# 项目架构分析报告：Basic_Framework_MC02 (RoboMaster 云台机器人)

## 概览

这是一个基于 **STM32H723** (Cortex-M7) 的 RoboMaster 竞赛机器人控制项目。项目采用 FreeRTOS 实时操作系统，目前配置为**单板控制整车**（`ONE_BOARD` 模式），代码组织呈分层架构。项目由 **湖南大学岳麓电气 (HNU YueLu EC)** 开发。

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## 一、硬件与通信总览

| 资源 | 用途 |
|------|------|
| **FDCAN1/2/3** | 电机控制总线（DJI 电机、达妙电机等） |
| **USART1** | 板间通信 (BoardComm) |
| **USART5** | 遥控器 (DBUS/DR16) |
| **USART7** | VoFA 调试输出 |
| **USART10** | 视觉/上位机 (OpenCV 通信) |
| **SPI1/2** | BMI088 IMU 传感器、OLED |
| **I2C2** | 通用 I2C |
| **OCTOSPI2** | 外部 Flash (W25Qxx) |
| **TIM1/2/3/12** | PWM 输出、编码器输入、DWT 时钟基准 |
| **USB Device** | 虚拟串口 (CDC) |
| **ADC1** | 模拟量采集 |
| **GPIO** | 电源控制、激光器等 |

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## 二、分层架构

项目采用 **4 层架构**：

```
┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│  application/  应用层                                    │
│  robot.c → robot_cmd → gimbal / chassis / shoot         │
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│  modules/      模块层                                    │
│  motor, imu, referee, remote, vision, algorithm, ...    │
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│  bsp/          板级支持包                               │
│  can, usart, spi, iic, pwm, dwt, log, gpio             │
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│  Drivers/      HAL 驱动层 (CubeMX 生成)                 │
│  STM32H7xx_HAL, CMSIS, FreeRTOS, USB, SEGGER RTT       │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘
```

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## 三、启动与初始化流程

### 3.1 main() 启动序列

```
HAL_Init() → SystemClock_Config() → MX_GPIO_Init() → MX_DMA_Init()
→ MX_ADC1_Init() → MX_USB_DEVICE_Init() → MX_TIM/SPI/USART/UART/FDCAN/..._Init()
→ RobotInit()           ← 唯一的用户初始化入口
→ while(1) {}           ← 空循环，所有逻辑在 RTOS 任务中
```

### 3.2 RobotInit() 初始化链

```
RobotInit()
  ├── __disable_irq()                           // 关中断，保证初始化原子性
  ├── BSPInit()
  │     ├── DWT_Init(480)                       // 时钟周期计数器 (CPU=480MHz)
  │     └── BSPLogInit()                        // 日志系统（SEGGER RTT + 串口）
  ├── RobotCMDInit()                            // 核心命令任务初始化
  │     ├── RemoteControlInit(&huart5)          // 遥控器 (DBUS)
  │     ├── PubRegister() x6                    // 注册 6 个消息话题：
  │     │     gimbal_cmd / gimbal_feed          // 云台控制/反馈
  │     │     shoot_cmd / shoot_feed            // 发射控制/反馈
  │     │     chassis_cmd / chassis_feed        // 底盘控制/反馈
  │     ├── PIDInit() x2 (yaw + pitch 跟踪PID) // 视觉跟踪 PID 初始化
  │     ├── VisionKalmanFilterInit()            // 视觉误差卡尔曼滤波器
  │     ├── Vision_Uart_Init(&huart10)          // 视觉串口通信
  │     └── BoardCommInit(&huart1)              // 板间通信
  ├── GimbalInit()                              // 云台电机初始化
  │     ├── INS_Init() → BMI088 SPI 初始化     // IMU 惯导
  │     ├── PubRegister("gimbal_feed") / SubRegister("gimbal_cmd")
  │     ├── DJIMotorInit(GM6020) → yaw 电机    // Yaw: GM6020 直驱
  │     └── DMMotorInit() → pitch 电机         // Pitch: 达妙电机
  ├── OSTaskInit()                              // 创建 RTOS 任务
  │     ├── INS Task (1kHz, AboveNormal)        // 姿态解算最高优先级
  │     ├── Motor Task (1kHz, Normal)           // 电机控制
  │     ├── Daemon Task (100Hz, Normal)         // 看门狗/蜂鸣器
  │     ├── Robot Task (500Hz, Normal)          // 机器人核心控制
  │     └── DMMotorControlInit()                // 达妙大电机初始化
  └── __enable_irq()                            // 开中断
```

