MAVLink это очень облегченный протокол обмена сообщениями для коммуникаций с дронами (и между бортовыми компонентами дронов).

MAVLink следует современной гибридной схеме публикации-подписки (publish-subscribe) и шаблону организации взаимосвязи точка-точка (point-to-point): потоки данных отправляются / публикуются как темы (topics), в то время как конфигурация подчиненных протоколов, таких как протокол функционирования (mission protocol) или протокол параметров (parameter protocol) является point-to-point с повторной передачей (retransmission).

Примечание: расшифровку незнакомых терминов и сокращений см. в Словарике MAVLink, в конце статьи.

Сообщения протокола определяются стандартным способом через файлы XML [2]. Каждый файл XML определяет набор сообщений, поддерживаемых частной системой MAVLink, что также называют диалектом. Набор справочных сообщений, реализуемый большинством наземных станций управления и автопилотов, определен в common.xml (большинство диалектов строится на основе этого определения).

Генераторы кода [3] создают из этих XML-описаний готовые программные библиотеки для определенных языков программирования. Эти библиотеки можно использовать для обмена данными в дронах, наземных станциях (пультах) управления, и в других MAVLink-системах. Генерируемые библиотеки обычно имеют защиту лицензией MIT, и таким образом могут без каких-либо ограничений использоваться в любых приложениях, в том числе и с закрытым исходным кодом.

Примечание: C-реализация состоит библиотеки состоит только из заголовочных файлов (*.h), и она жестко оптимизирована, что хорошо подходит для встраиваемых систем, ограниченных по ресурсам памяти (RAM, flash). Это проверенное решение, используемое во многих продуктах, обеспечивающее надежное взаимодействие между компонентами от разных производителей.

Ключевые особенности MAVlink:

• Очень высокая эффективность. MAVLink 1 использует только 8 байт дополнительной информации на пакет, включающей поддержку сигнала старта (start sign) и детектирования пропуска пакета (packet drop). MAVLink 2 использует уже 14 байт служебной информации (однако этот протокол более безопасный и расширяемый). Поскольку MAVLink не требует дополнительного кадрирования, он очень хорошо подходит для приложений, где используется очень ограниченная полоса пропускания канала.
• Очень надежный. MAVLink используется с 2009 года для обмена между различными моделями, пультами управления (и другими узлами) по различным и сложным каналам связи (с высокой задержкой и шумами). Он предоставляет методы обнаружения отбрасывания, повреждения пакетов и их аутентификацию.
• Можно использовать множество популярных языков программирования на различных микроконтроллерах и операционных системах (ARM7, ATMega, dsPic, STM32, а также Windows, Linux, MacOS, Android и iOS).
• Позволяет сосуществовать в сети до 255 конкурентных систем (модели, пульты управления, и т. д.).
• Позволяет реализовать как внешние коммуникации (offboard, т. е. как пример между наземной станцией управления и дроном), так и внутренние (onboard, например между автопилотом и бортовой камерой, управляемой через MAVLink).

Список поддерживаемых языков и генераторов см. [1].

Отличие версий MAVLink 1 и MAVLink 2. В основном протокол версии 2 разработан как расширение версии 1, т. е. в версии 2 сохраняется обратная совместимость с протоколом версии 1. Максимальный размер пакета у MAVLink v1.0 составляет 263 байта, а у MAVLink v2.0 составляет 280 байт, максимальный размер полезной нагрузки у обоих версий 255 байт (определяется макросом MAVLINK_MAX_PAYLOAD_LEN в заголовочном файле mavlink_types.h сгенерированной библиотеки). Вероятно размер пакета был выбран с привязкой к LoRa. Более подробно про особенности версий протокола см. [7].

[Пошаговое руководство для новичка]

1. Определитесь с диалектом вашего протокола MAVlink. Т. е. нужно подготовить XML-файл, где будут описаны передаваемые сообщения протокола. За основу можно взять готовый XML-файл из папки message_definitions/v1.0 репозитория [4].

2. Скачайте пакет генератора C-библиотеки. Рекомендую утилиту mavlink [5], она написана на Python и имеет простой интерфейс как командной строки, так и GUI. Если у вас возникли трудности с установкой, то см. врезку ниже.

