# 2023寒假控制组方向线上测试

**Repository Path**: sundm75/ControlGroupOnlineTest2023-1

## Basic Information

- **Project Name**: 2023寒假控制组方向线上测试
- **Description**: 北航机器人队2023寒假控制组方向线上测试题发布
- **Primary Language**: Unknown
- **License**: Not specified
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 1
- **Created**: 2024-12-09
- **Last Updated**: 2024-12-09

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# 2023控制组方向线上测试

## 第一周测试题

### 1.git基本操作

#### 任务简介

> Git是一个开源的分布式版本控制系统，用于敏捷高效地处理任何或小或大的项目,可以帮助你进行自动的版本管理。控制组**之后的线上测试都是通过`gitee`发布**，在多人协作的情况下，使用`git`就会相当的方便，能够有效地协调多位开发者对不同地方的改动。

#### 任务要求

- 安装git，并且注册好`gitee`账户与`git`绑定，并且点击[**邀请链接**](https://gitee.com/buaarobot_admin/ControlGroupOnlineTest2023-1/invite_link?invite=a52b4b8233cdc27b40c4a3364b2a87340efa1ab398cf655db7993663152babc539002b6344f4bd4c5f318cd36bbddc3a)加入本远程仓库
- 注意邀请链接的有效期为3天（28日-31日）
- 在想要克隆本仓库的地方，右键菜单点击“**`Git Bash Here`**”，输入以下代码，即可实现将远程仓库克隆到本地的操作，注意**之后的任务会放置在任务文件夹中**

```c
>>> git clone https://gitee.com/buaarobot_admin/ControlGroupOnlineTest2023-1.git
```

- 创建一个markdown文件，命名格式为{**{你的名字}.md**}，如`李明.md`  撰写你对本周题目的难度的看法。
- 创建一个markdown文件，简述自己对**git组成以及常见命令使用原理的理解**，命名格式为 {**{你的名字}ToMarkDown.md**}。  
- 两个文件统一放到`ControlGroupOnlineTest2023-1/第一周测试题/task1`下面。
- `git commit -m {改动的内容}` 在这里写清这次提交改动的内容:**{你的名字}提交task1**。
- 本任务结果提交方式为<font color='red'>**git提交**</font>   

#### 任务提示

- 可以使用`git push` 将本地所有未上传的提交推送到远程仓库
- 此时有可能会提示推送失败，这是因为远程仓库里面有本地未获取的提交
- 此时需要先`git pull`获取当前远程仓库的最新版本， 将远程仓库的最新版本和本地最新版本合并(`merge`)后，才能够推送 
- 第一次进行提交操作时需要登记提交者信息，提交时`git`会有相关的操作说明
- 更多详细的`git`用法请查询参考资料或借助网络搜索  

#### 注意

<font color="red" size=3>**不是**所有任务都需要利用git进行提交，第一周以及以后的其它任务提交方式**请以对应的任务说明为准**</font>

#### 参考资料

- [git入门教程](https://www.cnblogs.com/imyalost/p/8762522.html)
- [菜鸟教程yyds](https://www.runoob.com/git/git-tutorial.html)
- 一个可以打开md文件的软件：[Typora](https://www.typora.io/windows/dev_release.html)

### 2、底盘运动学

#### 任务简介

> RoboMaster比赛中的机器人绝大部分都是依靠轮式底盘完成运动，尤其是**麦克纳姆轮底盘**，其能够**同时完成平面上三个自由度的运动**。通过**底盘正运动学解算**，可以将底盘三自由度的运动向量解算成四个底盘电机的速度，再通过电机反馈的速度进行速度环控制。

#### 任务要求

- 子任务1：推导如图1所示麦克纳姆轮底盘正运动学。将**车体坐标系**下的目标速度大小、速度方向与角速度大小（方向默认俯视逆时针为正）解算到四个轮子转动**角速度**的公式，写出推导过程并说明各个参数的含义。部分说明与设定参数如下：

  *车体坐标系是与机器人底盘固连的坐标系，不论机器人处在场地上的什么位置，车体坐标系始终与车体姿态一致；

  *RoboMaster麦克纳姆轮直径d为152.5mm；

  *安装俯视图如图2所示，采用**O-长方形**安装，包含轮子编号和底盘尺寸。其中1和3为左旋麦克纳姆轮，2和4为右旋麦克纳姆轮；底盘宽为450mm，长为600mm。

