MAVProxy

В конце 2000-х годов распространение недорогих микроконтроллеров и готовых автопилотов сделало доступной сборку небольших квадрокоптеров и самолётов с автономным полетом^[3]. Для настройки, планирования заданий и наблюдения за полетом такой аппарат требует наземной станции управления — компьютера с программой, принимающей телеметрию и отправляющей команды^[4]. Австралийская команда CanberraUAV готовила к соревнованиям беспилотных систем Outback Challenge аппарат на базе открытого автопилота ArduPilot и параллельного вычислителя Pandaboard; для его обслуживания была написана консольная станция MAVProxy, умевшая работать с несколькими каналами связи одновременно^[1][5].

В октябре 2012 года CanberraUAV выиграла соревнования Outback Challenge с аппаратом на плате APM2 и вычислителе Pandaboard, продемонстрировав связку автопилота, бортового компьютера и наземной станции в дальнем полете^[5]. К этому моменту исходный код станции уже был открыт: репозиторий MAVProxy на GitHub создан 2 мая 2012 года^[6], проект распространялся на условиях GNU GPL версии 3 и новее^[2]. Название программы отражает первоначальный замысел — «прокси» протокола MAVLink, посредник между бортом и потребителями телеметрии^[2]. В сентябре 2014 года Триджелл и CanberraUAV выиграли Outback Challenge второй раз — уже с самолётом на базе ArduPilot, что закрепило за связкой автопилота и консольной станции репутацию решения для дальних автономных полетов^[5]. Открытая прошивка с платами APM к этому времени стала массовой основой самодельных аппаратов: второе поколение платы вышло в 2011 году, версии APM2.5/2.6 — в 2012-м, а энтузиасты публиковали автотестеры прошивок и сторонние наземные станции^[5].

После соревнований MAVProxy сохранила самостоятельную жизнь в составе экосистемы ArduPilot: документация проекта описывает её как полнофункциональную наземную станцию для любой автономной системы с поддержкой MAVLink^[1]. Развитие самой экосистемы совпало по времени с ростом станции: в январе 2013 года код ArduPilot был перенесён с Google Code на GitHub, в октябре 2014 года сложилась ассоциация Dronecode, объединившая разработчиков MAVLink-проектов под эгидой Linux Foundation^[5]. MAVProxy при этом осталась проектом сообщества: мейнтейнеры координируют работу через публичный чат, а ведущие направления закреплены за конкретными разработчиками — от ядра под Windows до сборок под macOS^[2]. Ведущими разработчиками после Эндрю Триджелла и Питера Баркера стали мейнтейнер Windows Стивен Дейд и мейнтейнер macOS Рис Майнваринг; обсуждение разработки ведётся в канале проекта на сервере Discord^[2]. Документация отмечает, что многие функции, которые пользователи видят сегодня в других наземных станциях, берут начало в MAVProxy^[1].

Программа выросла из средства соревновательной команды в универсальный инструмент: она включена в штатную документацию ArduPilot, поставляется готовыми сборками для основных операционных систем и применяется как отладочный хаб при разработке прошивок и бортовых вычислителей^[1]. Отдельным направлением стало использование станции в учебных проектах по сборке дронов: литература по любительскому дроностроению описывает MAVLink-инструменты как стандартный способ наблюдения за телеметрией самодельного аппарата^[7].

