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Auto-Aim Mobile Bot — 系统架构

概述

Auto-Aim Mobile Bot 是一个基于多处理器分布式架构的自动瞄准移动机器人系统。系统由四个功能模块组成，分别运行在独立的硬件平台上，通过串口和网络进行实时通信。

硬件拓扑

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                         Jetson (aarch64)                          │
│  ┌─────────────┐  ┌──────────────┐  ┌─────────────────────────┐  │
│  │ 工业相机      │  │ vision (ROS2)│  │ Nginx :80               │  │
│  │ (Hikrobot)   │  │ - 目标检测    │  │ - 前端静态文件            │  │
│  │              │  │ - PnP 位姿   │  │ - /stream → web_video    │  │
│  │              │  │ - HTTP API   │  │ - /api → web_node        │  │
│  └──────────────┘  └──────┬───────┘  └─────────────────────────┘  │
│                           │ UART                                  │
│          ┌────────────────┼────────────────┐                      │
│          ▼                ▼                ▼                      │
│  ┌─────────────┐  ┌────────────┐  ┌──────────────┐               │
│  │ Gimbal MCU  │  │Chassis MCU │  │ 激光模组       │               │
│  │ (STM32H723) │  │(MSPM0G3507)│  │ (GPIO 控制)   │               │
│  └──────┬──────┘  └──────┬─────┘  └──────────────┘               │
│         │                │                                        │
│    ┌────┴────┐      ┌────┴────┐                                   │
│    │DM-G6220 │      │ 左轮电机  │                                   │
│    │DM-J4310 │      │ 右轮电机  │                                   │
│    │BMI088   │      │ICM-42688│                                   │
│    └─────────┘      │灰度传感器 │                                   │
│                     └─────────┘                                   │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────┘

模块架构

1. Vision (ROS2 视觉处理) — modules/vision/

运行在 NVIDIA Jetson 上，是整个系统的"眼睛"和"大脑"。

• 技术栈: ROS2 Humble, Python 3, OpenCV, Microdot
• 核心功能:
  • Hikrobot 工业相机图像采集
  • Otsu 二值化 + 轮廓层级矩形检测
  • PnP 位姿估计 (SOLVEPNP_IPPE)
  • 激光光斑世界坐标计算
  • HTTP REST API (模式切换、PID 配置、激光控制)
• 串口通信: 与云台 (921600bps) 和底盘 (115200bps) 通过定制二进制帧协议通信
• Web 服务: rosbridge WebSocket (9090), web_video_server (8081), Nginx (80)

2. Gimbal (云台控制) — modules/gimbal/

运行在 STM32H723ZG (Cortex-M7, 480MHz) 上，控制两轴云台实现视觉追踪。

• 技术栈: C, FreeRTOS, STM32CubeH7 HAL, CMSIS-DSP
• 核心功能:
  • BMI088 IMU 姿态解算 (四元数 EKF)
  • DM 电机双环 PID 控制 (外环视觉PID + 内环角度PID)
  • 上位机串口协议解析 (0xA5/A6/A7/A8 帧)
  • Pub-Sub 消息总线解耦模块
  • 三种工作模式: AUTO/MANUAL/DEBUG
• 控制频率: INS 1kHz, Motor 1kHz, Robot 500Hz, Daemon 100Hz

3. Chassis (底盘控制) — modules/chassis/

运行在 TI MSPM0G3507 (Cortex-M0+, 80MHz) 上，控制两轮差速底盘运动。

• 技术栈: C, Keil MDK, TI MSPM0 SDK
• 核心功能:
  • 双电机 PWM 驱动 + QEI 编码器测速
  • ICM-42688-P IMU 姿态解算 (Mahony AHRS)
  • 8 通道灰度传感器巡线
  • 三环 PID 控制 (速度环 / 角度环 / 位置环)
  • UART 串口命令解析 (0xA6/A7/A8/A9 帧)
  • 三种工作模式: AUTO/MANUAL/DEBUG

4. Vision-Web (前端) — modules/vision-web/

基于 Vue 3 的 Web 前端，提供远程监控和遥控。

• 技术栈: Vue 3, Vite, Vue Router 4, roslibjs
• 页面:
  • AutoMode: MJPEG 视频流实时预览
  • ManualMode: WASD + 方向键键盘遥控底盘和云台
  • DebugMode: 在线 PID 参数调节
• 通信: rosbridge WebSocket (实时控制), HTTP REST (模式切换), MJPEG (视频流)

