQUEST_PROTOCOL_VERSION (519 )，请求对方的MAVLink版本兼容性。对方应该ACK并发回一个PROTOCOL_VERSION消息。用在COMMAND_LOG消息中

  • MAV_CMD_REQUEST_AUTOPILOT_CAPABILITIES (520 )，获取自动驾驶的能力。用在COMMAND_LOG消息中。

参考资料

  • 设计原则。https://docs.google.com/document/d/1XtbD0ORNkhZ8eKrsbSIZNLyg9sFRXMXbsR2mp37KbIg/edit

  • 基础知识。MAVLink Basics ‒ Dev documentation

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网页题目：开源飞控初探（五）：MAVLink协议和Java库-创新互联
网页URL：http://hbruida.cn/article/ijhdd.html

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