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## 四、FreeRTOS 任务架构

| 任务 | 频率 | 优先级 | 功能 |
|------|------|--------|------|
| **INS Task** | 1kHz | AboveNormal | 阻塞读取 BMI088，进行四元数 EKF 姿态解算 |
| **Motor Task** | 1kHz | Normal | DJI/LK/HT 电机 PID 闭环计算与 CAN 发送 |
| **Robot Task** | 500Hz | Normal | 调用 `RobotTask()` 串联各应用层任务 |
| **Daemon Task** | 100Hz | Normal | 模块看门狗喂狗检查 + 蜂鸣器控制 |

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## 五、消息中心 (Pub-Sub)

位于 `modules/message_center/`，这是应用层内部的核心通信机制：

- **发布者 (Publisher)**：以**话题名 (topic name)** 标识，通过**链表**管理订阅者
- **订阅者 (Subscriber)**：每个订阅者维护一个长度为 1 的 **FIFO 队列**
- 支持最多 **12 个话题**，话题名最长 **32 字符**

### 当前消息流：

```
robot_cmd (CMD) ──→ gimbal_cmd ──→ gimbal 应用
                 ├── chassis_cmd → chassis 应用
                 └── shoot_cmd ──→ shoot 应用

gimbal  ──→ gimbal_feed  ──→ robot_cmd (CMD)
chassis ──→ chassis_feed ──→ robot_cmd (CMD)
shoot   ──→ shoot_feed   ──→ robot_cmd (CMD)
```

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## 六、应用层模块

### 6.1 RobotCMD (`application/cmd/`) — 机器人大脑

核心决策模块，集成以下功能：

| 功能 | 说明 |
|------|------|
| **遥控器解析** | DBUS 协议，摇杆/开关/键鼠 |
| **视觉跟踪** | OpenCV 视觉数据 → 卡尔曼滤波 → PID 跟踪 → 云台角度控制 |
| **画圆模式** | 遥控器拨轮控制画圆轨迹跟踪 |
| **题号状态机** | 竞赛自动任务状态机，支持 6 种题号，含转向/搜索/跟踪子状态 |
| **急停处理** | 遥控器右侧开关拨下 → 所有电机零力输出 |
| **激光控制** | GPIO 控制激光笔开关 |

`RobotCMDTask()` 执行流程（500Hz）：

```
读取底盘/发射/云台反馈消息 → 判断控制模式(手动/自动/视觉)
→ EmergencyHandler(急停检测) → 推送控制消息给各应用
```

**题号状态机** (YunTaiState)：

```
YUNT_IDLE
  → NO1: 零力模式
  → NO2: 视觉跟踪 + 激光 (等待1.5s后开启激光)
  → NO3: 转向0度 → 视觉跟踪/搜索 → 激光 (3.5s后)
  → NO4_1: 转向-45度 → 视觉跟踪 + 前馈
  → NO4_3: 转向-45度 → 视觉跟踪 (error=60) + 画圆前馈
```

### 6.2 Gimbal (`application/gimbal/`) — 云台控制

- **Yaw 轴**：GM6020 (DJI 直驱电机)，CAN1 ID=0x01，IMU 反馈替代电机编码器
- **Pitch 轴**：达妙电机 (DM Motor)，CAN1 ID=0x06/0x16，IMU 反馈
- **控制模式**：
  - `GIMBAL_ZERO_FORCE`：零力
  - `GIMBAL_GYRO_MODE`：陀螺仪姿态闭环 (使用 IMU Pitch + YawTotalAngle)
- **特点**：角度/角速度反馈均来自 IMU（替代电机编码器），带有速度和电流前馈

### 6.3 Chassis (`application/chassis/`) — 底盘控制

- 麦克纳姆轮底盘 (Mecanum)，4x GM6020 电机
- 运动学解算：正逆运动学，云台→底盘坐标系变换
- 支持裁判系统功率限制和超级电容管理

### 6.4 Shoot (`application/shoot/`) — 发射控制

- **摩擦轮**：2x M3508 (CAN2 ID=1,2)，速度串联电流闭环
- **拨盘电机**：M2006 (CAN2 ID=3)，多模式：
  - `LOAD_STOP`：停止
  - `LOAD_1_BULLET`：单发（角度闭环，加减角度 = ONE_BULLET_DELTA_ANGLE）
  - `LOAD_3_BULLET`：三连发
  - `LOAD_BURSTFIRE`：连发（速度闭环，可调射频）
  - `LOAD_REVERSE`：反转
- **弹速模式**：15m/s / 18m/s / 30m/s
- 弹舱盖开关控制

