机器学习完整一个工程项目学习教程 机器人工程项目

一．方案介绍

1. 根据机器人制作规范以及比赛规则，工程机器人主要承担两项重要的任务，即补给功能 — 夹取弹药箱获取弹丸，并将弹丸交接给其他机器人；救援功能 — 采用两种方式，一种是使用电磁铁吸住机器人后，拖拽至指定区域，另一种是伸出救援卡至机器人底部进行原地救援。
2. 针对弹药箱的夹取方面做了可进行双排双列自动夹取的机械设计，配合多个传感器数据、闭环控制算法以及多个电机的协调运作，使得五自由度的夹取机构可以进行快速全自动夹取。

如图为电机控制框图

3. 为了保证全向移动时运动轨迹的正确性，采用六轴传感器解算出欧拉角（详情请点击 浅谈卡尔曼滤波器）作为绝对角度，用正确轨迹下绝对角度与移动时实时绝对角度的偏差作为输入，用闭环控制器得到输出，作用于底盘机构，从而对运动轨迹进行实时修正。
4. 为了提高机器人在赛场上的生存能力以及干扰能力，结构上通过导电滑环将云台与底盘连接，使得底盘与云台可独立运动；并且配合绝对角度欧拉角以及相对角度码盘角度，使用角度闭环控制算法，以及对麦克纳姆轮进行运动矢量分解，使得可以实现"小陀螺"模式（底盘360°转动进行全向移动）和“扭腰”模式（底盘规律性摆动进行全向移动）。
5. 为了方便后期的战术更改，工程机器人也适配了小弹丸发射机构的快速安装，可根据需要进行模式的快速切换，工程机器人在赛场上可以有两种模式：
   a. 带输出伤害能力，救援能力较弱（不能原地救援），云台为小弹丸发射机构
   b. 不带输出伤害能力，救援和生存能力较强，云台为图传系统(与底盘连接处采用导电滑环)
6. 主要功能
   a. 全向移动，自修正运动轨迹
   b. 全自动连续夹取多个弹药箱，获取弹丸
   c. 补给弹丸，救援其他兵种
   d. 抵挡火力，隔绝敌方机器人（依靠“小陀螺"模式与“扭腰”模式）
7. 项目难点及解决方法
   a. 机器人功能需求多，且需要多状态频繁切换与同步，软件设计上复杂。因此采用分层设计和模块化编程的方法，使得代码逻辑清晰易于维护；使用状态机模式(原状态-事件-转换-现状态-场景-行为)，有效地适应多状态场景且易于阅读和维护。
   b. 整车有众多组件，如15个电机/舵机/码盘、光电/测距/六轴传感器、影像/救援系统等，需要保证协调运作时整车的稳定性。将整车分为上下两层，采用双主控模式，并使用RTOS划分任务和添加监控系统，达到了整车稳定性的指标。
   c. 全自动5自由度夹取机构，连续夹取1—6个箱子，控制难度高。给每个自由度加上实时性窗口、并实时监测每个电机状态，超过死区时间(测试得出)或电机状态异常，则判为失败并启动复位程序；采用电机软件锁和状态驱动表，控制夹取流程；经过上述方法，可以有效控制自动夹取流程。

二. 硬件资源分配表

三. 硬件框图

1. 硬件框图方面，将工程机器人分为底盘机构和夹取机构，其中底盘机构包括：移动动力源部分（四个无刷直流电机+四个麦克纳姆轮）、云台部分、救援部分、数据输入部分（传感器数据、遥控数据以及裁判系统数据）；夹取机构包括：全自动夹取部分、弹仓部分、倒车影像部分、传感器数据输入部分。
2. 一是为了模块化设计，二是为了控制系统的稳定性和实时性，三是为了提高系统可维护性；底盘机构和夹取机构分别使用一块stm32F407主控板，机构间采用can通信方式进行数据交互，数据校验方式采用：帧头+帧尾（can自带crc校验）。

四． 软件架构图

1. 软件架构图方面，将代码根据其特性进行分层，并根据其具体功能构建成一个可重用、可移植、易修改的模块。具体细节请点击这里浅谈模块化编程。
2. 硬件驱动层基于CMSIS软件接口标准，使用ST标准外设库编写。中间层使用FreeRTOS内核给应用层提供进程管理调度、进程间通信等服务；同时基于硬件驱动层开发各种服务组件，以支持上层应用层实现各种实际操作。
3. 应用层根据任务性质分类，交给FreeRTOS内核进行管理；其中底盘、云台、夹取任务由于在比赛中状态经常变化且状态数量多，所以将这些任务的状态处理交由状态机管理（具体细节请点击 浅谈设计模式之状态机模式）。监测任务用于反馈其余任务运行的情况，若情况无法修正，则进行系统复位操作。

五． 软件流程图

1. 主要流程
2. 夹取机构控制流程举例
   

六. 夹取机构调试片段

一排夹取