MavLink通信协议 C++应用详细教程

MavLink C++应用教程

0.前言

网上的各类MavLink通信协议教程，往往只对协议本身进行介绍，而不对开发中如何应用进行详述。有介绍应用的往往也都浅尝辄止，讲完HeartBeat然后就让你自己触类旁通。笔者在自学时遇到了不少困难，一步步摸爬滚打后，总算对其有了一定的认识，在这里将心得与大家分享。

如果你读到这篇博文，说明你至少已经对MavLink有了一定了解，其各种特征笔者就不再赘述了，但是值得一提的是，MavLink通信协议是与通信方式密切相关的，本文仅介绍MavLink协议的应用，并不会介绍通信链路相关的知识。根据你的应用场景，可能会需要串口通信、TCP、UDP等不同通信方式，本文会对不同通信方式下使用MavLink协议的差异略作介绍，但不会详述。

博文所介绍的内容均为本人个人理解，可能会有错误、纰漏，因此仅供交流、讨论。如因参照本人的方法导致开发出现了各种问题，本人概不负责。

本文主要章节：

第一章介绍使用mavlink协议前的准备

第2章主要介绍处理接收的mavlink消息的相关问题

第3章主要介绍发送mavlink消息的相关问题

1.开始前的准备

1.1开发环境

本文使用visual studio 2019作为开发工具，C++为程序语言。

mavlink库配置教程参考我的另一篇博文。

1.1在项目中包含mavlink库

1. 在vs2019开发环境中使用mavlink通信协议，首先需要将下载好的mavlink库添加至项目包含目录。

   即项目->属性->配置属性->VC++目录->包含目录->选择你的文件路径，如下图，然后点击确定，应用。

2. 然后在头文件中包含如下文件

#include

接下来就可以在项目使用mavlink库提供的功能了。

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1.2根据通信方式预处理数据（串口/TCP/UDP/…）

1.2.1 接收mavlink消息时的预处理

这一步一般在教程中极少提到，但在实际应用中却极为重要。我们使用通信协议一定是为了通信服务的，那就不可避免的涉及各种不同的通信方式。不论是哪种通信方式，你所接收到的数据几乎都无法直接拿来进行解析。因为mavlink库提供的消息解析功能需要的是mavlink_message_t这种数据类型，而我们通过各种串口获得的数据类型千奇百怪，可能是各种uint，可能是各种string或char*，这就需要我们先统一将其转为mavlink能操作的数据类型。

找到官方的mavlink_message_t的定义如下，可以看到其基本单元就是8位无符号整型(uint8_t/unsigned char)，也就是1字节。

MAVPACKED(
typedef struct __mavlink_message {
	uint16_t checksum;      ///< sent at end of packet
	uint8_t magic;          ///< protocol magic marker
	uint8_t len;            ///< Length of payload
	uint8_t incompat_flags; ///< flags that must be understood
	uint8_t compat_flags;   ///< flags that can be ignored if not understood
	uint8_t seq;            ///< Sequence of packet
	uint8_t sysid;          ///< ID of message sender system/aircraft
	uint8_t compid;         ///< ID of the message sender component
	uint32_t msgid:24;      ///< ID of message in payload
	uint64_t payload64[(MAVLINK_MAX_PAYLOAD_LEN+MAVLINK_NUM_CHECKSUM_BYTES+7)/8];
	uint8_t ck[2];          ///< incoming checksum bytes
	uint8_t signature[MAVLINK_SIGNATURE_BLOCK_LEN];
}) mavlink_message_t;

因此我们必须将串口接收到的千奇百怪的数据类型转换为以uint8/unsigned char为基本单元的形式，一般是将串口接收到的消息转换成一个uint8数组。本文无法对每种转换具体操作详细说明，读者可以自行在网上找到各种数据类型转换的方法。建议转换之后先自己print/cout/…验证一下，正确的输出应为形如0xff这样的格式或0-255之间的整数。

转换成uint8_t/uint8_t数组后预处理就算完成了，将这些单字节数据进一步解析为mavlink消息的过程将在章节2.3继续完成。

1.2.2 发送mavlink消息时的预处理

有了前文对接收时预处理的理解，这里的操作就简单多了。mavlink库提供了功能函数mavlink_msg_to_send_buffer()，该函数可以将mavlink_message_t转换为uint8_t数组并返回其指针。因此只要使用此函数然后再将uint8_t转换为你要发送的格式即可。往往直接发送该uint8_t数组即可，毕竟接收方也是要解析此数据将其转为mavlink_message_t的。

2.接收mavlink消息

首先给出解析一个最简单的heartbeat消息的流程

	mavlink_status_t status;
    mavlink_message_t rmsg;
    uint8_t chan = MAVLINK_COMM_0;
   	for (int i = 0; i <len; i++)
    {
		if (mavlink_parse_char(chan, buffer[i], &rmsg, &status) == 1)
        {
            switch (rmsg.msgid)
            {
            case MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT:
                mavlink_heartbeat_t heartbeat;
                mavlink_msg_heartbeat_decode(&rmsg, &heartbeat);
                std::cout() << "type:" << (int)heartbeat.type << endl;
                break;
             default:
                break;
            }
		}