MAVProxy общается с бортовой аппаратурой по протоколу MAVLink — бинарному протоколу информационного взаимодействия между аппаратом (MAV) и станцией наземного управления (GCS)^[8][9]. Базовой сущностью протокола является пакет длиной от 8 до 263 байт^[10][8]. В нём передаются признак начала сообщения (STX), длина полезной нагрузки (LEN), счётчик пакетов (SEQ), идентификаторы отправляющей системы (SYS) и компонента (COMP), тип сообщения (MSG), полезная нагрузка (PAYLOAD) и два байта контрольной суммы (CKA, CKB). Счётчик пакетов помогает выявлять потери сообщений в канале, а идентификатор системы у станций наземного управления по обычаю сообщества равен 255^[10]. Протокол допускает обмен между несколькими системами и компонентами: каждая станция и каждое бортовое устройство получают собственные идентификаторы^[9]. Служебное сообщение heartbeat подтверждает присутствие участника в сети: по регулярности этих сообщений участники узнают о появлении и отключении систем, а на радиотелеметрии их рассылают с частотой около одного герца^[9][11]. MAVLink развивается в двух мажорных версиях — v1.0 и v2.0, причём вторая обратно совместима с первой: реализации v2.0 читают и посылают пакеты обоих форматов^[9]. Потоки телеметрии передаются в групповом режиме без подтверждений, а операции, требующие гарантированной доставки, — загрузка заданий, обмен параметрами, команды — выделены в отдельные протоколы-«микросервисы»: миссии, параметров, команд, ручного управления, камеры и стабилизатора камеры^[9]. Протокол создан Лоренцем Майером и впервые выпущен в 2009 году; сеть MAVLink допускает до 255 одновременных систем — аппаратов, станций и бортовых устройств^[12]. Пакеты защищаются контрольной суммой, а разбор потока удобно вести в анализаторе сетевых пакетов Wireshark^[10].

Новые сообщения протокола описываются на языке XML в файлах-диалектах, из которых генераторы mavgen и mavgenerate собирают библиотеки для конкретных языков программирования^[8]. Словарь сообщений разделён на наборы: минимальный каркас, общий набор common, набор development для экспериментальных сообщений и сводные файлы всех диалектов^[9]. Такой подход позволяет добавить в протокол собственные команды, не ломая совместимость со стандартным словарём сообщений^[8].

Станция запускается командой mavproxy.py из командной строки и подключается к полетному контроллеру через последовательный порт, USB, сеть UDP или TCP^[13]. Список опций запуска охватывает выбор источника данных (--master) и его скорость (--baudrate), адресатов телеметрии (--out), подключение к симулятору (--sitl)^[13]. Отдельные опции задают частоту запроса телеметрических потоков (--streamrate), идентификаторы станции в сети MAVLink (--source-system, --target-system), файл журнала и каталог проекта (--aircraft)^[13]. Повторяемую конфигурацию сохраняют в файле mavinit.py: он выполняется при каждом старте станции и задаёт привычные модули и настройки^[13]. Если к компьютеру подключён один автопилот, опцию --master можно опустить: станция сама обнаружит порт, а поток можно вещать широковещательным UDP на всю локальную сеть^[14]. Типовой запуск выглядит так: mavproxy.py --master=/dev/ttyUSB0 --baudrate=57600 --out=udp:192.168.1.10:14550 — станция открывает последовательный порт телеметрического модема и дублирует поток в сеть^[13]. В полете станция принимает поток телеметрии — координаты, высоту, скорость, состояние бортовых систем, — а также отправляет команды: переключение режимов полета, загрузку заданий, запросы параметров^[1][4].

Для управления БПЛА, помимо аппаратуры радиоуправления частотой 2,4 ГГц, применяется и телеметрия MAVLink: через станцию оператор подает команды и получает данные с борта, а полетный контроллер объединяет сигналы приемника и телеметрического канала^[3].

Ключевая функция MAVProxy — пересылка полученных MAVLink-сообщений другим потребителям^[1]. Станция принимает поток с борта и дублирует его по сети UDP или TCP на несколько адресов: так к одному аппарату одновременно подключаются графическая станция на ноутбуке, карта на планшете и другие инструменты^[15]. Один и тот же поток направляется нескольким получателям сразу — резервной станции, планшету пилота, системе протоколирования. Возможна и обратная ситуация: несколько каналов связи с бортом — радиомодем, Wi-Fi, бортовой канал сотовой сети — сходятся в MAVProxy, которая объединяет их в один логический линк^[1].

