基于APM飞控制作的MAVLink通信协议分析

孟颖 张贵阳 魏晓马 武宇欣 汪磊 窦成林

【摘要】MAVLink是一种轻量，只包含头文件信息调度库的通信协议，遵从GNU的LGPL许可协议。主要用于地面站（GCS）和微型无人运载工具间的通信。可以传输微型无人运载工具的方向、GPS信息和速度。本设计结合APM飞控对MAVLink进行介绍与分析。目前，各开源社区对MAVLink的移植工作不断进行，MAVLink将得到广泛应用。

【关键词】MAVLink;无人机;开源飞控;通信协议

1.引言

微型无人机发展迅猛，门槛也大大降低。微型无人机不仅在军事上得到重视，民用上也潜力巨大。微型无人机飞行速度慢、翼载荷小，有效载荷小，无法像大型飞机一样使用大型天线，且无人在飞机上操纵，必须将微型无人载具的状态数据实时传回地面。传统的航模空地通信主要依靠2.4GHz遥控器，需要操作人员具有丰富的经验和极高的技巧。微型无人机需要全双工实时通信系统，以实现对微型载具和机上设备的实时控制。加入地面站的飞行控制系统则可以实现航线规划、自主起降等先进功能。MAVLink协议可以工作在2.4G、900M、433M波段，兼容传统无线发射设备，能够全双工工作。该协议比较简单，可完全满足一般微型无人机的通信需求，是一种极具应用价值的开源通信协议。

2.MAVLink通讯协议的发展

开源飞控与开源软件一样遵循GNU协议，开放源代码与硬件，目前已经非常成熟。在国内基本形成了Autopilots与Paparazzi飞控平分秋色的局面。Paparazzi从2005年开始创立到现在已经发展为一个功能完善的开源飞控项目。Paparazzi官方目前还没有将MAVLink纳入其中，但是已有开发者将MAVLink的子集移植到Paparazzi硬件上。而Autopilots项目从2009年创立开始就在其飞控实现了MAVLink子集，目前是对MAVLink支持最完善的飞控。遗憾的是在Autopilots项目最新的硬件平台PX4上还没有完整实现MAVLink协议。飞控对通信协议的一般要求是实时性和可靠性。微型无人机的螺旋桨（旋翼）桨尖速度一般在1/3马赫，具有相当强的破坏性，因此必须对微型无人机进行实时监视和干预。MAVLink最大支持250kbps的传输速率，且可以自动调整传输速率，实时性很强。MAVLink对物理层进行了详细地规定，包括支持的设备类型等信息，保证对设备的良好支持，并使用硬解析保证了编解码的快速可靠。Paparazzi飞控的地面站可以运行在包括PC机、Android手机、Raspberry Pi、Gumstix平台上，paparazzi对数传电台、2.4GHz遥控器的通信参数进行了规定，虽然完整地实现了实时通信功能，但没有形成完整的通信协议，且缺乏灵活性，只能使用无线调制解调器通信，速率慢。

表1 MAVLink技术参数

波特率 载波频率 刷新率 数据负载 浮点值

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完全面向兩个特性而设计：速度与安全。它允许检查丢失的数据包，但是每个消息只需要6字节的开销。MAVLink的体系结构，如图1所示，MAVLink分为地面站和载具两部分。两者可以通过串行通信、无线调制解调器、UDP（用户数据报协议）、WIFI802.11bgn链接。地面站部分分为三层：MAVLink层、MAV抽象层、用户接口层。MAVLink层是硬件层，产生与载具通信的数据帧，保证报文格式的稳定，负责直接与载具通信。在MAV抽象层中包括各种MAV目标函数，这一层允许MAVLink适用于不同的自驾仪系统。最上层是用户界面层，包括2D地图界面、平显。载具部分有两层，底层为与地面直接通信的数据格式层，上层是包括自驾仪数据结构和任务库（包括参数、航点等）。任务库是载具快速执行参数和航线协议的保证。

表2 MAVLink的数据包结构

图1 MAVLink的体系结构

如表2所示，数据包最小是在确定没有数据负载时为8字节，最大为带255字节数据负载263字节。该协议的数据包结构遵从CAN和SAE AS-4标准，因此其校验与 ITU X.25和SAE AS-4 标准（CRC-16-CCITT）是一样的。

