# GlobalLocalization

**Repository Path**: WangXi_Chn/GlobalLocalization

## Basic Information

- **Project Name**: GlobalLocalization
- **Description**: Albatross（信天翁）：机器人平面全方位定位系统设计代码仓库
- **Primary Language**: C
- **License**: BSD-3-Clause
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 2
- **Forks**: 0
- **Created**: 2020-09-05
- **Last Updated**: 2021-12-15

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: RT-Thread

## README

# 【RT-Thread】平面全方位定位系统应用程序

# 程序迭代记录

## Gitee

[https://gitee.com/WangXi_Chn/GlobalLocalization](https://gitee.com/WangXi_Chn/GlobalLocalization)

## 应用版本V1.0

### 应用功能

- 可与上位机通信（遵从板级串口通信模块的通信协议）
- 支持与其他STM32单片机通信（遵从板级串口通信模块的通信协议）
- 支持JC24B无线串口透传模块
- 支持LED频闪显示自身ID
- 支持陀螺仪芯片MPU9250驱动，计算获取偏航角
- 支持Flash外置存储芯片驱动，文件操作系统

### 开发环境

- CubeMX
- MDK5 IDE
- STM32F405芯片
- RT-Thread操作系统
- 面向对象模块接口设计
- JC24B无线串口
- MPU9250
- W25Q256芯片

### 应用特性

- 模块化设计自由裁剪
- 多线程工作
- 通信模块通用，分自身ID和目标ID，可迅速部署通信网络
- 数据表大小0xFF个int类型数据
- 内部集成Kalman滤波算法模块

### API说明

- 同[https://www.yuque.com/wangxi_chn/qaxke0/licn24#lWgZq](https://www.yuque.com/wangxi_chn/qaxke0/licn24#lWgZq)类似
- 可详细参考代码仓库中源文件

### 补充说明

- 项目基于硬件版本2.0
- [https://hitwhlc.yuque.com/hero-rc/zlndvo/sixk4b](https://hitwhlc.yuque.com/hero-rc/zlndvo/sixk4b)
- 此应用程序为该系统核心功能
- 目前陀螺仪测角功能正常，与其他部署相同板级通信系统的通信功能正常
- 测角准确度还需配合测试装置调整
- 目前尚未开发全部功能，等待后续扩展开发

## 应用版本V2.0

### 应用更新

- 赋予项目名称 **_Albatross（信天翁）_**
- 寓意长时间续航能力下定位准确
- 支持通过无线串口发送信息至上位机、单片机等（遵从板级串口通信模块的通信协议）
- 已通过MiniSpider项目中的OLED显示测试数据（通信链路测试）
- 磁编码器里程计功能实现
- 与陀螺仪数据融合得到定位数据初步功能实现（准确度待验证）
- 支持通过RTT Finsh命令行修改自身ID（重新上电会重置为默认ID 0x01）
- 支持通过RTT Finsh命令行给指定ID的设备发送帧（需要支持板级串口通信模块的通信协议）

### 补充说明

- JC24B无线串口天线非全局定位原设计功能，对其中的串口接线修改适配功能
- 测试过程中发现问题，磁编码器在仅ST下载器供电时无法读取数据，需要串口供电才可
- 猜测此编码器的供电引脚与下载器电源接线部分存在问题

## 应用版本V3.0

### 应用更新

- 因信道碰撞严重，放弃使用JC24B无线串口天线
- 修改无线串口天线为AS13-TTL
- 已与PC端上位机通信成功
- 适配全局定位测试装置，放弃与测试控制台的通信，现只可与PC端上位机通信

### 补充说明

- 项目移交
- 现总结项目结构和程序说明

# 应用程序结构

![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/jpeg/427268/1609752859568-82ab9e50-0b5d-45a3-a79e-836329e3fc4a.jpeg)

## 类

### 模块类

- 所有的模块器件都被抽象成为类，使用C语言的结构体实现
- 结构体中有成员变量，有成员函数
- 与应用程序处于不同的代码仓库下，支持单独更新升级
- [https://gitee.com/WangXi_Chn/RttOs_ModuleLib](https://gitee.com/WangXi_Chn/RttOs_ModuleLib)