Подобная архитектура повторяет организацию наземного пункта управления БПЛА, описанную в инженерной литературе: станция управления собирает телеметрическую информацию, вырабатывает команды и распределяет данные между потребителями^[4][16]. Вся принятая телеметрия автоматически записывается в журнал mav.tlog: файлы используются для разбора полёта после посадки и повторного проигрывания, а опция --aircraft раскладывает журналы по именным папкам с датами^[17].

Основной интерфейс MAVProxy — текстовая консоль: команды набираются в командной строке, телеметрия выводится в текстовом виде, а модуль консоли дополняет ввод подсказками по клавише табуляции^[1]. Такой формат считается «станцией разработчика»: он ориентирован на отладку, автоматизацию и повторяемые сценарии, а не на наблюдение за полетом глазами оператора^[1]. При этом MAVProxy рассчитана на совместную работу с графическими наземными станциями — Mission Planner, APM Planner 2, QGroundControl: станция-прокси предоставляет им поток данных, а графическая оболочка отображает его оператору^[1].

Возможности станции расширяются загружаемыми модулями на Python^[18]. Часть модулей стартует вместе со станцией по умолчанию^[18]. Это обработка данных ADS-B, армирование и дезармирование двигателя, контроль батареи, калибровка, управление геозоной (fence), передача файлов по FTP, построение графиков, управление каналами связи, журнал и режимы полета^[18]. Отдельные модули ведут вывод MAVLink, параметры, точки ожидания (rally), обработку команд пульта, реле, подписание сообщений, рельеф местности и работу с путевыми точками^[18]. Галерея подключаемых модулей шире^[18]: слежение за воздушными и морскими целями, наведение антенны, просмотр камеры, чат, контрольные списки, журналы DataFlash, прямая работа с шинами SPI и I²C, дифференциальный GPS^[18]. Дополнительно доступны управление прошивкой, «ложный GPS» и режим следования за оператором^[18]. В комплект входят также модули текстовой консоли, движущейся карты, поддержки джойстика и слежения антенны^[1]. Модуль загружается командой module load прямо во время работы станции, а собственные модули пишутся на том же языке, что и ядро программы, — это делает MAVProxy типовой платформой для экспериментов с телеметрией^[18]. Вспомогательные модули вынесены в отдельный каталог и работают через общий интерфейс очередей сообщений: фильтрация команд, управление питанием, мультиплексирование потоков^[18]. Набор загружаемых модулей задается в файле mavinit.py, поэтому при каждом запуске станция восстанавливает привычную конфигурацию^[13]. Архитектурно такой подход соответствует модульному программированию: ядро отвечает за связь и маршрутизацию сообщений, модули — за конкретные функции^[1].

MAVProxy — стандартный инструмент при разработке прошивок ArduPilot: новые сборки автопилота испытываются в симуляторе SITL (software in the loop), который имитирует полет без реального аппарата, а станция выступает отладочной консолью симулятора^[1]. Симулятор собирается обычным компилятором C++ в исполняемый файл и позволяет запускать Plane, Copter и Rover без аппаратуры^[19]. Опция --sitl превращает подключение в локальное: станция и симулятор обмениваются пакетами на той же машине, что ускоряет цикл «правка кода — сборка — полет» до секунд^[13]. Документация прямо называет MAVProxy «станцией разработчика»: с неё начинаются и проверка новых сборок, и отладка бортовых вычислителей, и прогон заданий перед выездом в поле^[1]. В той же конфигурации отлаживаются модули самой станции: автор проверяет новую обработку телеметрии на симуляторном потоке, не рискуя аппаратом^[18][13]. Разработчик подключается к симулятору так же, как к настоящему борту, меняет параметры, отдает команды и смотрит телеметрию, поэтому один и тот же набор команд проверяет и виртуальный, и реальный аппарат^[1]. Генераторы протокола MAVLink дополняют цепочку: новая команда описывается в XML-диалекте, из него собирается библиотека, после чего станция и автопилот проверяются в связке^[8].