3.MAVLink通信协议简介

MAVLink协议对载具类型、飞行模式、载具状态、系统组件、消息帧坐标格式、地面站指令格式、微型载具的数据流等进行了规定。下面就协议的几个重点内容进行介绍

（1）载具类型：包括通用、固定翼、四旋翼、共轴双桨结构、普通有尾旋翼直升机、自由飞气球、火箭、地面车辆、潜艇等

（2）载具状态：该协议要求可以将载具状态实时传回地面站，包括：未初始化/未知状态、正在启动、正在校准、待命、开车、系统失常但可导航、完全失常、执行关机指令。

（3）系统组件：协议要求至少对下列组件进行支持：GPS、任务管理器、航线管理器、地图、照相机/摄像机、3个姿态传感器、网络和数传中继、系统控制器、14个舵机。GPS和地图在MAVLink协议中占据重要地位。GPS可以为飞行控制器提供重要的经纬度信息，并辅助提供高度信息。微型载具能够按照规划的轨迹运动完全依靠GPS的定位导航功能。因此地面站需要实时显示GPS的卫星数、定位精度、载具所在位置等信息。MAVLink完全提供了这些功能。

（4）航线规划指令：对于普通无人机来说能够精确地按航线飞行是飞行器的核心任务。MAVLink可以分为立即执行和任务脚本两种指令。指令参数规定为7个，分别代表不同的数据类型。这些规定参照民航飞机的ARINC424导航数据库标准，包括航点、持续盘旋、在航点盘旋N圈、在航点盘旋N秒、返回起飞点、设定点着陆等指令。这些丰富的指令保证了飞行器可以完成复杂的任务。例如，使用任务脚本指令可以使飞机按照航线飞行，在航测中，要求飞行器能够严格地按照航线飞行，以覆盖所有待测绘的地区，以在后期对所拍摄的图片进行拼接。而立即执行的指令可以使地面操作人员灵活地操作无人机进行航拍作业，微型无人机航拍不仅价格低，还具有比有人飞机飞得低、比手持设备飞得快的特点，可以完成不同拍摄视角的视频，受到普遍关注。但是MAVLink受数据吞吐率的限制无法实现视频传输。将数据传输与图像传输相融合已成为完善MAVLink方向。

4.用于APM飞控的MAVLink协议分析

应有与APM的MAVLink协议具有几个非常强大的功能。

4.1 三维航点功能

图2 两台电脑上实现硬件在回路仿真框图

图3 硬件在回路仿真效果图

三维航点对于无人机执行复杂任务具有重要意义。三维航点即确定的经度、纬度、高度的航点。它包括相对高度和绝对高度，有了相对高度可以实现复杂的功能，比如自主起降功能，定高巡航。MAVLink能够实时传回GPS坐标、气压值、光流计参数以及融合后的高度值，设定指令的优先级，防止数据丢失。MAVLink的可靠性保证了飞行器可以稳定地按照三维航点飞行。

4.2 硬件在回路仿真

X-plane是Austin Meyer公司推出的一款模拟飞行软件，能夠逼真地模拟飞行器的飞行状态，同时具有飞行器仿真和娱乐功能，MAVLink能够传递进程间数据，APM地面站能够X-plane连接，实现硬件在回路仿真。X-plane具有非常强大的飞行器模拟功能，硬件在回路仿真不仅能够发现软件的问题，还能训练操作人员。在仿真中发现X-plane能够准确快速地体现APM地面站的参数设置和2.4G遥控器的动作，说明MAVLink能够精确地实现应将实现硬件在回路仿真。

4.3 多机通信及对多旋翼的支持

MAVLink支持最多4个四旋翼飞行器，可以为每一个四旋翼飞行器设置俯仰、偏航、滚转、油门值。多个微型飞行器协同运行时要求有精准的定位和高级的人工智能[4]。多旋翼结构虽然有能量效率低的缺点，但是其机械结构简单、可靠性好、载重量大、操控简单、抗风能力强，非常适合微型无人机，是微型无人机领域的研究热点。APM对多旋翼飞行器进行全面支持，不仅可以应用于传统的普通布局多旋翼飞行器，还可以应用于特殊布局多旋翼飞行器，如准异形多旋翼和异形多旋翼飞行器。

5.总结

本文对多种开源项目支持的MAVLink协议进行了简介和分析。对开源飞控通信协议的一般要求进行了讨论，介绍了MAVLink协议的体系结构。对基于APM开源飞控的MAVLink的功能进行了分析，MAVLink基本满足一般民用无人机的要求，是一种很有研究和发展价值的协议。

参考文献

[1]丁明跃，郑昌文.无人飞行器航迹规划[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]郑文娟，吴云秦.基于APM飞控的无人直升机设计[J].信息与电脑，2013（8）：55-56.

[3]石屾.微小型无人机电机驱动设计及飞行姿态仿真[D].北京交通大学 2011

[4]孙伟.低成本的小型无人机飞行控制[D]. 南京航空航天大学 2011

[5]宁东方，章卫国，田娜.无人机自动起飞系统建模和控制律设计研究[J].计算机测量与控制，2008（01）：66-70.

作者简介：孟颖（1980—），女，硕士，实验师，主要研究方向：自动控制技术，目标识别。