MAVLink筆記 #02# MAVLink絕對傻瓜教程（譯）

本文譯自Shyam Balasubramanian所寫的MavLink Tutorial for Absolute Dummies (Part –I) , 2013。僅供學習交流。

索引

1. 我為你而來，MavLink
2. MavLink消息的結構：
3. MavLink到底是如何工作的
4. 地面控制站（GCS）到四軸飛行器：
5. 四軸飛行器到地面控制站（GCS）到四軸飛行器：

MavLink是什么鬼？它是一種通信協議。當看到這個概念后，大伙就開始畏懼它。這個教程將迫使你深刻地領悟它，並通俗易懂地闡述它究竟是什么，它是如何工作的，最重要的是它到底是如何工作的！！我將試着解釋Mission Planner如何與APM/ PX4通信，反之亦然。這將有助於你的擴展，並激發你潛在的天才程序員天賦，如果你還沒激發的話！！

PS. Mission Planner是一款開源的無人機地面站軟件，APM/ PX4則分別為兩種飛控固件（類似於windows和linux的關系）。而pixhawk是飛控硬件，它可以安裝上述兩種固件中的任何一個。

本教程假定：

1. 你是個小白☹我曾經也是，但現在不再是了!

2. 你至少在C語言方面具備一定的編程技能（例如，在C/C++/C#/Java中編寫過簡單的switch cases）。如果你已經是專業級，那么return 0;

3. 你很嚴肅地打算去學習知識，因為你將為此失去一些睡眠！

但不管怎樣，請始終保持學習的意願，我衷心希望你永遠不會忘記這一點🙂我可以開始了嗎？

我為你而來，MavLink

Mavlink消息基本上是由Mission Planner（MP）編碼，並通過USB串行或遙測發送到APM的一串字節（兩者不能同時使用。如果同時插入，則優先選擇USB，而忽略遙測）。這里的編碼並沒有什么特別之處，只是把數據包放入一個數據結構中，然后通過信道以字節的形式發送出去，同時加上一些錯誤糾正。

MavLink消息的結構：

每個MavLink數據包的長度為17字節，結構如下：

消息長度 = 17 (6 bytes header + 9 bytes payload + 2 bytes checksum)

長度為6個字節的首部 header
0. message header, 永遠為 0xFE
1. message length (9)
2. sequence number -- 在 255 和 0 之間輪轉(0x4e，前一個是 0x4d)
3. System ID - 什么系統在發送這個消息 (1)
4. Component ID- 系統的哪個組件正在發送消息 (1)
5. Message ID (例如 0 = heartbeat 等等! 別害羞，你也可以添加..)

可變長的有效負載 Payload (由八位組構成, 范圍是 0..255)
** Payload (我們感興趣的實際數據)

校驗和 Checksum: 用於錯誤檢測

PS. “由八位組構成”在原文中是specified in octet 1

（APM以及地面站）軟件所做的事情是，檢查它是否為一個有效的消息（通過檢查Checksum判斷消息是否已損壞，丟棄已經損壞的消息）。這是遙測的波特率為什么設置為57,600而不是115,200 bps的原因之一。該數值越低，軟件容易發生的錯誤就越少，雖然消息更新到地面站的速度會慢一些。如果你想在采用MavLink協議的同時取得更遠點的距離，進一步降低波特率可能是一個好主意。然而，需要注意的是，經過測試，57,600bps在理論上可以通過3DR遙測無線電提供大約一英里半徑的覆蓋范圍。還記得高中時的信噪比（SNIR）的概念嗎?

現在，根據上面的內容，我們感興趣的東西是：

• System ID（亦稱消息的來源）：這是指通過無線遙測或USB端口向APM發送消息的發送源（也就是MP），軟件會定期進行檢查，以確認消息是發送給它的。

• Component ID （亦稱系統中的子系統）：主系統中的任何子系統。目前，這里並沒有子系統，我們也沒有真正利用這個字段。

• Message ID：標識這是條關於什么的信息。在本教程中，我們將其稱為“主消息（main message）”。

• Payload（實際數據）：這就是肉！這就是你想要的！！

MavLink到底是如何工作的

MavLink啥也不是就是一條消息。MavLink也可以用於地面機器人，所以微型飛行器鏈路（Micro Aerial Vehicle Link，也就是MavLink） 並不是一個十分貼切的名字。之所以采取這種方式命名呢，是因為它起始於直升機（如果我沒猜錯的話）。

“消息”是一個包含“常量字節數”（如前所述，即17字節）的數據包。APM（從空中）獲取流字節，將其傳輸到硬件接口（例如，通過UART或遙測），並在軟件中對消息進行解碼。注意，消息包含着我們即將提取的有效負載（payload）。