В полевых условиях MAVProxy используется как легкая станция на маломощном компьютере: минималистичная программа запускается даже на нетбуках, а потребность в ресурсах снижается за счет отсутствия тяжелого графического интерфейса^[1]. Станция обслуживает наземный пункт управления: собирает телеметрию, отображает карту полета при подключенном модуле карты, следит за направлением антенны с помощью модуля слежения, дублирует поток на дополнительные устройства операторов^[18][16]. Одна станция может обслуживать сразу несколько аппаратов: благодаря маршрутизации MAVLink оператор видит в одном окне телеметрию группы БПЛА, различая их по идентификаторам систем^[15][16]. Модули геозоны и точек ожидания ограничивают пространство полета и держат резервные позиции, рельеф местности помогает автопилоту обходить подстилающую поверхность, а подпись MAVLink-пакетов защищает канал от посторонних станций^[18]. Режим следования за оператором и просмотр камеры на борту делают станцию удобной для воздушного наблюдения и съемки^[18]. Сфера применения совпадает с задачами гражданских БПЛА: аэрофотосъемка, мониторинг территории и объектов, дистанционное зондирование^[16]. Инженерная литература описывает наземный пункт управления БПЛА как совокупность систем управления, связи и навигации, работающих с бортовой подсистемой по радиолиниям передачи данных^[4]. Консольные станции вроде MAVProxy берут на себя программную часть такой инфраструктуры — обработку телеметрии, журналирование и автоматизацию, — оставляя аппаратную сторону специализированным средствам^[4][16]. В учебных проектах MAVLink-станции служат первым знакомством с телеметрией самодельного аппарата: литература по дроностроению описывает сборку дрона как единый контур из полетного контроллера, каналов связи и наземной станции наблюдения^[20]. Начинающим разработчикам такие эксперименты дают целостное представление о взаимодействии борта и земли — от микроконтроллера и датчиков до вывода телеметрии на экране^[7].

MAVProxy входит в набор инструментов экосистемы ArduPilot наряду с прошивками Copter, Plane, Rover и Sub для полетных контроллеров и симулятором SITL^[1][5]. Полетный контроллер строится на микроконтроллере семейства ARM с датчиками ориентации и приемниками GPS-сигнала; обмен со станцией идет через последовательный порт или телеметрический модем^[3]. Бортовой вычислитель — «companion computer» вроде Pandaboard — подключается к тому же MAVLink-обмену и выполняет задачи машинного зрения и управления полезной нагрузкой; MAVProxy исторически создавалась именно для таких связок^[5].

MAVLink — открытый протокол, принятый множеством автопилотов и наземных станций; словарь его сообщений описывается теми же XML-диалектами, которые обслуживают MAVProxy^[9][8]. Благодаря общей спецификации станция работает и с аппаратами других производителей, чьи прошивки говорят на MAVLink, — совместимость не ограничивается экосистемой ArduPilot^[9]. Сама станция развивается как свободное программное обеспечение под лицензией GNU GPL v3+: исходный код опубликован на GitHub, допускается любое использование с сохранением лицензии^[2]. Автор MAVProxy Эндрю Триджелл известен и другими свободными проектами — утилитой rsync и сервером Samba; преподавание и разработка связывают его с Австралийским национальным университетом^[2]. Программа написана на Python и использует библиотеку pyserial для работы с последовательными портами и стандартные средства мультиплексирования ввода-вывода^[1][2]. Благодаря этому станция работает на любой POSIX-совместимой платформе с интерпретатором — в Linux, macOS, Windows, на нетбуках и одноплатных машинах. Станция распространяется через пакетный индекс PyPI: под Windows выпускается готовый установщик, а в Debian-совместимых системах пакет ставится средствами pip^[21]. По классификации свободных лицензий MAVProxy относится к свободному программному обеспечению с копилефт-условиями: производные работы обязаны сохранять ту же лицензию^[2].