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ROS連載系列第21期 硅步ROS大講堂直播第三期開(kāi)播+無(wú)人機(jī)專(zhuān)輯2

2017-09-08 16:42 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：硅步科學(xué)儀器 來(lái)源：硅步科學(xué)儀器
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本期ROS連載系列無(wú)人機(jī)專(zhuān)輯2將向您詳細(xì)介紹微型空中飛行器鏈路通訊協(xié)議（MAVLink）。2017年3月，上海硅步發(fā)布了專(zhuān)業(yè)教學(xué)無(wú)人機(jī)GapterEDU，...

　　本期ROS連載系列無(wú)人機(jī)專(zhuān)輯2將向您詳細(xì)介紹微型空中飛行器鏈路通訊協(xié)議（MAVLink）。

　　2017年3月，上海硅步發(fā)布了專(zhuān)業(yè)教學(xué)無(wú)人機(jī)Gapter EDU，該無(wú)人機(jī)支持機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS），MAVLink協(xié)議和MAVROS。ROS很多用戶(hù)已經(jīng)非常熟悉，而MAVLink和MAVROS不少人則是第一次聽(tīng)說(shuō)，那么什么是MAVLink和MAVROS呢？為了使用戶(hù)能夠深入了解Gapter EDU，上海硅步將從本次專(zhuān)輯開(kāi)始分2期為大家介紹一下MAVLink和MAVROS的概念及其在無(wú)人機(jī)研究和開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。


Gapter EDU支持MAVLink通訊協(xié)議

　　MAVLink是Micro Air Vehicle Link（微型空中飛行器鏈路通訊協(xié)議）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是無(wú)人飛行器與地面站（Ground Control Station，GCS）之間通訊，以及無(wú)人飛行器之間通訊最常用的協(xié)議。MAVLink可以高效地在串行通道上將C結(jié)構(gòu)體封裝成包并將其發(fā)送到地面站。作為MCU/IMU通信以及Linux進(jìn)程和地面站連接通信的骨干網(wǎng)，它已經(jīng)在PX4、APM、PIXHAWK和Parrot AR.Drone飛控平臺(tái)上進(jìn)行了大量測(cè)試。

　　MAVLink生成器在2009年由Lorenz Meier首先發(fā)布，遵循LGPL開(kāi)源協(xié)議。MAVLink生成的消息通常與輸入的消息規(guī)范相同。

　　1.消息幀

　　MAVLink傳輸?shù)幕締挝皇窍?，每個(gè)消息幀都具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)：


MAVLink消息幀結(jié)構(gòu)

　　紅色是起始標(biāo)志位（STX），用于MAVLink消息幀接收端進(jìn)行消息解碼。

　　第二個(gè)格子代表的是PAYLOAD長(zhǎng)度（LEN），范圍從0到255。在MAVLink消息幀接收端，可以用它和實(shí)際收到的有效載荷的長(zhǎng)度比較，以驗(yàn)證有效載荷的長(zhǎng)度是否正確。

　　第三個(gè)格子代表的是本次消息幀的序號(hào)（SEQ），每次發(fā)完一個(gè)消息，這個(gè)字節(jié)的內(nèi)容會(huì)加1，加到255后會(huì)從0重新開(kāi)始。這個(gè)序號(hào)用于MAVLink消息幀接收端計(jì)算消息丟失比例用的，相當(dāng)于是信號(hào)強(qiáng)度。

　　第四個(gè)格子代表了發(fā)送本條消息幀的設(shè)備的系統(tǒng)編號(hào)（SYS），使用PIXHAWK刷PX4固件時(shí)默認(rèn)的系統(tǒng)編號(hào)為1，用于MAVLink消息幀接收端識(shí)別是哪個(gè)設(shè)備發(fā)來(lái)的消息。

　　第五個(gè)格子代表了發(fā)送本條消息幀的設(shè)備的單元編號(hào)（COMP），使用PIXHAWK刷PX4固件時(shí)默認(rèn)的單元編號(hào)為50，用于MAVLink消息幀接收端識(shí)別是設(shè)備的哪個(gè)單元發(fā)來(lái)的消息（暫時(shí)沒(méi)什么用）。

　　第六個(gè)格子代表了有效載荷中消息包的編號(hào)（MSG），這個(gè)字節(jié)很重要，MAVLink消息幀接收端要根據(jù)這個(gè)編號(hào)來(lái)確定有效載荷里到底放了什么消息包并根據(jù)編號(hào)選擇對(duì)應(yīng)的方式來(lái)處理有效載荷里的信息包。

