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HNUYueLuRM / basic_framework

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YueLu2022/2023 EC basic_framework-dev

湖南大学RoboMaster跃鹿战队2022-2023电控通用嵌入式框架。

Best RoboMaster embedded EC open-source code ever?

也许不是最好的?但一定是最完整最详细最适合上手的电控开源!

[TOC]

==别忘了仓库根目录下的.Doc文件夹中有关于配置环境和开发更详尽的说明!==

基于basic_framework打造的C++进阶重构版本powerful_framework现已发布!增加全新的消息交互机制和严格的跨任务数据读写保护,采用了现代构建系统CMake+Ninja以追求极致的编译速度,各种针对嵌入式的编译优化全开,DIY程度进一步提升,更有自定义CMSIS-DSP和Eigen等扩展库支持!快来加入试用/和我们一起开发吧😋


功能介绍和展示

起源

这是湖南大学RoboMaster跃鹿战队电控组2022-2023赛季的通用嵌入式控制框架,可用于机器人主控、自研模组(imu/测距等各种传感器)、超级电容控制器等。

从目前的RoboMaster开源社区来看,大部分队伍都没有一套规则统一,符合较大规模软件开发原则的框架,有些学校连不同兵种代码都相去甚远,甚至连队伍用于传承的代码注释都寥寥无几,全靠师傅带徒弟言传身教。当然,不乏有广东工业大学DynamicX开源的rm_control这样规范且先进的系统,但基于Linux、ROS、C++的这套软件栈对于新人来说还是过于复杂(但我们很推荐熟悉基本工具的同学使用!)。

优势

为此,basic_framework应运而生。该框架旨在打造上手简单、易于移植、高代码复用、层级分明、结构清晰的一套SDK,供队内使用&RM参赛队伍&嵌入式开发者交流学习。通过精心设计的bsp和module支持以及成熟的app示例,该框架可以在短时间内为不同类型和结构的机器人轻松构建电控程序,可扩展性可维护性相较目前的大部分开源代码和本队的老代码提升巨大。

同时,相较于传统的基于KEIL MDK开发的工作流,我们推出了基于arm-gnu工具链+VSCode/Clion+Ozone&Systemviewer/FreeMaster的现代化开发工作流和非常完善配套教程,你再也不用面对上个世纪的UI,忍受没有补全和高亮的代码了!在现代化开发工具支持下,将极大提高电控开发效率和调试效率。硬件模块测试和整车联调从未如此简单方便

用软件开发的思想设计嵌入式系统是一种降维打击

—— 沃兹基·烁德

效果展示

搭载basic_framework的机器人阵容

实战展示:

  1. 400HP双云台哨兵30m/s弹速对抗2台200HP 15m/s弹速步兵,120w底盘功率
  2. 100HP步兵,120w功率,15m/s弹速对射,限制射频0.5发/s

sentry_infantry12

展示中的视觉识别与预测算法是基于rm_vision打造的
  1. 工程机器人流程化抓取矿石/兑换矿石/救援’

    engineering

  2. 平衡步兵机器人

    balance

这些机器人的程序均基于basic_framework打造,已在我们的仓库中提供:HNUYueLuRM

更多测试视频可以关注我们的bilibili账号:湖南大学跃鹿战队,或在bilibili搜索跃鹿战队,观看我们的比赛视频。

可用功能

你可以基于这些良好抽象的功能打造自己的模块或应用。

bsp封装

功能类别 模块
通信类外设 usart spi i2c can usb
日志 log flash
功能型 gpio(exti) pwm adc
辅助 dwt

模块封装

功能类别 模块
电机 DJI、HT海泰04、瓴控LK、步进电机、舵机
通信 多板通信(基于CAN)、seasky协议上位机通信、裁判系统数据/UI/多机、vofa协议、DT7-DR16遥控器
功能模块 蜂鸣器、oled、bmi088、ist8310、超级电容、TFminiPlus、
应用支持 常用算法库、守护线程、消息中心

