一、Mavlink协议
一、Mavlink协议
MAVLink通讯协议是一个为微型飞行器设计的非常轻巧的、只由头文件构成的信息编组库。它可以通过串口非常高效地封装C结构数据，并将这些数据包发送至地面控制站。该协议被PX4, PIXHAWK, APM和Parrot AR.Drone平台所广泛测试并在以上的项目中作为MCU/IMU间以及Linux进程和地面站链路通信间的主干通信协议。
MAVLink最初由LorenzMeier根据LGPL许可在2009年初发表。
二、数据结构
Mavlink传输时基本单位是消息帧，消息帧的结构如下：
| 索引 | 名称 | 内容 | 值 | 含义 |
| 0 | STX | 数据包起始标志 | 0xFE(v1.0)/0x55(v0.9) | 标识新消息的开始 |
| 1 | LEN | 有效载荷长度 | 0-255 | 标识该消息包中负载长度 |
| 2 | SEQ | 数据包序列号 | 0-255 | 消息发送序列号，用于检测数据包的丢失 |
| 3 | SYS | 系统ID | 1-255 | 发送该包的系统ID。能够区分在同一网络中不同的MAV |
| 4 | COMP | 组件ID | 0-255 | 发送该包的组件ID,能够区分同一系统的不同发送设备。如：IMU和AutoPilot |
| 5 | MSG | 消息ID | 0-255 | 该ID定义了有效负载的“含义”以及负载应被如何正确的解码 |
| 6至n+6 | PAYLOAD | 消息载荷 | 0-255 字节 | 消息内部的负载信息 |
| n+7 | CKA | 校验位（低8位） | - | CRC校验码 |
| n+8 | CKB | 校验位（高8位） | - | CRC校验码 |
注意：校验码由crc16算法得到，算法从消息包的1~n+6字节（不包含STX），还要额外加上个MAVLINK_CRC_EXTRA进行计算得到一个16位的校验码。每个消息的头文件里都包含MAVLINK_CRC_EXTRA，这个 MAVLINK_CRC_EXTRA是由生成mavlink代码的xml文件生成的，加入这个额外的东西是为了当飞行器和地面站使用不同版本的mavlink协议时，双方计算得到的校验码会不同，这样不同版本间的mavlink协议就不会在一起正常工作，避免了由于不同版本间通讯时带来的重大潜在问题。
三、协议支持的数据类型
MAVLink协议支持固定大小的整形数据类型、IEEE754协议规定的单精度浮点型数据，或由以上数据构成的数组（如：char[10]），以及由协议自动添加的MAVLink版本号。具体如下：
- char - Characters / strings
- uint8_t - Unsigned 8 bit
- int8_t - Signed 8 bit
- uint16_t - Unsigned 16 bit
- int16_t - Signed 16 bit
- uint32_t - Unsigned 32 bit
- int32_t - Signed 32 bit
- uint64_t - Unsigned 64 bit
- int64_t - Signed 64 bit
- float - IEEE 754 single precision floating point number
- double - IEEE 754 double precision floating point number
- uint8_t_mavlink_version - 无符号的8位字符自动补充到当前的mavlink版本，它不能被写入，只是读按照8位字符的方式读取。
四、性能
Mavlink协议有两方面的特性：传输速度快和安全性高。协议允许检验消息内容，同样允许检测丢失的消息序列且最少只需要每个包中6个字节的开销来保证。传输实例：
| 链接速度 | 硬件 | 更新速率 | 负载 | 浮点值 |
| 115200 baud | XBee Pro 2.4 GHz | 50 Hz | 224 bytes | 56 |
| 115200 baud | XBee Pro 2.4 GHz | 100 Hz | 109 bytes | 27 |
| 57600 baud | XBee Pro 2.4 GHz | 100 Hz | 51 bytes | 12 |
| 9600 baud | XBee Pro XSC 900 | 50 Hz | 13 bytes | 3 |
| 9600 baud | XBee Pro XSC 900 | 20 Hz | 42 bytes | 10 |
五、航点协议
航点协议描述了航点是如何发送和读取的。其目标是在发送端和接收端确保建立一种连续稳定的状态，以达到每个使用MAVLINK的MAV能够和QGC通信并交换或更新它的航点。