- 以LED模块为例
- 每个模块类的定义都在.h文件中
  
```c
struct _MODULE_LED
{
    /* Property */
    rt_base_t Property_pin;          /*!< Specifies the LED module pins to be configured.
                            This parameter is defined by function @ref GET_PIN(GPIOPORT, GPIO_PIN_NUM) */

	enum LED_MODE Property_Mode;
	 
	rt_uint32_t LED_TIME_CYCLE;     /* if Property_Mode is FLASH_LED_MODE, must be defined*/
	rt_uint32_t LED_TIME_OUTPUT;  

	/* Value */
	rt_uint16_t last_time_show_cycle;  	// 状态查询时间
    rt_uint16_t set_time_cycle;        	// 循环时间
    rt_uint16_t set_last_time;         	// 上一次电平输出时间
    rt_uint8_t  curr_number;        	// 当前
    rt_uint8_t  next_number;           	// 下一个指示次数
	
	/* Method */
    void (*Method_Init)(struct _MODULE_LED *module);
	void (*Method_Handle)(struct _MODULE_LED *module);
	void (*Method_Set)(struct _MODULE_LED *module,rt_uint8_t number);

};
typedef struct _MODULE_LED MODULE_LED;

```

- 注释/* Property */下的，为使用该结构体声明一个变量时（即类的例化），必须给出的初始值（即类的属性）
  - 一般为与硬件或RTT的对应关系
- 注释/* Value */下的，为一些变量，不必赋予初值，会在程序运行中发生变化
  - 一般是一些中间计算结果，或者是输出结果
  - 可用来观察，调用，调试
- 注释/* Method */下的，为成员函数（即类的方法），该模块提供的一些程序段
  - 使用 . 成员函数 即可实现对其的调用
  - 所用的模块都对成员函数有固定含义的命名
  - Method_Init 一般为对该模块的初始化，用户一般不直接使用该方法
    - （在该模块的全局函数Config中自行运行）
  - Method_Handle 一般为该模块的中断服务函数，用户一般需要将其放到一个线程中，会自行阻塞运行
  - Method_Set 一般为该模块的参数设置，可根据模块功能和参数组成决定
  - Method_Get 一般为获取该模块的某个数值

**注意：由于这里是使用了函数指针作为结构体成员，代替实现了类似于方法的功能，但是还需要将实际的函数与函数指针完成映射，映射过程是在每个模块的全局函数**
**Module_XXX_Config 中实现的，同时模块的 .Init 方法也在这里被调用**

```c
/* Global Method */
rt_err_t Module_Led_Config(MODULE_LED *Dev_LED){
    if(Dev_LED->Method_Init==NULL &&
		Dev_LED->Method_Set==NULL &&
		Dev_LED->Method_Handle==NULL

    ){  
        /* Link the Method */
        Dev_LED->Method_Init = Module_LedInit;
		Dev_LED->Method_Set = Module_LedSet;
		Dev_LED->Method_Handle = Module_LedHandle;
    }
    else{
        rt_kprintf("Warning: Module Led is Configed twice\n");
        return RT_ERROR;
    }

    /* Device Init */
    Dev_LED->Method_Init(Dev_LED);
    return RT_EOK;
}
```

**因此在使用各个模块前必须调用该函数，实现对模块的初始化，否则会在RTT中报堆栈溢出的错误**

### 应用类

- 将整个应用程序也抽象成为了一个类   _APP_GLOBALPOS
- 类的成员即为各个模块，实现类的嵌套（结构体嵌套）
- 类的方法只有两个
  - Method_Init 应用程序初始化（不由用户调用，Config自行完成）
  - Method_Run 应用程序运行
- 这两个方法仅在main中被调用，作为应用程序的入口
- 对该应用类的例化（结构体变量声明）也在main中进行，成为该应用程序几乎唯一的全局变量

![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/427268/1609747335330-302dc3af-4c9f-4a50-9c98-4fecde7c73d3.png#align=left&display=inline&height=254&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=600&originWidth=803&size=168797&status=done&style=none&width=340)