应用封装

作为命令发布主体的robot_cmd

用于步兵、英雄、哨兵、无人机的gimbal

麦克纳姆轮/全向轮底盘的chassis

平衡步兵的底盘balance_chassis

装配了发射机构的机器人的shoot


架构

总览。

软件栈

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在CubeMX初始化生成的依赖文件基础之上新增了可选的CMSIS-DSP和Segger RTT。

设计思想

  1. 首先,总览框架的设计模式。

    框架在结构上分为三层:bsp/module/app。整体使用的设计模式是结构层级模式,即每个“类”包含需要使用的底层“类”,通过组装不同的基础模实现更强大的功能。而最顶层的app之间则通过pub-sub消息机制进行解耦,使得在编写代码时不会出现相互包含的情况。

    我们希望通过bsp对硬件的抽象使得module的编写更为轻松,不需要考虑底层的硬件具体是如何运作的;再通过module的外接模块的抽象,使得app的编写可以通过完全硬件无关的方式考虑,达到*”只阅读module的说明文档就能迅速开发应用 ”的程度。bsp和module的设计愿景,就是成为人们常说的中间件。*

    pub-sub机制的体现:以本仓库的app层为例,包含了chassis,gimbal,shoot,cmd四个应用,每个应用都对应了机器人上的不同模组。cmd应用负责从机器人控制信号来源(遥控器/上位机/环境传感器)处获取信息并解析成各个执行单元的实际动作(电机/舵机/气缸/阀门等的扭矩/速度/位置/角度/开度等),并将此信息发布出去。chassis、gimbal、shoot等包含了执行单元的应用则订阅这些消息,并通过自己包含的子模块,调用它们的接口实现动作。

    结构层级模式的体现:以chassis应用为例,chassis中包含了4个底盘电机模块。当chassis收到cmd应用的信息,希望让底盘以1m/s的速度前进。chassis首先根据底盘的类型(舵轮/麦克纳姆轮/全向轮/平衡底盘)以及对应的动力学/运动学解算函数,计算得到每个电机的输目标输入值,此时chassis将输入通过电机模块(motor module)的接口将设定值告知电机。而每个电机模块又有各自的PID计算模块和自身电流&速度&角度传感器的信息,可以计算出最终需要的电流设定值。假设该电机使用CAN协议与电调通信,则电机通过自身包含的CANInstance(bsp_can提供)用于和实际硬件交互,电机模块将设定值电流值或其他指令按照通信协议组织在CAN报文中,通过CANInstance提供的接口,把最终控制数据发送给电调,实现控制闭环。从调用来看,三个层级的包含关系为chassis∈motor∈bspcan

  2. 有了上面的大体认知,我们分别介绍框架的三层结构。

    • bsp即板级支持包,提供对开发板外设的软件抽象,让module层能使用和硬件无关的接口(由bsp提供)进行数据处理与交互。

      bsp层和ST的HAL为强耦合,与硬件直接绑定。若要向其他的ST芯片移植,基本不需要修改bsp层;若是其他单片机则建议保留接口设计,对接口调用进行重现实现。每一种外设的头文件中都定义了一个XXXInstance(xxx为外设名),其中包含了使用该外设所需要的所有数据,如发送/接收的数据,长度,id(如果有),父指针(指向module实例的指针,用于回调)等。由于C没有class,因此所有bsp的接口都需要传入一个额外的参数:XXXInstance*,用于实现c++的this指针以区分具体是哪一个实例调用了接口。

    • module即模块层,包括了需要开发板硬件外设支持的(一般用于通信)真实硬件模组如电机、舵机、imu、测距传感器,和通过软件实现的算法如PID、滤波器、状态观测器;还有用于兼容不同控制信息模块(遥控器/ps手柄/图传链路/上位机)的统一接口模块,以及为app层提供数据交互的message center。

      module层仍然是基于实例的,一个app会包含多个module的instance。当app便可以用硬件无关的接口使用module,如要求电机以一定速度运动、关闭气阀、给超级电容或上位机发送一些反馈数据等。在有了方便的bsp之后,只需要在你构建的module中包含必须的bsp,然后为app提供合理易用的接口即可。

    • app是框架层级中最高的部分。目前的框架设计里,会有多个app任务运行在freertos中,当然你也可以根据需要启动一些事件驱动的任务,所有的任务安排都放在app/robot_task中。当前的app层仅是一个机器人开发的示例,有了封装程度极高的module,你可以在app完成任何事情。