　　最后兩個(gè)字節(jié)是16位校驗(yàn)位，CKB是高八位，CKA是低八位。校驗(yàn)碼由crc16算法得到。

　　2. MAVLink消息

　　MAVLink消息有多種類(lèi)型，這里以“#0”消息為例介紹一下MAVLink消息。

　　#0號(hào)消息叫做心跳包（heartbeat），用來(lái)表明發(fā)出該消息的設(shè)備是活躍的，飛行器和地面站都會(huì)發(fā)出這個(gè)信號(hào)（一般以1Hz發(fā)送），地面站和飛行器會(huì)根據(jù)是否及時(shí)收到了心跳包來(lái)判斷是否和飛行器或地面站失去了聯(lián)系。

　　心跳包由6個(gè)數(shù)據(jù)組成，第一個(gè)是占一個(gè)字節(jié)的飛行器類(lèi)型數(shù)據(jù)（type），這個(gè)數(shù)據(jù)表示了當(dāng)前發(fā)消息的是什么飛行器，比如四旋翼，固定翼等等。Type數(shù)值是0時(shí)對(duì)應(yīng)于通用飛行器，數(shù)值為1時(shí)對(duì)應(yīng)于固定翼類(lèi)型，數(shù)值為2時(shí)對(duì)應(yīng)于四旋翼。詳細(xì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可在官方的mavlink消息介紹網(wǎng)頁(yè)上找到（http://mavlink.org/messages/common）。

　　第二個(gè)參數(shù)是自動(dòng)駕駛儀（飛控）類(lèi)型，比如APM，PPZ，Pixhawk等飛控，具體定義查找和之前查找飛行器類(lèi)型時(shí)的方法一樣。同樣的，對(duì)于發(fā)送心跳包的飛行器來(lái)說(shuō)代表了自己的飛控類(lèi)性，對(duì)地面站發(fā)出的心跳包來(lái)說(shuō)意義不大。

　　第三個(gè)參數(shù)是基本模式（base mode），是指飛控現(xiàn)在處在哪個(gè)基本模式，對(duì)于發(fā)心跳包的地面站來(lái)說(shuō)沒(méi)有意義，對(duì)于發(fā)送心跳包的飛控來(lái)說(shuō)是有意義的。這個(gè)參數(shù)要看各個(gè)飛控自己的定義方式，MAVLink介紹網(wǎng)頁(yè)并不會(huì)給出具體的模式。一般情況下都會(huì)使用用戶(hù)模式，普通用戶(hù)不用關(guān)心這個(gè)參數(shù)。開(kāi)發(fā)者在使用MAVLink修改飛行器模式時(shí)需要注意基本模式的設(shè)置，具體請(qǐng)看PX4代碼（https://pixhawk.org/firmware/source_code）。

　　第四個(gè)參數(shù)是用戶(hù)模式（custom mode），它分為主模式（main mode）和子模式（sub mode）：主模式分為3種，手動(dòng)（manual），輔助（assist），自動(dòng)（auto）。手動(dòng)模式類(lèi)似APM的姿態(tài)模式。在輔助模式中，又分為高度控制模式（altctl）和位置控制模式（posctl）兩個(gè)子模式，高度控制模式就類(lèi)似APM的定高模式，油門(mén)對(duì)應(yīng)到飛行器高度控制上。位置模式控制飛行器相對(duì)地面的速度，油門(mén)和高度控制模式一樣，yaw軸控制和手動(dòng)模式一樣。自動(dòng)模式里又分為3個(gè)子模式，任務(wù)模式（mission），留待模式（loiter），返航模式（return），任務(wù)模式就是執(zhí)行設(shè)定好的航點(diǎn)任務(wù)，留待模式就是GPS懸停模式，返航模式就是直線返回home點(diǎn)并自動(dòng)降落。在Pixhawk中，前兩個(gè)字節(jié)（低位）是保留的，沒(méi)有用，第三個(gè)字節(jié)是主模式，第四個(gè)字節(jié)是子模式。

　　3.MAVLink應(yīng)用

　　MAVLink自發(fā)布以來(lái)，受到了眾多無(wú)人機(jī)愛(ài)好者、研究者和開(kāi)發(fā)者的支持和青睞，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前使用MAVLink的自動(dòng)駕駛儀包括：

　　ArduPilotMega(主要協(xié)議)

　　pxIMU Autopilot(主要協(xié)議)

　　SLUGS Autopilot(主要協(xié)議)

　　FLEXIPILOT(可選協(xié)議)

　　UAVDevBoard/Gentlenav/MatrixPilot(可選協(xié)議)