2.1 接收并存储mavlink消息

接下来我们来逐步分析

1. mavlink_parse_char(uint8_t chan, uint8_t c, mavlink_message_t* r_message, mavlink_status_t* r_mavlink_status)是解析mavlink消息的核心。

   • 第一个参数的官方解释：mavlink利用channel实现在同一个程序中同时处理多个独立的mavlink流。mavlink库提供的所有接收和发送功能都需要一个channel，因此为每个操作使用正确的channel是很重要的。可以看出，chan不是物理上的串口1串口2，而是逻辑上的channel。这点我也没有很深入的了解，只知道在仅有一条mavlink流时，取MAVLINK_COMM_0是可行的。
   • 第二个参数就是该函数每次会解析的一个字节。
   • 当解析完成后，会将解析结果的内容返回给第3个数据类型为mavlink_message_t的参数。
   • 并会将解析状态返回给第4个数据类型为mavlink_status_t的参数。

   解析完成后该函数会返回一个uint8_t值，如果成功解析则返回1，解析失败则返回0

2. 因此我们需要准备这四个参数。

   	uint8_t chan = MAVLINK_COMM_0;//第一个参数，默认取该值
   	uint8_t* buffer;//这是你接收到的原始信息，并按照2.2.1章节将其转化为了uint8_t数组形式
       mavlink_message_t rmsg;//第三个参数，用于存储解析完成的内容
   	mavlink_status_t status;//第四个参数，用于存储解析状态
   

3. for循环的意图就是把你接收到的所有信息都送来解析，len就是你所接收到信息的字节长度。然后把上述几个参数传入该函数，等待解析。当解析成功，即返回值=1时，继续执行进一步的操作。

   for (int i = 0; i <len; i++)
       {
   		if (mavlink_parse_char(chan, buffer[i], &rmsg, &status) == 1)
           {
           //进一步操作
           }
   	}
   

2.2对解析出的mavlink_message_t消息进行进一步操作

成功解析出mavlink消息后，我们要区分该消息的类型，依据不同的消息执行不同的操作。该部分代码即上文中"进一步操作“位置处的代码。

switch (rmsg.msgid)
            {
            case MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT:
                mavlink_heartbeat_t heartbeat;
                mavlink_msg_heartbeat_decode(&rmsg, &heartbeat);
                std::cout() << "type:" << (int)heartbeat.type << endl;
                break;
             default:
                break;

1. 判断mavlink消息类型，即判断msgid。
2. mavlink的消息类型是用数字编号的，但一般不会直接用数字，用其枚举名即可。定义的枚举名的格式均为MAVLINK_MSG_ID_ABC
3. 根据消息类型进行进一步解析，比如判断出了消息id是MAVLINK_MSG_ID_ABC，那么利用对应的解析函数mavlink_msg_abc_decode()进行解析，里面的参数很明显，第一个是要解析的mavlink_message，第二个是保存解析后的信息的，这个参数的数据类型名称为mavlink_abc_t。
4. 此时以mavlink_abc_t为数据类型的变量即已包含了最终可读的信息。这个数据类型本质上是一个结构体，包含了各种信息，建议转到mavlink_abc_t的定义详细查看其提供的参数的数据类型及单位等信息，避免误用。例如惯性思维会认为roll pitch yaw为角度制，但实际上进入mavlink_attitude_t的定义中可以看到，其使用的是弧度制。

2.3 常用的mavlink消息

• mavlink_heartbeat_t 心跳包，用于确认无人机与地面站之间保持着通信连接
• mavlink_attitude_t 储存着姿态角、角速度信息
• mavlink_gps_raw_int_t 储存着gps相关信息，包括经纬高（wgs84坐标系下），gps精度等信息
• mavlink_battery_status_t 电池状态，包括电压、容量等信息
• mavlink_vfr_hud_t 储存着空速地速高度、爬升率、节气门等信息

3. 发送mavlink消息

同样先给出发送mavlink消息的通用流程

    mavlink_message_t msg_t;
    int len = mavlink_msg_mission_count_pack(255, 1, &msg_t, 1, 0, 5, MAV_MISSION_TYPE_MISSION);
    buf = new uint8_t[len];
    mavlink_msg_to_send_buffer(buf, &msg_t);
	//接下来把buf送到串口发送即可

3.1打包消息

发送消息的核心就是把你要发送的信息（也就是payload部分）打包成符合mavlink协议的数据格式。

打包使用的函数名为mavlink_msg_abc_pack，该函数会将信息打包为mavlink_message_t数据格式，函数的返回值是该信息所占的总长度（Byte）。

函数使用的参数就是你要打包的所有信息，根据你要发送的信息不同，使用的参数也是不同的。

发送的消息主要可分为一下几类，

• command，指令消息，其函数名为mavlink_msg_command_long_pack
• mission，任务相关的消息，其函数名为mavlink_msg_mission_abc_pack
• set，设置相关参数，其函数名为mavlink_msg_set_abc_pack