      目前的app设计里,可以兼容多块开发板的情况,通过条件编译切换开发板的位置。如步兵机器人可以将主控MCU放在云台上,而超级电容控制板同时作为底盘板。使用CAN/SPI/UART将两者连接,便可以通过**app/robot_def.h**中的宏完成设置。可以根据需要,设置更多的开发板(双云台哨兵、工程机器人)。

      这套框架可以轻松扩展到所有机器人上,在我们的仓库中,有步兵机器人、平衡步兵机器人、哨兵机器人、英雄机器人、工程机器人以及空中机器人的代码实例,皆按照本框架中的三层结构开发。若设计了新的机器人,只需要在robot_def.h中修改传感器的位置、底盘轮距轴距、拨弹盘容量、弹舱载弹量等参数便可以立刻实现部署

  3. 知道了每个层级的结构之后,我们再谈谈如何进行每层的开发。

    对于bsp和module中每个instance的设计,我们采用了面向对象的C风格代码,整个框架也统一了变量和函数命名方式,调用层级和数据流十分清晰(下一个章节也有插图阐述)。

    为了避免出现”底层代码包含上层头文件“的情况,我们让bsp层instance在注册时要求module提供数据发送/接收的回调函数指针,从而在发生对应中断或事件时完成对module函数的”反向调用“。事实上,你也可以进一步将这套思想放入app的设计中,当某个事件发生时触发app的任务,而不是将app的任务定时运行(这可以提高运行效率,降低cpu占用)。

    bsp和module的instance在初始化时接口皆为**XXXInstance* XXXRegister(XXX_Init_Config_s* conf)**,传入该实例所需的config参数,返回一个实例指针(看作this指针),之后要调用模块的功能,传入该指针即可。我们还提供了守护线程,以供module选用,当异常情况发生时在LOG中发送warning、触发蜂鸣器或LED进行声光报警以及错误/离线回调函数,保证系统的鲁棒性和安全性。

    而对于app的开发,由于底层接口已经设计的较为完善,不同的机器人可以直接**fork** basic_framework的代码,开发app层。当bsp和module有功能更新时,只需要通过git的cherry-pick-commit功能将更新拉取到自己的仓库,获得动态的热更新而无需手动合并分支!


执行顺序与数据流

初始化

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任务结构

app、module和bsp都有相应的rtos任务。其中bsp为创建任务提供了封装工具bsp_tools,旨在将复杂的回调函数转移到任务中而不是在中断内执行,以保证系统响应的实时性和数据完整性。有一些module和app根据功能需要会创建定时任务或事件驱动的任务,这些任务都在初始化时注册,并在特定的时刻被唤醒或周期执行。

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数据流

建议浏览器打开SVG查看


开发工具

介绍完整的工作流。

工具链

强烈推荐使用arm-gnu工具链进行编译(arm-none-eabi-xxx)。

官方下载地址:Arm GNU Toolchain Downloads – Arm Developer

我们更推荐使用Msys2进行库和开发工具管理,关于如何使用Msys2请参考:如何使用本框架

仍然支持使用arm-cc工具链(即keil默认的工具链)进行开发,在cubemx初始化时生成MDK项目即可,然后再手动添加basic_framework的所有头文件和源文件。但非常不建议这样做,arm-cc仅支持单线程编译且编译优化选项远不如arm-gnu多,自定义程度同样不比。若你一定要这样做,则可以在VSCode中安装keil assistant插件。

IDE?

