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(diào)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(shè)計結(jié)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(yīng)用。【關(guān)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(shè)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(shè)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(yīng)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(nèi)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(diào)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(shè)備類型等信息,保證對設(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行在包括PC機、Android手機、RaspberryPi、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(diào)制解調(diào)器通信,速率慢。表1MAVLink技術(shù)參數(shù)波特率載波頻率刷新率數(shù)據(jù)負載浮點值1152002.4GHz50Hz224bytes561152002.4GHz100Hz109bytes27576002.4GHz100Hz51bytes129600900MHz50Hz13bytes39600900MHz20Hz42bytes10MAVLink完全面向兩個特性而設(shè)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(jié)構(gòu),如圖1所示,MAVLink分為地面站和載具兩部分。兩者可以通過串行通信、無線調(diào)制解調(diào)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(jié)構(gòu)和任務(wù)庫(包括參數(shù)、航點等)。任務(wù)庫是載具快速執(zhí)行參數(shù)和航線協(xié)議的保證。表2MAVLink的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)圖1MAVLink的體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)遵從CAN和SAEAS-4標準,因此其校驗與ITUX.25和SAEAS-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(nèi)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(jié)構(gòu)、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(guān)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(wù)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(luò)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(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,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(shè)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(wù)。例如,使用任務(wù)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(shè)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(guān)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(yīng)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(wù)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?qū)崟r傳回GPS坐標、氣壓值、光流計參數(shù)以及融合后的高度值,設(shè)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AustinMeyer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(shè)置和2.4G遙控器的動作,說明MAVLink能夠精確地實現(xiàn)應(yīng)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(shè)置俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)、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(jié)構(gòu)雖然有能量效率低的缺點,但是其機械結(jié)構(gòu)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(lǐng)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(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,如準異形多旋翼和異形多旋翼飛行器。5.總結(jié)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(jié)構(gòu)。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。參考文獻[1]丁明躍,鄭昌文.無人飛行器航跡規(guī)劃[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.[2]鄭