打包成mavlink_message_t数据格式后，再使用mavlink_msg_to_send_buffer(uint8_t*,const mavlink_message_t*)，将其存储到字节数组中，便于发送至串口。

3.2常用通用参数含义及介绍

发送消息涉及的参数众多，在使用时建议转到定义处详细查看各参数的含义，避免误用。这里主要介绍常用的参数。

一般打包都需要如下几个参数：

• system_id发送端的系统id；target_system目标（接收端）的系统id。系统id是用来区分系统中的不同个体的，常用于多机编队中，因为此时需要详细确认发送方和接收方的身份。如3机编队，那么可以分别给其编号为1、2、3用于区分，并给地面站编号4。mavlink最多允许一个系统中存在255个id。如果只是单地面站操作单架无人机，那么这个编号就显得不是那么重要了。
• component_id发送组件的id；target_component目标组件id，这是用来区分同一个体中不同组件的，如区分地面站cpu发给机载gpu，或地面站cpu发给机载imu。这个id可以明确消息的发送源和接收方。0代表发送给目标系统的所有组件。

3.3mission相关参数介绍

mission系列的消息主要就是航线任务相关的消息。例如

• mission_count：总的任务点（航点）数量

• mission_item：具体每个航点的信息

• 自动补全时你还会看到如mission_item_int,mission_xxx_long的消息，其最后的int,long就是指数据类型，例如mission_item消息里的参数使用的是float，而mission_item_int使用的是int，由于浮点数在不同的平台存在数据精度问题，推荐使用int、long等形式的信息。

• mission_request：请求获取目标的任务信息

• mission_ack：任务状态，如任务成功接收，任务接收失败，失败原因：缺少参数。

• mission_current：当前目标航点

• mission_item_reached：上一个到达的航点

• mission_change，mission_clear_all：任务改变，清空任务。

想向无人机上传航线任务有一个具体的流程，可参考其他教程学习该流程，本文不再详述流程，主要介绍上传各个消息时可能用到的参数。

• mission_type：任务类型，官方原版mavlink提供了如航点，地理围栏等任务类型，其有如下几个枚举值。一般航点使用的是MAV_MISSION_TYPE_MISSION。

  typedef enum MAV_MISSION_TYPE
  {
     MAV_MISSION_TYPE_MISSION=0, /* Items are mission commands for main mission. | */
     MAV_MISSION_TYPE_FENCE=1, /* Specifies GeoFence area(s). Items are MAV_CMD_NAV_FENCE_ GeoFence items. | */
     MAV_MISSION_TYPE_RALLY=2, /* Specifies the rally points for the vehicle. Rally points are alternative RTL points. Items are MAV_CMD_NAV_RALLY_POINT rally point items. | */
     MAV_MISSION_TYPE_ALL=255, /* Only used in MISSION_CLEAR_ALL to clear all mission types. | */
     MAV_MISSION_TYPE_ENUM_END=256, /*  | */
  } MAV_MISSION_TYPE;
  

• seq：你的任务有10个航点那么这10个航点的序号依次是0,1,2,3,4,…,9

• frame：航点等使用的坐标系，如绝对gps坐标，使用相对高度的gps坐标，相对xyz坐标等等，详细可查看MAV_FRAME的枚举值。例如常用的MAV_FRAME_GLOBAL_RELATIVE_ALT=3，这个坐标系是指使用gps的经纬度坐标，但是高度使用相对home的相对高度而不是gps高度。

• command：指令，如起飞MAV_CMD_NAV_TAKEOFF，着陆MAV_CMD_NAV_LAND，普通航点MAV_CMD_NAV_WAYPOINT，建议详细查看MAV_CMD的枚举值。mav_cmd还决定了你的消息需要的其他参数，务必详细阅读其注释。

• autocontinue：飞过当前任务点后是否自动飞向下一个任务点。（个人测试1为自动继续，0为不继续，不确定，建议自行测试）

• xyz：坐标值，取决于你选取的frame，需注意在使用mission_item和mission_item_int时，前者的xyz使用的是float类型；而后者xyz是int数据类型，有时需要用原始值*10^7，务必详细阅读你使用的消息的定义、坐标系定义、指令定义。

3.4 其他参数

除了mission系列的消息，还经常需要地面站上传设置指令，如设置mode，这既可以通过mavlink_msg_command_long_pack，设置其中的command参数为MAV_CMD_DO_SET_MODE打包上传，也可以通过mavlink_msg_set_mode_pack(…)打包上传。根据官方说明，推荐使用MAV_CMD_DO_SET_MODE设置

mode包含base mode和custom mode。在接收到心跳包时就可以明确当前的base mode和custom mode值。base mode可查看MAV_MODE的枚举值，而custom mode对不同的无人机是不同的，一个不成熟的测试方法是依次设置custom mode，根据返回的heartbeat信息确定custom mode值对应的含义。

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