使用VSCode作为“IDE”,也支持Clion/Visual Studio等现代化IDE(需要自行配置)。需要的插件支持均已经在VSCode+Ozone使用方法.md中给出。通过VSCode强大的插件系统、language server以及代码补全高亮助力效率倍增。编译则使用集成的task进行,还可以将开发环境终端加入VSCode进一步提升体验。基本的调试如变量&寄存器查看均已在插件中提供支持,launch.json可以进行高自由度的自定义。

Git集成与gitlens/gitgraph/githistory额外插件补充让版本管理和协作从未如此简单,live share把你的伙伴们聚在一起集思广益,一同对抗困难的bug。更多好用的插件、特性和开发技巧请参考"如何使用本框架"章节。

不论如何,请不要使用KEIL作为你的代码编辑器。

调试和性能分析

  • 基础的调试可以在VSCode中完成。cortex-debug插件的最新版本已经支持多个gdb-server(jlink/stlink/openocd/pyocd)的live watch(动态变量监视)和变量示波器(可视化)。若不是有特别的需求,请勿使用串口调试器

  • 有高速变量查看和数据记录、多路数据可视化的需求(如进行pid参数整定、查找难以定位的bug)时,使用Segger Ozone

  • FreeMaster也可以作为调试的备选项。

  • 基本的、日常性能分析可以通过bsp_dwt完成。若要分析关于任务运行和每个函数执行的详细信息和时间,推荐使用Segger Systemviewer


如何使用本框架

仓库中有各种各样的说明文档和使用帮助。

编译烧录

本项目是基于RoboMaster开发板C型的示例,MCU为STM32F407IG,使用了板载的imu bmi-088,驱动标准的步兵机器人:2自由度GM6020云台、m2006电机拨盘+2*m3508电机摩擦轮的发射机构和MG90舵机弹舱盖,以及带有超级电容控制器的4轮麦克纳姆底盘。

首先在app/robot_def.h中根据注释修改开发板和机器人配置,再在各个app中修改初始化配置(如电机id,上位机通信波特率/使用串口或VCP,imu速率,超级电容id等)。

接着根据VSCode+Ozone使用方法.md配置好编译下载环境之后(再次建议使用Msys2+mingw64/ucrt64/clang64的方式配置环境!),在VSCode中打开项目,点击上方tab页的终端(terminal)->运行构建任务(run build task),便启动编译,若没有问题,最终会在终端中输出如下信息:

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工具链会预测ram,ccram以及flash的使用情况,并报告最终二进制文件的大小和存放位置。

随后,通过调试器将开发板连接至你的电脑,点击上方tab页的终端(terminal)->运行任务(run task),选择download_dap or download_jlink(或你自己编写的stlink/ulink/...),便会开始下载,终端或jFlash中会提示擦除、下载、验证的进度。

想要调试,在左侧tab页选择合适的调试选项,按F5或图形界面的绿色小三角形按钮,开始调试。当然,调试器的设置也请参考配置文档,主要是将可执行文件路劲加入环境变量的PATH。

更详细的开发流程和本仓库工作流的最佳实践,请参照.Doc/VSCode+Ozone使用方法.md,里面介绍了开发所需的前置知识、环境配置,以及工具链原理、使用方法等。

要对本仓库进行开发,务必先阅读.Doc/架构介绍与开发指南.md,内含本仓库组织结构的文件树。若你希望使用其他工具链或IDE,里面也有相关说明。

基本文档

根目录下的README.md即本说明文档,帮助开发者速览本项目。

.Doc目录下有8个markdown文档,分别为:

  • Bug_Report :提供了一些提交issues的模板范例,若在使用中出现问题请按照模板提供信息。
  • TODO :框架后续开发计划和维护说明
  • VSCode+Ozone使用方法重要,上手必看。介绍了当前开发工作流和传统KEIL开发的不同,先讲解一些与工具链有关的基础知识,然后说明了如何配置开发环境,安装必要的软件和一些”操作“。还涉及了VSCode编辑调试和Ozone示波器&trace功能的使用指南。
  • 合理地进行PID参数整定 :介绍了如何为PID控制器进行参数整定,包括简单的经验准则和基于模型的前馈控制、扰动消除等方法。
  • 如何定位bug :当嵌入式开发出现bug时,以更高效地方法进行错误定位和复现。简单的调试器使用技巧。
  • 必须做&禁止做 :字如其名
  • 架构介绍与开发指南重要,开发必看。若你希望为bsp或module增添新的模块,组装新的app,请参照此文档的编码和命名规范进行。阅读该文档有助于理解并写出和框架代码风格一致的程序。内含该项目的文件树,以框架的工作目录。
  • 让VSCode成为更称手的IDE :安装好用的插件,对编辑器进行个性化配置,提升开发效率