<img src="./pics/MecanumWheelChassis.jpg" style="zoom:67%;" />

<div align=center>
    图1 麦克纳姆轮底盘
</div>
<img src="./pics/VerticalView.jpg" style="zoom:67%;" />

<div align=center>
    图2 底盘俯视图
</div>

- 子任务2：在上一问的基础上，考虑当给出**世界坐标系**下的机器人期望速度矢量与角速度矢量时，如何解算出四个轮子转动的角速度。给出公式，写出推导过程并说明参数含义。

  *世界坐标系是与场地固连的坐标系，被认为静止不动的、作为参考的坐标系。在机器人运动过程中，由于机器人底盘的旋转，车体坐标系会相对于世界坐标系转动一定的角度。

  *图中给出的速度矢量是在世界坐标系下描述的。

  *将本任务中的子任务1、2写在word文档中，word命名为{**{你的名字}+第一周底盘运动学**}。

<img src="./pics/ChassisinWCS.jpg" style="zoom:67%;" />

<div align=center>
    图3 世界坐标系下的底盘
</div>

- 子任务3：在`task2`文件夹中的`ChassisMotion.c `与 `ChassisMotion.h `中，根据注释提示补全代码，实现四轮麦克纳姆轮底盘各轮所需转速的解算任务。
- <font color='red'>**任务提交**</font>：本任务的文档和代码均放在 `第一周测试题/task2`文件夹下。提交方式为**邮箱提交**，地址为`bhjqrdkzz2022@163.com`(与其他需要邮箱提交的任务放在**同一个zip文件**中，zip文件命名格式为{**{你的名字}第一周测试题**}。

#### 任务提示

- 注意速度的合成与分解。一个刚体在做平移运动时其上各点速度是相同的。
- 注意世界坐标系与车体坐标系的关系，一般情况下RoboMaster比赛用的底盘只需完成平面运动，故只需要用一个角度便可表示车体坐标系相对世界坐标系的**姿态**。
- 车体坐标系原点在世界坐标系下的**位置**对求解速度没有影响。
- 程序有一定可读性，包含适当的注释；**即使没能完成任务，也请提交上来**，并且在同目录下创建一个Markdown文本文件中写明原因以及完成的进度情况。

#### 参考资料

- [麦克纳姆轮浅谈](https://zhuanlan.zhihu.com/p/20282234)
- [几种移动机器人底盘类型及其运动学](https://blog.csdn.net/qq_24706659/article/details/88342626)
- [RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档](./RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档.pdf)（第十七章）

### 3、机器人软件框架理解与应用

#### 任务简介

> 机器人的软件框架，主要包括**应用层（Application层）**、**板级支持包（BSP层）**和**算法层（algorithm层）**。软件工程上的分层设计，有利于提高代码的可维护性、可读性、复用性、可移植性等等。我们往往会将**板级支持包（BSP层）**和**算法层**中的函数进行封装，在实际应用中，初始化后直接调用即可。
>
> 其中，**PID算法**是算法层中常用的函数，是控制领域应用最广泛的算法，其计算流程与其应用场景并无关系。我们往往会将PID算法进行封装，在实际应用中，初始化后直接调用即可。

#### 任务要求

- 子任务1：阅读相关资料，如下图图4所示，简单说一说对于应用层（Application层）、板级支持包（BSP层）和算法层（algorithm层）的理解。写成一个word文档，命名格式为{**{你的名字}+机器人软件框架**}，字数不超过200字。

- 子任务2：通过查阅关于`PID`的资料，说一说P、I、D分别有什么作用，如果让你调节PID参数，你会如何开始调节。写成一个word文档，命名格式为{**{你的名字}+PID**}，字数不超过100字。

  <img src="./pics/RobotSoftware.jpg" style="zoom:67%;" />

  <div align=center>
      图4 机器人软件框架
  </div>

- 子任务3：在`task3`文件夹中，请完善`PID.c`中的两个空白函数，函数的功能已经在注释中写出。

- 子任务4：请根据自己编写好的函数进行对`PID.c`的封装。

  ​		需要达到的要求是用户在定义 `PID_t` 结构体后(例如 `PID_t TestPID`)，先运行`PID_StructInit`函数，再使用`TestPID.f_Calculate(&TestPID, Current_value, Target_value)`即可完成计算，计算的结果保存在结构体中。