使用航点协议时，除了应答消息之外的其他信息在被发送之后，发送端的部件就会启动一个定时器。如果在特定的时间内，没有收到响应则请求的消息将会被重新发送一次。该重传过程会重复数次，如果在最后一次的重传超时后仍然没有收到相应，则认定该项事务失败。该重传机制意味着所有的部件必须能够处理重复的消息。
1. 读取MAV的航点列表
读取过程如下：
QGC端先发送一个WAYPOINT_REQUEST_LIST消息给MAV；MAV则会回一个WAYPOINT_COUNT消息，该消息描述了MAV的航点列表中航点的数量
QGC端发送一个WAYPOINT_REQUEST(WP0)的消息请求得到第1个航点的信息；MAV则会回对应的包含航点数据的消息WAYPOINT(WP0)
重复步骤2得到第2、3、4…直到最后一个航点的数据
当全部接收完所有的航点消息后，QGC端会发送一个WAYPOINT_ACK消息给MAV，用来表明整个读取过程结束了
整个过程如下图所示：
2. 写MAV的航点列表
写入过程为：
QGC先将航点列表中航点的数量以WAYPOINT_COUNT(N)消息发送给MAV；MAV则回应请求第1个航点的消息WAYPOINT_REQUEST(WP0)
QGC接收到第1个航点的请求消息后，将包含第1个航点的数据以WAYPOINT(WP0)消息发送给MAV；MAV收到后继续请求下一个航点的信息
当MAV接收到最后一个航点的信息后，MAV会向QGC发送一个WAYPOINT_ACK消息来表明整个事件的结束
整个过程如下图所示：
3. 清除MAV的航点列表
4. 设置当前MAV航点
六、参数的读写
1. 读取参数列表
2. 读取单个参数
单个参数可以通过PARAM_REQUEST_READ消息来读取
3. 写参数
七、增加新的mavlink消息
MAVLINK的消息是定义在XML文件中，再被转换成C/C++,C#或Python代码。以心跳消息为例对如何增加新的消息进行说明。
注意：心跳消息heartbeat是唯一必须被使用的消息，飞行器与地面站相连时，地面站通常是根据心跳消息来判断是否和飞行器失去了联系，所以飞行器端需要以一定频率发送这个心跳包（通常为1HZ）
1. XML文件中消息的定义
以下代码为在XML文件中心跳消息的定义，来自mavlink/message_definitions/common.xml
代码解读：
每条消息都是在
之间定义的 id="0"表示这条消息的ID或索引是数字0。消息ID的有效数字是从0~255，其中150~240是预留给用户来自定义消息的。
name="HEARTBEAT"是一个易读的消息名称，只用在定义代码中，消息传输时不会发送这个名字，消息本身只依赖于消息ID。
定义中的
表示消息的描述，消息的描述很重要，但不是必须的。消息的描述可以让用户明确该消息的含义和用途。 定义中的
表示消息的字段，类似于C中结构体的变量。消息的字段可以是有无符号的8位、16位、32位、64位的整型，也可以是单双精度的IEEE754浮点型。 type="uint8_t"表示该字段为无符号的8位整型。如果你想定义一个数组可以这样定义：type="uint8_t[5]" ,uint8_t_mavlink_version是一个特殊的类型，它是一个无符号的8位整型，用来表示当前使用的mavlink协议的版本号，该字段是只读的，当消息发送时会自动被填充。
2. 建立消息定义文件
如果你想建立一个单独的消息定义文件，就像commn.xml或其它位于message_definitions文件夹下的XML文件一样。你可以像下面代码一样定义，注意一定要包含版本号;如果这个XML文件和commn.xml位于同一个路径下，那么最终生成的MAVLINK代码中会包含commn.xml的内容。
3. 编绎XML文件
在完成消息定义文件后，它可被编绎成C代码，编绎步骤如下：
先下载一个代码生成器：GitHub - mavlink/mavlink: Marshalling / communication library for drones.
然后运行里面的mavgenerate.py，运行这个文件需要先安装Python2.7+:
http://rj.baidu.com/soft/detail/17016.html?ald
装载mavlink/message_definitions下的XML文件
选择输出路径，如mavlink/include
点击“Generate”
编绎完成后，以心跳消息为例，你会在相应的头文件中得到如下C结构体代码：
#define MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT 0
typedef struct __mavlink_heartbeat_t
{
uint32_t custom_mode; ///< Navigation mode bitfield, see MAV_AUTOPILOT_CUSTOM_MODE ENUM for some examples. This field is autopilot-specific.