我們對有效負載很感興趣，但是，嘿，和有效負載在一起的是Message ID（見上面），我們可以通過它了解有效負載代表着什么。在這之前，先看看程序解釋一切MavLink消息的幾個步驟：

1. 我們有一個名為handlemessage (msg)的方法。這個就是你需要學習和了解的方法！在GCS_MavLink.pde中找到它（在Arducopter/ ArduPlane里）。

   PS. 該方法隸屬APM固件的源代碼。GCS_MavLink.pde現在似乎是這個https://github.com/ArduPilot/ardupilot/blob/8f550ffdd48a3165c115ca24d6ce5227a5f826d1/ArduCopter/GCS_Mavlink.cpp

   它基本上是在問信息包：嘿，你是誰？你是為我而來還是試圖侵入我的系統？在我給予你許可之前，讓我先讀一下你的系統ID和組件ID。任何使用MavLink的系統都有一個系統ID和組件ID。例如，你的MP和正在飛行的四軸飛行器將具有相同的系統ID。組件ID則用於附加到APM/PX4的“子系統”。

   注意：當前，系統ID和組件ID被硬編碼為相同的。

   現在，你僅有一個遙測和一架安裝了APM的直升機，就是這樣，去愉快地飛行吧-不用再考慮其它的！這些東西對多直升機有幫助（在未來），未來將會有不同的系統ID🙂

2. 我們從消息中提取有效負載並放入一個包（packet）中。包是基於一種“信息類型”的數據結構。我們將不再使用“消息”一詞，那玩意兒到這里就結束了。我們基本上只對由“原始數據”打包而成的包感興趣。

3. 包被放入一個“適當的數據結構”中。有許多數據結構 ，例如用來存放姿態（俯仰，橫搖，偏航方向）的、GPS的、無線電控制信道的，等等，也就是，把相似的東西組合在一起，形成易於理解的模塊。這些數據結構在發送端和接收端（即在MP端和APM端）“100%完全相同”。 如果不一樣的話，你的直升機就會在奇怪的時間墜毀！

PS. 無線電控制信道原文中為RC channel

此外，這也是MavLink GUI生成器大展身手的地方。為了生成這些數據結構，我們不需要編寫任何代碼！！嗯，也不完全是，但只有一點點。

到目前為止很簡單對不對？如果覺得困難請重讀一遍！！當個笨蛋沒關系的🙂

好了，現在說正事。我們使用MavLink發送雙向消息。

從地面控制站（GCS）到APM/PX4或從APM/PX4到地面控制站（GCS）。注意，我說的GCS是指Mission Planner（MP）或者QGroundControl（QGC）、DroidPlanner（DP）或者你自定義的與直升機通信的工具。

地面控制站（GCS）到四軸飛行器：

到目前為止，我們知道每個消息（我們叫一個包，里面有對我們有用的信息）都有一個消息ID和有效負載，並將其放入適當類型的數據結構中。我們根據主消息（或MAVLINK_MSG_ID_）進行選擇，一旦檢測到特定類型的消息，就會執行一些神奇的操作，比如將接收到的信息存儲到永久內存中，或者執行我們希望對其執行的任何操作。

截至2013年11月，在Arducopter最新的3.0.1 RC5（候選版本）中，以下是你可能看到的參數。我已經試着列出所有可能的MavLink消息的“主消息”ID。

請注意，在每個“主消息”類別中（如粗體部分下面的東西）你會找到屬於那個類別的“子消息”，它們基本上與有效負載信息（真正的肉）及其處理方式密切相關。就像“自行車”類別有雅馬哈，鈴木，哈雷戴維森等。我列出了所有的主要信息類別，但只指定了一些子類別。你可以自己查一下細節🙂因為如果你明白我到目前為止的意思，你就不再是個傻瓜了。明白我的意思嗎？

PS. 因為下面的部分，准確含義並不太清楚，所以只選了若干個翻譯。欲看每個條目的詳情可查看原文：https://diydrones.com/forum/topics/mavlink-tutorial-for-absolute-dummies-part-i?groupUrl=arducopterusergroup

MAVLINK_MSG_ID（主消息塊）：

1. MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT：//0

   這是最重要的信息。GCS不斷地向APM/PX4發送信息，以確定它是否與之相連（每1秒一次）。這是為了確保在更新某些參數時MP與APM是同步的。如果錯過了許多心跳信號，則會觸發故障保護（可能），接着直升機可能着陸、繼續執行任務或返回發射（Returns to launch，也稱為RTL）。在MP的“配置/設置故障保護選項”下，可以啟用/禁用故障保護選項。但你不能停止心跳，對嗎？這個名字很有道理！!