　　SenseSoar Autopilot(主要協(xié)議)

　　SmartAP Autopilot(主要協(xié)議)

　　AutoQuad 6 AutoPilot(主要協(xié)議)

　　目前使用MAVLink的軟件包有：

　　iDroneCtrl (iOS)

　　QGroundControl (Windows/Mac/Linux)

　　HK Ground Control Station (Windows)

　　APM Planner (Windows/Mac)

　　QGroundControl w/ AutoQuad MainWidget(Windows/Mac/Linux)

　　Copter GCS (Android)

　　AutoQuad GCS (Android)

　　ROS to MAVLink bridge:https://github.com/mavlink/mavlink-ros

　　MAVCONN 輕型航空中間層http://pixhawk.ethz.ch/software/middleware/start

　　oooArk / MAVSimhttp://www.youtube.com/watch?v=-wQVrM5SL2o&fe

　　MAVLink python bindings

　　MAVProxy(允許連接多個(gè)UDP/串行鏈路，包括 flightgear):

　　目前應(yīng)用MAVLink的項(xiàng)目有：

　　ArduPilotMegahttp://code.google.com/p/ardupilot-mega/

　　MatrixPilot UAV DevBoardhttp://code.google.com/p/gentlenav/

　　PIXHAWKhttp://pixhawk.ethz.ch/

　　ETH Flying Machine Arenahttp://www.idsc.ethz.ch/Research_DAndrea/FMA

　　ETH SenseSoar Solar Airplane Projecthttp://www.sensesoar.ethz.ch/doku.php?id=news

　　ETH Skye Blimp Projecthttp://www.projectskye.ch/

　　UC Santa Cruz SLUGShttp://slugsuav.soe.ucsc.edu/index.html

　　ArduCAM OSDhttp://code.google.com/p/arducam-osd/

　　Sky-Drones - UAV Flight Control Systemshttp://www.sky-drones.com/

　　AutoQuad - Autonomous Multirotor Vehiclecontrollerhttp://autoquad.org/

硅步機(jī)器人（Gaitech Robotics） 是專(zhuān)業(yè)提供機(jī)器人整體解決方案的創(chuàng)新型公司，在香港、首爾、臺(tái)北、上海、山東五地?fù)碛蟹种C(jī)構(gòu)。硅步的業(yè)務(wù)和合作伙伴遍布全球多個(gè)國(guó)家，擁有健全的銷(xiāo)售和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)硅步擁有一支國(guó)際化的高水平技術(shù)團(tuán)隊(duì)，致力于為客戶(hù)提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的產(chǎn)品、技術(shù)和專(zhuān)業(yè)的服務(wù)。公司目前主要業(yè)務(wù)是基于ROS（Robot Operating System）系統(tǒng)的智能機(jī)器人的集成、生產(chǎn)、銷(xiāo)售和技術(shù)支持服務(wù)。

硅步機(jī)器人于2016年3月參與投資了加拿大Agile Sensor Technologies Inc.（www.agilesensors.com），致力于機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定系統(tǒng)、智能相機(jī)和高性能傳感器等技術(shù)和產(chǎn)品的研究和開(kāi)發(fā)。

硅步機(jī)器人聯(lián)合協(xié)作移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)先驅(qū)西班牙Robotnik公司和協(xié)作機(jī)械臂國(guó)際知名公司北京遨博智能共同研發(fā)了工業(yè)智能移動(dòng)抓取機(jī)器人JR2，它代表了目前國(guó)際上協(xié)作機(jī)器人的最高技術(shù)水平，有著巨大的市場(chǎng)潛力。

考慮到山東的人文環(huán)境、地理區(qū)位、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)等多個(gè)有利因素，硅步機(jī)器人于2017年3月斥資3億元在山東鄒城建造了科教無(wú)人機(jī)及工業(yè)機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)基地。這意味著硅步機(jī)器人正式進(jìn)入機(jī)器人生產(chǎn)、加工產(chǎn)業(yè)鏈條，與研發(fā)和銷(xiāo)售互為有效補(bǔ)充，標(biāo)志著硅步機(jī)器人的發(fā)展從此邁上一個(gè)新的臺(tái)階。

同時(shí)，硅步所屬企業(yè)積極參與了多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金和973項(xiàng)目，擁有多項(xiàng)產(chǎn)品專(zhuān)利和軟件著作權(quán)。在引進(jìn)消化吸收國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，硅步所屬企業(yè)與國(guó)內(nèi)科研單位緊密合作，不斷創(chuàng)新，加速中國(guó)智造的前進(jìn)步伐。

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