uint8_t type; ///< Type of the MAV (quadrotor, helicopter, etc., up to 15 types, defined in MAV_TYPE ENUM)
uint8_t autopilot; ///< Autopilot type / class. defined in MAV_CLASS ENUM
uint8_t base_mode; ///< System mode bitfield, see MAV_MODE_FLAGS ENUM in mavlink/include/mavlink_types.h
uint8_t system_status; ///< System status flag, see MAV_STATUS ENUM
uint8_t mavlink_version; ///< MAVLink version
} mavlink_heartbeat_t;
也会自动生成相应的打包函数
/**
* @brief Pack a heartbeat message
* @param system_id ID of this system
* @param component_id ID of this component (e.g. 200 for IMU)
* @param msg The MAVLink message to compress the data into
*
* @param type Type of the MAV (quadrotor, helicopter, etc., up to 15 types, defined in MAV_TYPE ENUM)
* @param autopilot Autopilot type / class. defined in MAV_CLASS ENUM
* @param base_mode System mode bitfield, see MAV_MODE_FLAGS ENUM in mavlink/include/mavlink_types.h
* @param custom_mode Navigation mode bitfield, see MAV_AUTOPILOT_CUSTOM_MODE ENUM for some examples. This field is autopilot-specific.
* @param system_status System status flag, see MAV_STATUS ENUM
* @return length of the message in bytes (excluding serial stream start sign)
*/
static inline uint16_t mavlink_msg_heartbeat_pack(uint8_t system_id, uint8_t component_id, mavlink_message_t* msg,
uint8_t type, uint8_t autopilot, uint8_t base_mode, uint32_t custom_mode, uint8_t system_status)
/**
* @brief Encode a heartbeat struct into a message
*
* @param system_id ID of this system
* @param component_id ID of this component (e.g. 200 for IMU)
* @param msg The MAVLink message to compress the data into
* @param heartbeat C-struct to read the message contents from
*/
static inline uint16_t mavlink_msg_heartbeat_encode(uint8_t system_id, uint8_t component_id, mavlink_message_t* msg, const mavlink_heartbeat_t* heartbeat)
当然也会生成解析函数
**
* @brief Decode a heartbeat message into a struct
*
* @param msg The message to decode
* @param heartbeat C-struct to decode the message contents into
*/
static inline void mavlink_msg_heartbeat_decode(const mavlink_message_t* msg, mavlink_heartbeat_t* heartbeat)
八、消息的发送与解析
以心跳包为例，对如何发送消息和解析消息进行说明，首先打开mavlink_msg_heartbeat.h头文件，在这个头文件中包含了结构体的定义，打包函数，发送函数，接收函数和解析函数。我们通常要使用的是发送函数和接收函数。以下为发送函数
static inline void mavlink_msg_heartbeat_send(mavlink_channel_t chan, uint8_t type, uint8_t autopilot, uint8_t base_mode, uint32_t custom_mode, uint8_t system_status)
{
#if MAVLINK_NEED_BYTE_SWAP || !MAVLINK_ALIGNED_FIELDS //采用大端模式，则需要进行byte swap
char buf[MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT_LEN];
_mav_put_uint32_t(buf, 0, custom_mode);
_mav_put_uint8_t(buf, 4, type);
_mav_put_uint8_t(buf, 5, autopilot);
_mav_put_uint8_t(buf, 6, base_mode);
_mav_put_uint8_t(buf, 7, system_status);
_mav_put_uint8_t(buf, 8, 3);
#if MAVLINK_CRC_EXTRA
_mav_finalize_message_chan_send(chan, MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT, buf, MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT_LEN, MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT_CRC);
#else
_mav_finalize_message_chan_send(chan, MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT, buf, MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT_LEN);
#endif
#else // 小端模式（mavlink默认的模式）
mavlink_heartbeat_t packet;
packet.custom_mode = custom_mode;
packet.type = type;
packet.autopilot = autopilot;
packet.base_mode = base_mode;
packet.system_status = system_status;
packet.mavlink_version = 3;
#if MAVLINK_CRC_EXTRA
