在STM32工程中使用Mavlink与飞控通信 - 怒飞垂云

本文为《无人机飞控固件开发教程》系列视频的辅助资料，已经在“网易云课堂”上发布：视频链接。无人机调试，飞控硬件定制、固件修改，日志分析，请QQ联系：3500985284

本文参考链接：https://mavlink.io/zh/

需求来源：

1、增稳云台里的STM32单片机需要通过串口接收飞控传来的云台俯仰、横滚控制指令和相机拍照控制指令；

2、自制的有害气体采集器需要接收飞控传来的飞机当前的位置信息。

Mavlink协议的优势（为什么不自定义协议）

1、通用性强，绝大部分飞控和地面站都是使用Mavlink协议，兼容性好；相比于自定义协议，在不同的飞控和地面站之间切换时代价更小；

2、避免了重复造轮子，降低了总体工作量，方便快速实现功能；

3、基于XML文件定义消息，可读性强，然后使用Python自动生成代码，并且可以生成常见的大部分语言的代码（C、C++、Java、Python、C#等），这极大地降低了飞控与地面站联调的工作量（如APM飞控使用的C++，而MissionPlanner地面站使用的是C#），也就是说跨平台性非常好；

4、支持多主机和多节点（System ID、Component ID）。

Mavlink的帧结构

# 以下为Mavlink2的帧结构：
uint8_t magic;              // 固定帧头，Mavlink2为0xFD
uint8_t len;                // 帧数据长度
uint8_t incompat_flags;     // 不兼容标识
uint8_t compat_flags;       // 兼容标识
uint8_t seq;                // 帧序号
uint8_t sysid;              // 系统ID，飞行器、地面站等各自算一个系统。
                            // 此值为0表示广播；飞控的此值一般为1；地面站的此值一般为255
uint8_t compid;             // 组件ID，此值为0表示广播
uint8_t msgid 0:7;          // 消息ID，bit0 ~ bit7
uint8_t msgid 8:15;         // 消息ID，bit8 ~ bit15
uint8_t msgid 16:23;        // 消息ID，bit0 ~ bit7
uint8_t payload[max 255];   // 帧数据，最多255个字节
uint16_t checksum;          // CRC-16/MCRF4XX

安装Mavlink生成器

1、安装Python3

Microsoft Store中搜索Python3，安装大于Python3.7的版本（是否含Python3.7不确定）。

2、获取Mavlink代码

# 无需切换分支
# 下面的“--recursive”已经包含了更新子模块的功能
git clone https://github.com/mavlink/mavlink.git --recursive

我下载好放到了百度网盘上：
链接：https://pan.baidu.com/s/1iCCTlAM7B-VMutP9TDFwsg
提取码：nfcy

3、安装依赖项

# 在mavlink文件夹，右键，“在终端中打开”

python3 -m pip install -r pymavlink/requirements.txt -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple

# 注意，有黄色warning不用管

生成Mavlink头文件

使用Mavlink的一大优势就是：在大部分情况下，你只需要大致了解Mavlink底层帧结构、只需要关注所需传输信息的数据类型、组合结构即可。所有的解帧、组帧函数都会自动生成，只需要直接调用就行，非常方便。

# 在mavlink文件夹，右键，“在终端中打开”
python3 -m mavgenerate

# XML选择mavlink/message_definitions/v1.0/ardupilotmega.xml
# Out选择一个自己建立的文件夹

# Language选择C
# Protocol选择2.0，即使用mavlink2

注意，Mavlink2已经在2017年开始取代Mavlink1，并且Mavlink2的解析函数是兼容Mavlink1的，因此我们这里选用Mavlink2。

认识Mavlink的XML文件

参考链接：https://mavlink.io/zh/guide/xml_schema.html

认识生成的头文件

将Mavlink头文件集成到STM32工程中

示例工程链接：https://gitee.com/junzixing/stm32-mavlink （master分支）

1、硬件介绍

演示电路板原理图在STM32工程目录的Doc文件夹下：

2、飞控端设置

SERIAL2_PROTOCOL：2，飞控串口2的通信协议，mavlink2
SERIAL2_BAUD：460，飞控串口2的波特率，460指的是460800
SERIAL2_OPTIONS：0，飞控串口2的额外选型，设置为默认值