- 在Debug中，将此变量添加在监视窗口，可观察所有模块的运行状态
- 应用类的全局方法   APP_XXX_Config
  - 应用类成员函数的绑定
  - 应用类所有模块的Config
  
```c
void APP_GlobalPos_Config(APP_GLOBALPOS *Application)
{
	if(	Application->Method_Init	==	NULL &&
		Application->Method_Run		==	NULL

    ){  
        /* Link the Method */
        Application->Method_Init = APP_GlobalPosInit;
		Application->Method_Run	 = APP_GlobalPosRun;
		
    }
    else{
        rt_kprintf("Warning: Module Led is Configed twice\n");
        return;
    }

    /* Device Init */
    Application->Method_Init(Application);
	
	/* Module Config */
	Module_Led_Config(&(Application->dev_Led));
	Module_File_Config(&(Application->dev_SpiFile));
	Module_UartCom_Config(&(Application->dev_UartBsp));
	Module_MPU9250_Config(&(Application->dev_Mpu9250));
	Module_AS5048_Config(&(Application->dev_As5048_left));
	Module_AS5048_Config(&(Application->dev_As5048_right));
	
    return;
}
```

- 在应用类的Init方法中，实现对其所有模块的/* Property */变量的赋值
  
```c
static void APP_GlobalPosInit(APP_GLOBALPOS *Application)
{
	/* Module param list ------------------------------------------------------------------------- */
	/* LED device */
	/* Pin:	PA10 Low power enable */
	Application->dev_Led.Property_pin = GET_PIN(A, 10);
	Application->dev_Led.Property_Mode = FLASH_LED_MODE;
	Application->dev_Led.LED_TIME_CYCLE = 1500;
	Application->dev_Led.LED_TIME_OUTPUT = 150;
    
    ......
        
}
```

## 线程

### 基本组成

- 应用类的方法中 Method_Run 是个一次性方法，其作用是
  - 创建线程
  - 创建调度线程的信号量等
- 所有的应用程序根据实际需要基本上都有这样几个线程
  - **XXXLed_thread**
    - 系统状态灯线程，从其频闪中可以传达一定信息，而且可观察RTT是否运行正常
  - **XXXUpdate_thread**
    - 数据更新线程，一般是处于阻塞态线程，等待串口、CAN等缓存区释放信号量
  - **XXXDeal_thread**
    - 数据处理线程，处理应用程序中的数据运算
  - **XXXShow_thread**
    - 显示线程，一般外界OLED、串口屏等，发送显示信息
- 各个模块相互作用的机会仅存在于应用线程这一层，除了这个地方，各个模块之间几乎没有数据交互的机会
  
### 运行流程

以全局定位为例

1. 应用程序初始化（APP_Config）
   1. 应用程序类成员函数绑定
   1. 应用程序类初始化（Method_Init）
      1. 所属模块属性配置（/* Property */）
   3. 模块初始化（Module_Config）
      1. 模块类成员函数绑定
      1. 模块类初始化（Method_Init）
2. 应用程序运行（Method_Run）
   1. 创建线程，创建信号量
3. 各个线程运行

# 下一步工作

## 硬件

### 修改现有问题

- RS232 5V供电接口失败

![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/427268/1609749172999-4d5ccd78-b03b-47a9-a6f4-a85811b3486d.png#align=left&display=inline&height=261&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=507&originWidth=795&size=248695&status=done&style=none&width=410)

- 全局定位在车上的供电方式为由主控板的232串口通信线供电
- 现从这里供电无反应，可排查是否是线路问题
- 全局定位上的悬臂上的磁编码器PCB需要重新做

![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/427268/1609749942099-f8a013f9-1f24-47cf-886d-2e603f70e2b1.png#align=left&display=inline&height=220&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=499&originWidth=574&size=343395&status=done&style=none&width=253)

- 原来的AS5048a芯片数据不好（可能是远距离运输导致）
- 更换了模块，用双面胶贴上去的，距离磁钢较远，而且紧固螺丝不能完全旋入，会受影响

![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/427268/1609749493978-ec51a141-8173-4c63-b7ad-7390fcca35ab.png#align=left&display=inline&height=68&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=68&originWidth=74&size=13854&status=done&style=none&width=74)

- 重新做一块装上去，注意PCB的尺寸（为特殊形状）
  
### 升级需要

- 陀螺仪是否需要更换，可测试后讨论
  - 现在是MPU9250
- 如果没有把握，建议单独留出一个接口，支持外接陀螺仪对比效果
  - 程序上很好处理，更换数据来源即可
  