- <font color='red'>**任务提交**</font>：本任务的文档和代码均放在 `第一周测试题/task3`文件夹下。提交方式为**邮箱提交**，地址为`bhjqrdkzz2022@163.com`(与其他需要邮箱提交的任务放在**同一个zip文件**中，zip文件命名格式为{**{你的名字}第一周测试题**}。

#### 任务提示

- 程序有一定可读性，包含适当的注释；**即使没能完成任务，也请提交上来**，并且在同目录下创建一个Markdown文本文件中写明原因以及完成的进度情况。

#### 参考资料

- [RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档](./RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档.pdf)（第二十章）
- [通俗易懂的PID控制算法讲解](https://www.bilibili.com/video/BV1et4y1i7Gm)

- [初识PID-搞懂PID概念](https://zhuanlan.zhihu.com/p/74131690)

## 第二周测试题

### 4、cubeMX和Keil入门

#### 任务简介

> STM32用的**CubeMX**是ST公司出品的一款C代码生成器软件，它的图形化工具界面可以让使用者可视化地选择所需的芯片，并设置选用任一引脚、任一外设。另外的，**CubeMX**还提供了自动识别引脚冲突、设置时钟树、功耗预测等功能。使用**CubeMX**能减轻底层开发工作量，节约时间。
>
> Keil5是一款非常友好和强大的C语言软件开发系统。Keil软件为用户提供清晰直观的操作界面，实用且便捷。Keil5具备编译器、安装包和调试跟踪等功能，完美支持Cortex-M、Cortex-R4、ARM7和ARM9系列器件。
>
> 机器人队控制组的主要任务都是在Keil5上完成的。

#### 任务要求

- 子任务1：查阅相关资料，简单认识`STM32`和`Keil5`，并下载安装`CubeMX`和`Keil5`软件。说一说你对`CubeMX`功能和便捷性的认识，写成一个word文档，命名格式为{**{你的名字}+CubeMX功能**}，字数不超过100字。

- 子任务2：查阅相关资料，了解**标准库、HAL库、LL库**的区别和联系，说一说你对标准库、HAL库、LL库三种库函数的**偏好及原因**，写成一个word文档，命名格式为{**{你的名字}+库函数偏好**}，字数不超过100字。

- 子任务3：仔细学习参考资料第零章和第一章内容。选择C型开发板对应STM32芯片，新建Keil工程，尝试编写程序，实现LED小灯的翻转。具体要求如下：

  *第1~5秒，控制LED小灯引脚每500ms翻转一次；

  *第6~10秒，控制LED小灯引脚每500μs翻转一次；

  *循环以上2步骤。

- <font color='red'>**任务提交**</font>：本任务的代码放在 `第二周测试题/task4`文件夹下。提交方式为**邮箱提交**，地址为`bhjqrdkzz2022@163.com`(与其他需要邮箱提交的任务放在**同一个zip文件**中，zip文件命名格式为{**{你的名字}第二周测试题**}。

#### 任务提示

- 程序有一定可读性，包含适当的注释；**即使没能完成任务，也请提交上来**，并且在同目录下创建一个Markdown文本文件中写明原因以及完成的进度情况。

#### 参考资料

- [世意法官网 (st.com)](https://www.st.com/content/st_com/zh.html)
- [RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档](./RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档.pdf)（第零章、第一章）
- [【野火】STM32 HAL库开发实战指南](https://www.bilibili.com/video/BV18X4y1M763)

### 5、裁判系统串口解析

#### 任务简介

> RoboMaster裁判系统是一个全自动的电子判罚系统，具有检测被弹丸攻击、显示机器人当前血量和状态、监测机器人地盘运动功率等功能。测速模块可以监测机器人发射弹丸的初速度与射速，相机图传模块可以为用户提供机器人第一人称视角，场地交互模块可以与场地交互数据，定位模块可以获取机器人在战场上的位置信息。用户使用多套裁判系统，可以组建一个多机对战系统。
>
> 串口通信指使用**串行接口**按位（bit）发送和接收字节的通信方式。串行接口是一种可以将接收来自**CPU**的**并行**数据字符转换为连续的**串行**数据流发送出去，同时可将接收的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。