数据流

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  camera_node ──/camera/image_raw──► vision_node                  │
│                                       │                          │
│                    ┌──────────────────┼──────────────┐           │
│                    ▼                  ▼              ▼           │
│              /vision/target    /vision/result   /vision/debug    │
│                    │                  │              │           │
│                    ▼                  ▼              ▼           │
│             gimbal_node        web_video_server (MJPEG)          │
│                    │                  │                           │
│                    ▼                  ▼                           │
│            UART 0xA5 帧       浏览器 <img> 标签                    │
│                    │                                              │
│                    ▼                                              │
│            Gimbal MCU (USART10)                                   │
│                    │                                              │
│                    ▼                                              │
│            robot_cmd ──gimbal_cmd──► gimbal ──► DM Motor         │
│                                                                   │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐         │
│  │ 浏览器 (Vue3)                                        │         │
│  │                                                      │         │
│  │ ManualMode: WASD → roslibjs → /cmd_chassis          │         │
│  │                                                      │         │
│  │             方向键 → roslibjs → /cmd_gimbal           │         │
│  │                                                      │         │
│  │ J 键 → fetch POST /api/laser                        │         │
│  └─────────────────────────────────────────────────────┘         │
│                                                                   │
│  ┌─────────────────────────────────────────┐                     │
│  │ web_node (:8080)                         │                     │
│  │                                           │                     │
│  │ POST /api/gimbal/mode/switch → /gimbal/mode                    │
│  │ POST /api/chassis/mode/switch → /chassis/mode                  │
│  │ POST /api/laser → /laser/command                               │
│  │ GET/POST /api/gimbal/pidconfig → /web/gimbal_pid_config       │
│  │ GET/POST /api/chassis/pidconfig → /web/chassis_pid_config     │
│  └─────────────────────────────────────────┘                     │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

通信协议

系统内部使用统一的二进制帧协议，帧头区分帧类型，校验和为字节累加。

云台协议 (USART10, 921600bps)

帧头	长度	方向	用途
0xA5	18B	PC→MCU	自动追踪 (measure_x, ref_x, measure_y, ref_y)
0xA6	10B	PC→MCU	手动控制 (yaw_vel, pitch_vel)
0xA7	3B	PC→MCU	命令帧 (模式切换, 激光控制)
0xA8	50B	PC→MCU	PID 调参 (12 个 float)
0xA9	6B	PC→MCU	前馈角速度

底盘协议 (UART, 115200bps)

帧头	长度	方向	用途
0xA6	8B	PC→MCU	手动控制 (motor_speed_base, angle_velocity)
0xA7	3B	PC→MCU	命令帧 (模式切换)
0xA8	38B	PC→MCU	PID 调参 (9 个 float)
0xA9	6B	MCU→PC	前馈角速度

PID 控制层级

底盘:
  位置环 (50Hz) ──► 角度环 (50Hz) ──► 速度环 (100Hz)
  灰度传感器          IMU Yaw           编码器

云台:
  视觉环 (500Hz) ──► 角度环 (1kHz)
  图像测量             IMU 姿态

工作模式

模式	云台	底盘	说明
AUTO	视觉追踪目标	灰度巡线	全自主运行
MANUAL	接收角速度指令	接收速度指令	手动遥控
DEBUG	电机失能，可调参	电机失能，可调参	PID 在线调试

网络端口分配

端口	服务	协议
80	Nginx (前端 + 反代)	HTTP
8080	web_node (API)	HTTP
8081	web_video_server	HTTP (MJPEG)
9090	rosbridge	WebSocket

硬件规格

模块	MCU	主频	Flash	RAM	传感器
Gimbal	STM32H723ZG (Cortex-M7)	480MHz	1MB	128KB DTCM	BMI088 6轴 IMU
Chassis	MSPM0G3507 (Cortex-M0+)	80MHz	128KB	32KB	ICM-42688-P, 8ch 灰度
Vision	NVIDIA Jetson (aarch64)	—	—	—	Hikrobot 工业相机