阅读代码

框架中的三层结构都有详尽的注释帮助阅读和二次开发,三个抽象层都有各自总览的说明文档,而每个bsp/module/app都配有对应的个性化说明文档,提供了接口说明和改进或进一步开发的建议。

建议以自上而下的方式阅读代码,app-》module-》bsp,为此我们还提供了框架的说明视频,分别讲解每个抽象层和总体的设计思路,介绍了bsp的依赖HAL,还有一些杂碎的开发相关知识:basic_framework教程

运行单个bsp/module测试

每个bsp和module的文件夹中都有各自的说明文档,测试用例和使用方法都在文档中给出,非常方便。

想要进行硬件查错、连线检查或测试,如测试开发板功能(外设)是否完好,电机电调能否正常使用,或给新人提供教学,只要:

  1. 将main.c中的RoboInit()函数删除,然后包含bsp_init.h头文件,在原RoboInit()的位置添加一个BSPInit()
  2. 包含用于测试的bsp或module头文件,根据说明文档的用例初始化对应的支持包或模块即可。
  3. 同时可以将实时系统的初始化注释或删除,在main.cwhile(1)主循环中进行测试,也可以使用bsp_tim.h提供的定时任务。
  4. 编译,下载,运行,调试。

我们为机械和视觉的同学能方便测试硬件模块的好坏,设计了一套通过串口和遥控器控制的硬件功能测试程序,使得其他技术组成员可以操作这个”黑箱“,在没有电控组成员的时候也不会卡住其他队员的进度。

VSCode集成工具

我们在.vscode下提供了编写好的一些任务,包括编译,烧录,启动RTT终端(LOG),启动Ozone调试等。有些功能需要配置vscode的插件设置或将一些可执行文件加入环境变量,这些步骤已经在VSCode+Ozone使用方法.md中给出;launch.json里包含了最常见的四种调试任务:使用jlink-server/openocd,启动或附加调试。

for pro-user

Makefile提供了脚本化的Makefile.upgrade,使用后者可以获取更好的开发体验。

可以自行添加需要的编译优化,进行更高级别的定制。

ST官方现在将HAL放入github维护。想要获取最新的支持,可以自行下载,加入本项目编译。

若希望纯开源使用,可以自定义openocd调试和烧录选项,参考根目录的openocd_dap.cfg和openocd_jlink.cfg。

若希望自己编译特定版本的cmsis-dsp或cmsis-os,请前往官方的github仓库下载,将构建规则加入makefile。

我们还增加了CMakeLists.txt以融入更现代化的构建系统,若你希望使用cmake,相信你有能力配置相关的开发环境。可以参考我们的powerful_framework.

如果实时系统任务需要的栈空间不够,请在CubeMX初始化配置中增大任务栈。一些freertos支持的高级功能请自行在配置页开启宏定义后重新生成。

...


后续计划

  • .Doc/TODO.md中列举了一些可能的功能增强和优化。
  • 将所有配置移动到一处,方便修改(统一放入app/robot_def.h中?)
  • 为三个层级都增加入门级培训教程,可以单独运行各个模块以方便上手。
  • 优化pub-sub消息机制的性能,同时将app的任务尽可能修改为状态机+事件驱动的回调机制。
  • 使用Qt或命令行为机器人配置(主要是robot_def和各个任务中的module初始化配置)编写UI界面,实现无代码机器人部署。
  • 为框架编写ROSdriver,通过usb连接到上位机(NUC),合并视觉/算法和电控的工作流。

致谢

本框架设计参考了哈尔滨工业大学(深圳)南工骁鹰🦅战队的EC_framework以及RoboMaster官方的RoboRTS-firmware🤖。姿态解算改进自哈尔滨工程大学创梦之翼🛩️的四元数EKF姿态解算。裁判系统数据解析移植了深圳大学RoboPilot2021年电控英雄开源代码。

感谢2022-2023赛季跃鹿战队电控组参与新框架测试和开发的队员们,包括设计出机器人平台的机械组队员,还有一起联调的视觉组队员,以及负责拍摄、记录、宣传的运营组成员。

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