#### 任务要求

- 如下图图5所示，在RoboMaster比赛中，机器人主控板需要接收部分**来自机器人身上搭载的裁判系统**的串口数据。

<img src="./pics/JudgmentSystem.jpg" style="zoom:67%;" />

<div align=center>
    图5 裁判系统用户接口说明
</div>

- 子任务1：查阅相关资料，仔细学习串口（UART）通信。选择C型开发板对应STM32芯片，新建Keil工程，尝试编写程序，实现简单的**裁判系统串口数据的接收**。具体要求如下：

  *串口配置：波特率115200，8位数据位，1位停止位，无硬件控流，无校验位；

  *串口协议如下图图6、图7、图8所示。利用该串口接收来自裁判系统的数据，判断是否为**比赛状态数据**，若是则进行解析，并将解析成果储存到相应的结构体中；

  *更多协议内容参考任务提示中《RoboMaster 裁判系统串口协议附录 V1.4（20220805）》文件。

<img src="./pics/dataframe.jpg" style="zoom:67%;" />

<div align=center>
    图6 裁判系统串口协议
</div>

<img src="./pics/dataframe2.jpg" style="zoom:67%;" />

<div align=center>
    图7 帧头定义和命令码ID
</div>

<img src="./pics/dataframe3.jpg" style="zoom:67%;" />

<div align=center>
    图8 比赛状态数据说明
</div>

- <font color='red'>**任务提交**</font>：本任务的代码放在 `第二周测试题/task5`文件夹下。提交方式为**邮箱提交**，地址为`bhjqrdkzz2022@163.com`(与其他需要邮箱提交的任务放在**同一个zip文件**中，zip文件命名格式为{**{你的名字}第二周测试题**}。

#### 任务提示

- 程序有一定可读性，包含适当的注释；**即使没能完成任务，也请提交上来**，并且在同目录下创建一个Markdown文本文件中写明原因以及完成的进度情况。

#### 参考资料

[【野火】STM32 HAL库开发实战指南](https://www.bilibili.com/video/BV18X4y1M763)

[RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档](./RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档.pdf)（第八章）

[RoboMaster 裁判系统串口协议附录 V1.4（20220805）.pdf (djicdn.com)](https://rm-static.djicdn.com/tem/17348/RoboMaster%20%E8%A3%81%E5%88%A4%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E4%B8%B2%E5%8F%A3%E5%8D%8F%E8%AE%AE%E9%99%84%E5%BD%95%20V1.4%EF%BC%8820220805%EF%BC%89.pdf)

### 6、认识无刷电机与CAN通信

#### 任务简介

> 机器人的驱动通常有电动、气动和液动三种，电机驱动是三种方式中功率密度最大、功能方式最简、伺服精度最高的控制方式。在移动式机器人中，常用直流电源（如航模电池）给电机供电，实现机器人的能源-驱动系统。
>
> 电动机一般分为同步电机和异步电机，其共同点是都需要旋转的磁场来产生驱动力。为了产生旋转的磁场，就需要交变的电流。因此，直流电机控制的核心技术是将直流电压逆变为交流电压，进而产生交变电流。逆变技术有很多种，最简单的是通过电刷换向，应用此技术的电机称为有刷直流电机（BDC: Brush Direct Current Motor）。直流有刷电机的优点为驱动电路简单、工作稳定、力矩大。其缺点为能量转换效率低、需要维护更换电刷、转速一般较低。
>
> 相应的，使用电子管换向而取代电刷换向的电机，称为无刷直流电机（BLDC: Brushless Direct Current Motor）。随着无刷电机控制技术的发展，更多的半导体公司推出了成熟的无刷电机控制方案。而由于无刷电机能量密度高、无需维护、效率高、伺服精度高的优点，移动机器人中使用无刷电机成为主流趋势。传统的BLDC控制方法是通过霍尔传感器以及换向电子管，因此其通过生产时对磁隙的调制，使反电动势为方波。而由于控制方法的精进，使得我们不仅可以用直流电源驱动BLDC，还可以直接使用直流电源驱动一些交流电机，比如永磁同步电机（PMSM: Permanent-Magnet Synchronous Motor），对其控制方法称为空间矢量控制（FOC: Field-Oriented Control）。
>
> 在北航机器人队中，我们通常使用PMSM作为机器人驱动器。