$ sudo apt install python3 python3-pip

$ git clone https://github.com/mavlink/mavlink.git --recursive

$ python3 -m pip install -r pymavlink/requirements.txt

$ python3 -m mavgenerate

$ python3 -m pymavlink.tools.mavgen --lang=C --wire-protocol=2.0 \
 --output=generated/include/mavlink/v2.0 message_definitions/v1.0/my_dialect.xml

$ cd ~/mavlink/pymavlink/tools/
$ python mavgen.py -h
usage: mavgen.py [-h] [-o OUTPUT]
                 [--lang {Ada,C,CS,JavaScript,JavaScript_Stable,JavaScript_NextGen,
                 TypeScript,Python2,Python3,Python,Lua,WLua,ObjC,Swift,Java,C++11}]
                 [--wire-protocol {0.9,1.0,2.0}] [--no-validate]
                 [--error-limit ERROR_LIMIT] [--strict-units]
                 XML [XML ...]

Эта утилита генерирует реализации определений сообщений MAVLink.

Позиционные аргументы:
  XML                   Определения MAVLink (описание диалекта)

Опции:
  -h, --help            Покажет эту подсказку и завершит работу.
  -o, --output OUTPUT   Задает выходную директорию.
  --lang {Ada,C,CS,JavaScript,JavaScript_Stable,JavaScript_NextGen,TypeScript,
          Python2,Python3,Python,Lua,WLua,ObjC,Swift,Java,C++11}
                        Язык генерируемого кода [по умолчанию Python].
  --wire-protocol {0.9,1.0,2.0}
                        Версия протокола MAVLink [по умолчанию 1.0].
  --no-validate         Не выполнять проверку корректности XML. Может ускорить
                        генерацию кода, когда XML гарантированно корректные.
  --error-limit ERROR_LIMIT
                        Ограничение на максимальное количество отображаемых
                        ошибок проверки XML.
  --strict-units        Выполнение проверки атрибутов units.

3. Сгенерируйте библиотеку, получится примерно вот такой набор файлов:

$ tree
.
├── checksum.h
├── mavlink_conversions.h
├── mavlink_helpers.h
├── mavlink_types.h
├── MyMavlink
│   ├── mavlink.h
│   ├── mavlink_msg_battery_status.h
│   ├── mavlink_msg_command_ack.h
│   ├── mavlink_msg_command_cancel.h
│   ├── mavlink_msg_command_int.h
│   ├── mavlink_msg_command_long.h
│   ├── mavlink_msg_converter_status.h
│   ├── MyMavlink.h
│   ├── testsuite.h
│   └── version.h
└── protocol.h

2 directories, 15 files

Скопируйте сгенерированные файлы библиотеки в каталог вашего проекта.

[Как использовать, на примере протокола UART]

4. Передача. Реализуйте низкоуровневую функцию передачи через последовательный порт. В зависимости от вашей системы это может быть функция, которая передает по одному байту, или функция, которая передает сразу блок байт:

comm_send_ch (chan, uint8_t) Функция, которая передает один байт через MAVlink-канал chan.

MAVLINK_SEND_UART_BYTES(chan, (const uint8_t *)buf, len) Функция, которая передает len байт данных из буфера buf через MAVlink-канал chan.

Пример формирования, проверки и передачи пакетов см. в сгенерированном файле MyMavlink/testsuite.h. 

5. Прием. Вставьте вызов функции mavlink_parse_char на каждом получаемом байте. Например:

// Получена порция из received байт данных в буфере buf.
mavlink_status_t status;
mavlink_message_t msg;
int chan;

int byteidx = 0;
while(byteidx < received)
{
   if (mavlink_parse_char(chan, buf[byteidx], &msg, &status))
   {
      printf("Received message with ID %d, sequence: %d from component %d of system %d\n",
                      msg.msgid, msg.seq, msg.compid, msg.sysid);
      // В этом месте должна быть обработка данных в структурах status и msg.
      memset(&status, 0, sizeof(status));
      memset(&msg, 0, sizeof(msg));
   }
   byteidx++;
}

Функция mavlink_parse_char накапливает и парсит приходящие данные по протоколу MAVlink. Функция может вернуть 0, 1 или 2. Если 0, то делать ничего не надо, пакет MAVlink еще не принят. Если функция возвратила 1, то это означает, что пакет был успешно принят, и данные могут быть использованы/проанализированы в структурах msg и status. Если функция возвратила 2, то произошла ошибка CRC.

В случае успешного возврата (когда функция mavlink_parse_char вернула 1) данные полезной нагрузки могут быть извлечены из msg с помощью вспомогательных функций наподобие mavlink_msg_status_get_имя_параметра, которые были автоматически сгенерированы в соответствующем заголовочном файле MyMavlink/mavlink_msg_xxxxxx.h.

