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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 |