#### 任务要求

- 子任务1：以下为北航机器人队常用的M3508电机，属于**永磁同步无刷电机PMSM**。请根据下图，查阅资料，简述M3508的控制器**C620电调**（驱动器）的作用，写成一个word文档，命名格式为{**{你的名字}+C620作用**}，字数不超过100字。

<img src="./pics/M3508.jpg" style="zoom:67%;" />

- 子任务2：查阅相关资料，简述CAN通信相比于其他有线通信方式的优点，写成一个word文档，命名格式为{**{你的名字}+CAN功能**}，字数不超过100字。

- 子任务3：阅读参考资料“RM C610无刷电机调速器使用说明 发布版”中的“CAN通信协议”内容，任选一款含有CAN的STM32芯片，新建Keil工程尝试编写程序，利用STM32控制板与C610电调进行通信。具体提示如下：

  *阅读参考资料“RM C610无刷电机调速器使用说明 发布版”中的“电调反馈报文格式”内容，配置CAN过滤器，接收C610电调（认为帧ID为1）向总线上发送的反馈信息。。

  *阅读参考资料“RM C610无刷电机调速器使用说明 发布版”中“电调接收报文格式”，配置CAN发送格式，将任意大小的电流信息发送给电调。

- <font color='red'>**任务提交**</font>：本任务的代码放在 `第二周测试题/task6`文件夹下。提交方式为**邮箱提交**，地址为`bhjqrdkzz2022@163.com`(与其他需要邮箱提交的任务放在**同一个zip文件**中，zip文件命名格式为{**{你的名字}第二周测试题**}。

#### 任务提示

- 与C610电调通信的波特率为1Mbps。
- 程序有一定可读性，包含适当的注释；**即使没能完成任务，也请提交上来**，并且在同目录下创建一个Markdown文本文件中写明原因以及完成的进度情况。

#### 参考资料

- [大疆 RoboMaster 3508/2006/GM6020 电机使用教程](https://zhuanlan.zhihu.com/p/572827288)
- [RM C610无刷电机调速器使用说明 发布版](https://rm-static.djicdn.com/tem/RM%20C610%E6%97%A0%E5%88%B7%E7%94%B5%E6%9C%BA%E8%B0%83%E9%80%9F%E5%99%A8%E4%BD%BF%E7%94%A8%E8%AF%B4%E6%98%8E%20%E5%8F%91%E5%B8%83%E7%89%88.pdf)
- [RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档](./RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档.pdf)（第十四章）

## 附加题

### 7、FreeRTOS的简单认识

#### 任务简介

> RoboMaster的赛场上，机器人同时处理的任务、同时传递的消息繁多，这时候继续采用前后端的编程模式和全局变量的消息形式，就存在一定的局限性，不利于机器人控制逻辑的实现和代码的可维护性。这时候就需要使用嵌入式操作系统。在北航机器人队中，采用的嵌入式操作系统为FreeRTOS，几乎所有控制组的成员都需要掌握FreeRTOS的使用方法。

#### 任务要求

- 子任务1：查阅相关资料，简要谈谈为什么要使用嵌入式操作系统？字数不超过100字。
- 子任务2：查阅相关资料，谈谈你对操作系统FreeRTOS中任务、信号量等概念的理解？字数不超过200字。
- 子任务3：实现《RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档》第十五章教程内容。
- <font color='red'>**任务提交**</font>：不要求提交。如果有能力完成，可以进行**邮箱提交**，地址为`bhjqrdkzz2022@163.com`。

#### 参考资料

- [RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档](./RoboMaster开发板C型嵌入式软件教程文档.pdf)（第十五章）

### 8、了解RoboMaster比赛

#### 任务简介

> 全国大学生机器人大赛RoboMaster机甲大师赛，详情点击[RoboMaster 机甲大师赛](https://www.robomaster.com/zh-CN)

#### 任务要求

- 子任务1：查阅相关资料，简要谈谈你对RoboMaster的认识。
- 子任务2：北航机器人队计划于2024年首次参加RoboMaster的高校联盟赛，如果你能加入我们，简单谈谈你的计划和想要完成的目标。
- <font color='red'>**任务提交**</font>：可以进行**邮箱提交**，地址为`bhjqrdkzz2022@163.com`。