2. MAVLINK_MSG_ID_REQUEST_DATA_STREAM：//66

   請求傳感器，無線電控制信道，GPS位置，狀態，Extra 1/2/3 等數據

3. MAVLINK_MSG_ID_COMMAND_LONG：//76

   無限制懸停（Loiter unlimited），RTL，着陸，任務開始（Mission start），飛控解鎖/鎖定（Arm/Disarm ），重新啟動（Reboot）。

   PS. 例如在航前檢查未通過時是禁止直接用commander arm對飛控解鎖的。

4. SET_MODE： //11

   E.g. set_mode(packet.custom_mode);

5. MAVLINK_MSG_ID_MISSION_REQUEST_LIST： //43

6. MAVLINK_MSG_ID_MISSION_REQUEST： //40

7. MAVLINK_MSG_ID_MISSION_ACK： //47

8. MAVLINK_MSG_ID_PARAM_REQUEST_LIST： //21

9. MAVLINK_MSG_ID_PARAM_REQUEST_READ： //20

10. MAVLINK_MSG_ID_MISSION_CLEAR_ALL： //45

11. MAVLINK_MSG_ID_MISSION_SET_CURRENT： //41

12. MAVLINK_MSG_ID_MISSION_COUNT： // 44

13. MAVLINK_MSG_ID_MISSION_WRITE_PARTIAL_LIST： //

14. MAVLINK_MSG_ID_SET_MAG_OFFSETS： //151

15. MAVLINK_MSG_ID_MISSION_ITEM： //39

16. MAVLINK_MSG_ID_PARAM_SET： //23

17. MAVLINK_MSG_ID_RC_CHANNELS_OVERRIDE： //70

18. MAVLINK_MSG_ID_HIL_STATE： //90

19. MAVLINK_MSG_ID_DIGICAM_CONFIGURE： //

20. MAVLINK_MSG_ID_MOUNT_CONFIGURE： //

21. MAVLINK_MSG_ID_MOUNT_CONTROL： //

22. MAVLINK_MSG_ID_MOUNT_STATUS：//

23. MAVLINK_MSG_ID_RADIO, MAVLINK_MSG_ID_RADIO_STATUS： //

四軸飛行器到地面控制站（GCS）到四軸飛行器：

好吧，我承認，這變得更有趣了。但這其實容易得多。事實上，GCS系統只是你和直升機之間的中介物，它反過來從直升機獲取數據，並顯示在GCS系統上。

如果你打開了Arducopter.pde文件，請查看代碼的這一部分：

PS. Arducopter.pde現在似乎是這個https://github.com/ArduPilot/ardupilot/blob/master/ArduCopter/Copter.cpp

static const AP_Scheduler::Task scheduler_tasks[] PROGMEM = {
. . .
. . .
{ gcs_send_heartbeat, 100, 150 },
{ update_notify, 2, 100 },
{ one_hz_loop, 100, 420 },
{ gcs_check_input, 2, 550 },
{ gcs_send_heartbeat, 100, 150 },
{ gcs_send_deferred, 2, 720 },
{ gcs_data_stream_send, 2, 950 },
. . .
. . .
. . .

別害怕。這比呼吸還容易。這就是實時系統概念發揮作用的地方。我們希望確定的任務花費確定的時間，如果到了規定的時間任務仍沒完成，就不再繼續執行它們了。

第一個參數是函數名，

第二個是“它應該花費的時間”（以10毫秒為單位，例如2表示20毫秒執行一次，即50赫茲，即該功能每秒運行50次）。

PS. 1s = 1000ms 故 1000 / 20 = 50 ms/次 = 50Hz

第三個參數是“最長執行時間，超出該時間函數就不應繼續運行”。

我覺得這很簡單！你在這里看到的每一個函數，它的未來都是確定的，運行時間都是一成不變的。這就是為什么我們在這些討厭的機器上采用實時系統，這可以保證它的安全，讓其變得可預測而不是不可預測！！

所有這些函數都是為你精心挑選的，以便讓你知道它們與GCS系統的更新相關。簡單地說，進入每一個函數的定義，這些函數將始終可以在GCS_Mavlink.pde中找到，在那里GCS系統通信的實際操作發生了！!

最有趣（也是最重要）的是：

/*
* send data streams in the given rate range on both links
*/
static void gcs_data_stream_send(void)
{
    gcs0.data_stream_send();
    if (gcs3.initialised) {
        gcs3.data_stream_send();
    }
}

上面所做的事情是，通過鏈路發送數據（gcs0表示通過USB，gcs3表示通過遙測）。如果你再深入一點，你就會知道，我們會把這些數據結構發送回GCS系統顯示。

例如，當你用手移動你的直升機時，瞧瞧MP的HUD屏幕發生了什么？你將看到直升機在屏幕上移動。並且，我們得到了每個時間單位的飛行姿態數據（俯仰、橫搖和偏航）。同樣，我們還可以看到IMU數據、GPS數據、電池數據等。