## 软件

### 测试数据准确性

- 将全局定位反馈数据（上位机或者RTT Finsh打印）与装置的实际位置对比
- 有三种方法实现
  - 1. 手动读数，标记刻度，角度，对比数据
  - 2. 通过控制装置的电机，换算齿比后，得到装置位置，对比数据
  - 3. 装置上再加装原全局定位，读取返回数据，对比
  
### 完善外设接口

- RS232与主控的通信还没有写
- 建议遵从原全局定位的通信协议，实现适配，无需修改底盘主控的程序
- 需要设置一个开关调整串口在不同场合下的输出，提升运算性能
  - 调试中，仅开启上位机串口和Finsh串口发送数据
  - 运行中，仅开启RS232串口发送数据
  
### 加装外部校准手段

- 磁力计
  - 如果可用磁力计校准，可以使用现已有的Flash文件系统，存取滤波参数
  - 考虑磁力计在现实情况下的表现
- 激光校准
  - 设置开关，在某个情景下读取激光参数，作为陀螺仪数据，并旋转坐标矩阵
  
# 写在最后

- 从程序结构那个地方，可能看的比较费劲，因为每个人的实践经历不同，对同一件事的看法也不同
- 这种写法也是我第一次，公开的，完整的描述
- 之前从各个模块的编写中或多或少流露出这种组织思路
- 但真正能形成一个整体，还是从组织成为一个应用程序开始
- 最开始所有的想法都来源于一篇这样的文章

[【编程之美】常用于单片机的接口适配器模式C语言实现.pdf ](https://www.yuque.com/office/yuque/0/2020/pdf/427268/1591106122978-fe901cce-9f53-407e-a9e1-9fb9b7dd6b0d.pdf?from=https%3A%2F%2Fwww.yuque.com%2Fwangxi_chn%2Fqaxke0%2Foz4zyh)

- 读过之后就发现，这样可以解决我一直比较困惑的问题
  - 如何提升代码的复用性
- 这种复用性不是说 复制然后粘贴 就好用的那种
- 而是实实在在，可以成为积木，变成某个应用程序的一部分
- 并且支持“热修复”
- 这里的热修复指的是，三个应用程序使用了同一个模块，当我想要添加这个模块的功能，直接修改这个模块的文件即可，不必修改三个应用程序的三个地方
- 而且模块接口尽可能简洁明了
- 最重要的是，支持面向对象思想
- C语言不像C++和C#那样，提供语法来支持类、对象、属性、方法这些概念
- 但我们可以通过结构体等数据结构来模拟，来封装，极大程度上减少工作量
- 最主要的是，我的单片机程序（RTT支持）有了一个固定的编程模板，通过这个模板可以清楚的理解每个应用在干什么
- 不论是全局定位、测试装置还是分布小模块，他们的框架都是一样的
- 不同之处仅在于，调用了不同的模块，进行了不同的计算
- 这也是为什么我可以同时写三个工程而不觉得混乱，算上上位机，四台设备的通信调试也可以清楚分析
- 这个框架是看了那篇文章后写了一个LED的模块，逐渐衍生出来的
- 不是突然一下确定下来的，包括里面变量的命名、概念的区分，都是随着实践逐渐完善
- 可以看到部分模块的命名并不是遵从上述规律，是因为时间久远
- 最新的模块一定是符合上述标准的
- 通过这种方式也形成了自己的代码风格，基本上能实现一看就认出是我写的
- 后来因为毕业设计要学习Linux的内核源码
- 发现其实Linux的设备驱动框架和这个思路差不多，那篇文章应该也是借鉴了Linux的写法
- 所以一个大的工程、标准的工程，不只是功能的实现，它的结构，它的组织形式一定是考究的
- 我们的机器人控制，当然控制算法很重要，但是有没有一种途径让控制算法保留成模块
- 我们也写了很多驱动，但是有多少驱动是反复的写，反复的调试
- 有了RTT，我们可以掩藏一些硬件细节，同样也对我们把各个功能集成为模块提供了契机
- 所以，你可能不喜欢这种应用程序的写法，也可能不喜欢这种模块的组织形式
- 但一定要有这种想法和趋势，来提升自己的效率，让曾经的工作积累为自己铺路