В случае ошибочного возврата (когда функция mavlink_parse_char вернула 2) данные в msg могут быть недостоверны, и их использование может быть только с учетом определенного риска. Данные в структуре status можно потенциально использовать для оценки причины отказа.

Вы можете запрограммировать два одинаковых устройства, соединить их сигналы RXD и TXD, и проверить работу протокола MAVlink вызовом функции mavlink_test_all (определена в MyMavlink/testsuite.h).

[Пример PC-утилиты MAVlink]

Скачайте и скомпилируйте утилиту mavlink_control [6].

$ git clone https://github.com/mavlink/c_uart_interface_example.git
$ cd c_uart_interface_example
$ make

Подключите вашу систему к UART тестируемого устройства, и выполните команду:

$ ./mavlink_control -d /dev/ttyUSB1 -b 115200

Запустите передачу сообщений MAVlink на тестируемом устройстве. Обратите внимание, что на обоих сторонах обмена должны обрабатываться одинаковые диалекты MAVlink.

[Словарик MAVLink]

AGL altitude at ground level, высота над землёй.

APM относится к ArduPilotMega, специфический диалект или определение сообщения в протоколе MAVLink (APM это одна из реализаций MAVlink).

ARM Сокращение от "Armed", обычно означает о статусе устройства - активно оно (ARMED) или неактивно (DISARMED).

DCM означает Direction Cosine Matrix, косинусная матрица направления. Это матрица 3x3, используемая для представления поворотов, и способ представления ориентации, свободный от gimbal-lock. Это более надежный способ, чем углы Эйлера, которые могут пострадать ль gimbal lock.

EFI Electronic Fuel Injectors, электронно-управляемые форсунки топлива.

EKF Extended Kalman Filter, алгоритм для вычисления позиции, ускорения и угловой ориентации MAV на основе данных гироскопов, компаса, GPS, скорости относительно воздуха и измерений барометрического давления.

ENU East North Up, относится к кадру с информацией о координатах устройства (см. также NED, FRD, FLU).

ESC обозначает Electronic Speed Controller, электронный регулятор скорости.

FC Flight Controller, полетный контроллер MAV.

FLU Forward Left Up относится к кадру с информацией о координатах устройства (см. также NED, ENU, FRD).

FRD Forward Right Down, относится к кадру с информацией о координатах устройства (см. также NED, ENU, FLU).

GCS Ground Control Station, наземная станция управления.

gimbal lock потеря одной степени свободы, которая происходит когда два кардана гироскопа вращаются параллельно друг другу. Термин относится к способу представления угловых координат в пространстве (более подробно см. "Understanding Gimbal Lock and how to prevent it").

IMU Inertial Measurement Unit, инерциальный измерительный блок, в просторечии гироскоп - электронное устройство, которое измеряет и сообщает приложенную силу, угловое ускорение, а также иногда ориентацию в пространстве. Эти изменения используют акселерометры, гироскопы, а также иногда магнитометры. Когда используется магнитометр, то IMU называют IMMU (из Википедии).

MAV Micro Air Vehicle, дистанционно управляемая летающая модель.

NED North East Down, относится к кадру с информацией о координатах устройства (см. также FLU, FRD, ENU).

MSL Mean Sea Level, высота относительно уровня моря.

Odometry одометрия, оценка перемещения в пространстве, принцип измерения которого основан на движителе (колесо, гребной винт).

RC Remote Control, дистанционное управление.

RSSI Received Signal Strength Indicator, индикатор уровня принимаемого сигнала.

RTC Real Time Clock, часы реального времени.

UAV Unmanned Aerial Vehicle, беспилотник.

UAVCAN означает Uncomplicated Application-level Vehicular Computing And Networking. Это открытый коммуникационный протокол для распределенных вычислений и обмена данными, используемый в аэрокосмической технике и робототехнике. Аббревиатура звучит так, как будто в протоколе используется шина CAN, но на самом деле это отдельный протокол с собственным происхождением.

[Ссылки]

1. MAVLink Developer Guide site:mavlink.io.
2. MAVLink: стандартные определения.
3. Generating MAVLink Libraries site:mavlink.io.
4. mavlink / mavlink.
5. Installing MAVLink Toolchain site:mavlink.io.
6. mavlink / c_uart_interface_example.
7. MAVLink Versions site:mavlink.io.