_mav_finalize_message_chan_send(chan, MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT, (const char *)&packet, MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT_LEN, MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT_CRC);// 将消息完整打包并发送
#else
_mav_finalize_message_chan_send(chan, MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT, (const char *)&packet, MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT_LEN);
#endif
#endif
}
接下来进入打包发送函数，该函数位于mavlink_helper.h中
#if MAVLINK_CRC_EXTRA//默认
MAVLINK_HELPER void _mav_finalize_message_chan_send(mavlink_channel_t chan, uint8_t msgid, const char *packet, uint8_t length, uint8_t crc_extra)
#else
MAVLINK_HELPER void _mav_finalize_message_chan_send(mavlink_channel_t chan, uint8_t msgid, const char *packet, uint8_t length)
#endif
{
uint16_t checksum;
uint8_t buf[MAVLINK_NUM_HEADER_BYTES];
uint8_t ck[2];
mavlink_status_t *status = mavlink_get_channel_status(chan);
buf[0] = MAVLINK_STX; // 加入STX
buf[1] = length; // 加入LEN
buf[2] = status->current_tx_seq; // 加入SEQ
buf[3] = mavlink_system.sysid; // 加入SYS
buf[4] = mavlink_system.compid; // 加入COMP
buf[5] = msgid; // 加入MSG
status->current_tx_seq++; // 消息序列号加1
checksum = crc_calculate((const uint8_t*)&buf[1], MAVLINK_CORE_HEADER_LEN);//计算非载荷的CRC校验码（不包含STX）
crc_accumulate_buffer(&checksum, packet, length);//计算载荷的CRC校验码
#if MAVLINK_CRC_EXTRA
crc_accumulate(crc_extra, &checksum);// 计算crc_extra的CRC校验码
#endif
ck[0] = (uint8_t)(checksum & 0xFF);// 低8位CRC校验码
ck[1] = (uint8_t)(checksum >> 8); // 高8位CRC校验码
MAVLINK_START_UART_SEND(chan, MAVLINK_NUM_NON_PAYLOAD_BYTES + (uint16_t)length);// 空宏，无作用
_mavlink_send_uart(chan, (const char *)buf, MAVLINK_NUM_HEADER_BYTES);//向串口发送载荷之前的部分
_mavlink_send_uart(chan, packet, length);//发送载荷部分
_mavlink_send_uart(chan, (const char *)ck, 2);// 发送CRC校验码
MAVLINK_END_UART_SEND(chan, MAVLINK_NUM_NON_PAYLOAD_BYTES + (uint16_t)length);// 空宏，无作用
}
到此，一个消息就发送完毕，接下来进入接收端的解析过程，消息的解析函数也位于mavlink_helper.h中（由于该函数太长，故略）。
MAVLINK_HELPER uint8_t mavlink_parse_char(uint8_t chan, uint8_t c, mavlink_message_t* r_message, mavlink_status_t* r_mavlink_status)
1
注意：解析时，会对从串口收到的每一个字节进行识别，如果为STX，则开始进行消息解码，将其以及此后的每个字节都存入一个消息结构体中，并计算对应的CRC校验码。如果最后的CRC校验码能匹配上，则将整个消息的数据存入r_message结构体中，如果解析完成一个消息，则会返回一个真值；然后继续检验字节是否为STX，循环解析。
解析完成后，可以对r_messsage结构体中的信息进行识别，r_message结构体就是相当于一个消息帧，包含了消息帧的所有信息：
typedef struct __mavlink_message {
uint16_t checksum; ///< sent at end of packet
uint8_t magic; ///< protocol magic marker 是STX
uint8_t len; ///< Length of payload
uint8_t seq; ///< Sequence of packet
uint8_t sysid; ///< ID of message sender system/aircraft
uint8_t compid; ///< ID of the message sender component
uint8_t msgid; ///< ID of message in payload
uint64_t payload64[(MAVLINK_MAX_PAYLOAD_LEN+MAVLINK_NUM_CHECKSUM_BYTES+7)/8];// 除以8是因为uint64是8个字节的
} mavlink_message_t;
如果r_message中的msgid == MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT,则可调用mavlink_msg_heartbeat.h头文件中的接收函数去得到相应要得到的变量，如
static inline uint8_t mavlink_msg_heartbeat_get_system_status(const mavlink_message_t* msg)
{
return _MAV_RETURN_uint8_t(msg, 7);
}
调用该函数即可得到system_status,要得到其它变量的信息直接调用相关函数即可，至此，所有的发送和接收完成。
九、通用的Mavlink消息
可在这里查看：Common MAVLink Message Documentation
在该网页中，包含了mavlink type的枚举和mavlink message，所有的消息编号也即ID，是以蓝色#加数字来表示的
参考资料
MavLink官方网站：http://qgroundcontrol.org/mavlink/start
Mavlink协议理解Pixhawk APM Mavlink协议理解Pixhawk APM（一）_super_mice的专栏-CSDN博客_mavlink协议
Mavlink-最强大的微型飞行器通信协议 提示信息 爱无人机论坛
维基百科：https://en.wikipedia.org/wiki/MAVLink
Mavlink微型飞行器的通信协议 MAVLink微型飞行器的通信协议 - 百度文库