📚 课程目录第4章 MAVLink协议与地面站通信

4. MAVLink协议与地面站通信

MAVLink 是 ArduPilot 与地面站、机载伴飞计算机、云台、遥控链路之间最核心的通信协议。它是一套轻量级的二进制消息协议，采用“帧头 + 载荷 + 校验”的结构，在低带宽数传链路上也能稳定传输飞控状态、参数、任务和指令。理解 MAVLink 的消息格式与几类关键协议，是后续调参、日志分析和二次开发的基础。

MAVLink 消息格式

MAVLink 目前主流使用 v2.0，同时兼容 v1.0。一帧 MAVLink v2 消息由以下字段顺序组成：起始标志 0xFD、载荷长度、不兼容标志、兼容标志、序列号、系统 ID（SysID）、组件 ID（CompID）、24 位消息 ID（MsgID）、最多 255 字节的载荷，以及末尾 2 字节 CRC 校验。v1.0 的帧头为 0xFE，消息 ID 只有 8 位。CRC 计算时会在消息定义中附加一个“CRC 种子”，用于区分不同消息，防止错误解析。

载荷字段按小端序排列，并按字段长度从大到小重排（字段重排是 MAVLink 的规范，用于对齐）。例如 HEARTBEAT 消息载荷包含：custom_mode（uint32）、type（uint8）、autopilot（uint8）、base_mode（uint8）、system_status（uint8）、mavlink_version（uint8）。理解字段类型和顺序，才能正确用 pymavlink 解析或构造消息。

心跳包与系统状态

HEARTBEAT（消息 ID 0）是 MAVLink 的“生命信号”，飞控以约 1 Hz 频率广播。它携带 type（载具类型，如四旋翼为 2）、autopilot（ArduPilot 为 3）、base_mode（解锁、手动/自动等标志位）、custom_mode（ArduPilot 自定义飞行模式）、system_status（如 STANDBY、ACTIVE、CRITICAL）。地面站通过心跳判断链路是否在线、飞控是否解锁、当前处于何种飞行模式。若地面站长时间收不到心跳，会提示“No heartbeat”并禁止解锁。

参数协议

参数读写使用 PARAM_REQUEST_LIST、PARAM_REQUEST_READ、PARAM_SET 和 PARAM_VALUE 四条消息。地面站连接后通常先请求全部参数列表，飞控逐条回传 PARAM_VALUE，其中包含参数名（16 字节）、参数值（float）、参数类型和索引。修改参数时发送 PARAM_SET，飞控写入后回传新的 PARAM_VALUE 作为确认。调参时常见的 ATC_RAT_RLL_P、WPNAV_SPEED 等都属于这一协议。

任务协议

任务（Mission）协议用于上传、下载和清空航线。核心消息包括 MISSION_COUNT、MISSION_REQUEST_INT、MISSION_ITEM_INT、MISSION_ACK。典型上传流程是：地面站发送 MISSION_COUNT 告知航点总数，飞控逐条请求，地面站逐条发送 MISSION_ITEM_INT（含经纬度、高度、命令类型、参数 1~4），最后飞控回 MISSION_ACK 表示接收完成。任务协议还支持 MISSION_CLEAR_ALL 清空当前任务。

Mission Planner 与 QGroundControl 连接

Mission Planner 运行在 Windows 上，连接方式通常选择右上角下拉框中的 COM 口（USB 直连）或 UDP。使用数传时，飞控通过串口连接数传电台，地面端电台以 USB 转串口接入电脑，选择对应 COM 口、波特率 57600 即可。若通过 MAVProxy 转发，可在 Mission Planner 中选择 UDP，端口 14550。连接成功后，飞行数据页会显示姿态、GPS、电压等实时信息，参数页可加载全部参数。

QGroundControl 跨平台，连接逻辑类似：在“通信设置”中添加串口或 UDP 链路。默认 UDP 监听端口为 14550。连接后可在“参数”页搜索并修改参数，在“计划”页绘制航线并上传。两者都遵循同一套 MAVLink 协议，因此同一飞控可被任一地面站控制，但不要同时用两个地面站写参数，以免冲突。

使用 MAVProxy 与 pymavlink 收发自定义消息

MAVProxy 是命令行地面站，适合脚本化和转发。启动示例：

mavproxy.py --master=/dev/ttyUSB0 --baud=57600 --out=udp:127.0.0.1:14550

该命令从串口读取飞控数据，并转发到本机 UDP 14550，供 Mission Planner 或 QGC 使用。在 MAVProxy 交互界面中，可用 status 查看状态，param show ATC_RAT_RLL_P 查看参数，module load graph 加载绘图模块。

pymavlink 是 Python 库，适合编写自定义收发程序。下面示例连接 UDP 14550，等待心跳，并发送一条自定义 STATUSTEXT 消息：

from pymavlink import mavutil

master = mavutil.mavlink_connection('udp:127.0.0.1:14550')
master.wait_heartbeat()
print("Heartbeat from system", master.target_system)

master.mav.statustext_send(
    mavutil.mavlink.MAV_SEVERITY_INFO,
    b"Hello from pymavlink"
)

while True:
    msg = master.recv_match(blocking=True)
    if msg and msg.get_type() == 'HEARTBEAT':
        print("mode:", msg.custom_mode, "armed:", msg.base_mode & 128)

若要发送自定义消息，可在 MAVLink 消息定义中新增一条消息，重新生成 Python 库，或使用 master.mav.send() 构造 MAVLink_message。更常见的做法是使用 DEBUG_VECT、NAMED_VALUE_FLOAT 或 STATUSTEXT 这类通用消息承载自定义数据，避免修改协议定义。

调试建议：先用 mavlink_connection 的 recv_match 打印消息类型，确认链路正常；再逐步加入参数读写和任务上传。若收不到心跳，检查波特率、端口和防火墙。

注意：MAVLink v2 的 MsgID 为 24 位，v1 为 8 位。混用版本时，地面站需开启自动协商。修改参数后应等待 PARAM_VALUE 回传确认，不要连续快速写入同一参数。

掌握消息格式、心跳、参数和任务四类协议后，就能用地面站完成日常调参，也能用 MAVProxy 和 pymavlink 构建自动化测试与自定义数据链路，为后续深入开发打下基础。