3、将生成的代码复制到STM32工程中

4、在Keil中添加include路径

5、在代码中包含“.h”文件

#include <ardupilotmega/mavlink.h>

6、Mavlink解帧示例（详见视频教程：链接）

7、Mavlink组帧发送示例（详见视频教程：链接）

8、消除编译时的warning

原理：32位的int的最大值为2^31（去掉一个符号位）- 1 = 2147483647，而mavlink生成的代码里最大值已经超过了这个值。

解决方法：

MAV_SYS_STATUS_EXTENSION_USED=2147483646,
MAV_SYS_STATUS_SENSOR_ENUM_END=2147483647,

HIL_SENSOR_UPDATED_RESET=2147483646,
HIL_SENSOR_UPDATED_FLAGS_ENUM_END=2147483647,

9、mavlink中“数据流”（data stream）的概念

配置SERIAL2（参数名中简称SR2）的各个数据流的频率的参数：

进阶：添加自定义Mavlink帧

此例程飞控源代码下载链接：

链接: https://pan.baidu.com/s/1xuTV4CnW0K2_jv6MKyK4Qw

提取码: nfcy

注意，此压缩包里的代码已经切换好分支并且更新好子模块，可以直接编译。

1、修改飞控端XML文件

飞控中的xml文件位置：modules/mavlink/message_defines/v1.0/

视频中的示例中我们修改的是modules/mavlink/message_defines/v1.0/cubepilot.xml，添加的内容如下：

    <message id="50006" name="NFCY_TEST_MAVLINK">
      <description>test mavlink.</description>
      <field type="uint8_t" name="test1">Test field 1.</field>
      <field type="uint16_t" name="test2">Test field 2.</field>
      <field type="uint32_t" name="test3">Test field 3.</field>
    </message>

2、编译飞控固件，产生对应的头文件

修改xml文件后直接编译即可，不需要重新制定编译目标；

飞控代码编译后mavlink头文件位置：build/飞控名/libraries/GCS_MAVLink/include/v2.0/

注意，xml文件夹中的v1.0和头文件的v2.0含义不同（应该是历史遗留问题，这里我们生成的的确是mavlink2）。

3、在飞控中添加自定义mavlink的发送程序

在ArduCopter/GCS_Mavlink.h中，添加发送函数的声明（注意，对于固定翼，就是在ArduPlane/GCS_Mavlink.h中，也就是说每种载具里都有其独有的GCS_Mavlink，然后在libraries中有各种载具共有的GCS_Mavlink）

    void send_nfcy_test_mavlink() const;

在ArduCopter/GCS_Mavlink.cpp中添加函数定义：

void GCS_MAVLINK_Copter::send_nfcy_test_mavlink() const
{
    mavlink_msg_nfcy_test_mavlink_send(  # 发送函数的名字都为“mavlink_msg_消息名_send”
        chan, 1, 2, 3);
}

在libraries/GCS_MAVLink/ap_message.h中添加自定义的ID：

MSG_NFCY_TEST,  // 注意，这个必须放在MSG_LAST前面

在libraries/GCS_MAVLink/GCS_Common.cpp中添加两种ID的对应关系：

// 前面一个为Mavlink自动生成的ID，后面一个为上一步添加的ID
// 前面的ID格式都是“MAVLINK_MSG_ID_消息名”
{ MAVLINK_MSG_ID_NFCY_TEST_MAVLINK, MSG_NFCY_TEST},

在ArduCopter/GCS_Mavlink.cpp中添加：

// bool GCS_MAVLINK_Copter::try_send_message(enum ap_message id)函数中：

 case MSG_NFCY_TEST:
        send_nfcy_test_mavlink();
        break;

在ArduCopter/Copter.cpp中添加：

// void Copter::three_hz_loop()函数中添加：
gcs().send_message(MSG_NFCY_TEST);

为什么这么麻烦？

因为飞控实际上是将打算发送的帧的ID放入了一个队列中，然后逐个发送出去，避免了等待上一个帧发送完成的阻塞。

4、在飞控中添加解析自定义mavlink的程序

请按照视频教程中的步骤操作：链接

5、为STM32工程重新生成Mavlink头文件（先修改XML文件）

请按照视频教程中的步骤操作：链接

6、在STM32中添加自定义mavlink的发送程序

请按照视频教程中的步骤操作：链接。注意，stm32的例程切换到“add_msg”分支。

7、在STM32中添加自定义mavlink的接收处理程序