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## 七、模块层 (modules/)

| 分类 | 模块 | 功能 |
|------|------|------|
| **电机** | `dji_motor` | DJI GM6020/M3508/M2006 标准电机驱动，串级 PID (角度→速度→电流) |
|  | `DMMotor` | 达妙电机 (DM Motor) 驱动 |
|  | `LKmotor` (LK9025) | LK 电机驱动 |
|  | `HTmotor` (HT04) | HT04 电机驱动 |
|  | `step_motor` | 步进电机 (含 X_V2 变体) |
|  | `servo_motor` | 舵机控制 |
|  | `motor_task` | 电机控制统一调度 (`MotorControlTask`) |
| **姿态** | `imu/ins_task` | 惯导解算：四元数 EKF，BMI088 传感器 |
|  | `imu/BMI088driver` | BMI088 SPI 底层读取 |
|  | `imu/BMI088Middleware` | BMI088 数据换算 |
| **算法** | `controller` | 通用 PID 控制器（支持变积分、梯形积分、微分先行、输出滤波等改进） |
|  | `kalman_filter` | 标准卡尔曼滤波器 + 自适应 (`UseAutoAdjustment`) |
|  | `QuaternionEKF` | 四元数扩展卡尔曼滤波 |
|  | `crc8/crc16` | CRC 校验 |
|  | `user_lib` | 通用数学/工具函数 |
| **通信** | `remote/remote_control` | DJI DBUS 遥控器解析 (位域优化) |
|  | `master_machine` | 视觉上位机通信 (SeaSky 协议) |
|  | `referee` | 裁判系统 (RM Referee Protocol, UI 绘制) |
|  | `can_comm` | CAN 通信抽象层（双板情况下的数据转发） |
|  | `board_comm` | 板间通信（固定帧格式: 帧头 + 2x int32 + 2x float + 校验） |
|  | `bluetooth/HC05` | HC05 蓝牙模块 |
|  | `opencv` | OpenCV 视觉数据处理 |
| **辅助** | `message_center` | Pub-Sub 消息中间件（伪发布订阅，仅做应用间隔离） |
|  | `daemon` | 看门狗守护进程（在线检测 + 异常回调） |
|  | `alarm/buzzer` | 蜂鸣器告警 |
|  | `vofa` | 调试数据可视化 (VoFA+ FireWater) |
|  | `oled` | OLED 显示屏 |
|  | `super_cap` | 超级电容管理 |

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## 八、BSP 驱动层

所有 BSP 驱动采用**实例化注册**模式（不注册不初始化）：

| 模块 | 功能 |
|------|------|
| `bsp_dwt` | DWT 时钟周期计数器（精确延时 μs/ms，时间戳获取） |
| `bsp_can` | CAN 总线收发封装（FIFO+中断，实例化注册） |
| `bsp_usart` | 串口收发封装（DMA+环形缓冲区，实例化注册） |
| `bsp_spi` | SPI 通信封装 |
| `bsp_iic` | I2C 通信封装 |
| `bsp_pwm` | PWM 输出（支持 DMA 传输） |
| `bsp_gpio` | GPIO 管理 |
| `bsp_log` | SEGGER RTT + 串口日志输出（LOGINFO/LOGERROR/LOGWARNING） |
| `bsp_tools` | RTOS 任务创建工具 (`CreateCallbackTask`) |

---

## 九、数据流与控制流总结

```
                    ┌─────────────┐
                    │  遥控器DBUS  │
                    │  (USART5)   │
                    └──────┬──────┘
                           ↓
              ┌────────────────────────┐
              │      RobotCMD          │
              │   ┌─────────────────┐  │
              │   │ RemoteControlSet│  │ ← 手动模式 (遥控器调试)
              │   │ AutoSet (题号)  │  │ ← 自动模式 (竞赛任务)
              │   └───────┬─────────┘  │
              │           ↓            │
              │   发布: gimbal_cmd     │──→ Gimbal (云台 PID → IMU 反馈)
              │         chassis_cmd    │──→ Chassis (运动学 → 麦轮)
              │         shoot_cmd      │──→ Shoot (摩擦轮/拨盘)
              └────────────────────────┘
                           ↑
              ┌────────────┴───────────┐
              │  反馈: gimbal_feed     │ ← 云台姿态 + 电机角度
              │        chassis_feed    │ ← 底盘速度 + 热量
              │        shoot_feed      │ ← 发射状态
              └────────────────────────┘

   视觉/OpenCV (USART10) ──→ 卡尔曼滤波 ──→ PID ──→ 云台角度控制
   板间通信 (USART1)     ──→ BoardComm  ──→ 题号/坐标数据
   裁判系统               ──→ 热量/弹速/UI 绘制
```

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## 十、关键设计特点

1. **IMU 替代电机反馈**：云台 Yaw/Pitch 使用陀螺仪角度/角速度替代编码器，实现更高精度姿态闭环
2. **伪 Pub-Sub 模式**：应用间通过 `message_center` 解耦，支持单板/双板条件编译切换（`ONE_BOARD` / `GIMBAL_BOARD` / `CHASSIS_BOARD`）
3. **Daemon 看门狗**：每个外设模块注册独立的 `DaemonInstance`（重载计数 + 离线回调），模块离线时自动触发异常处理
4. **BSP 实例化注册**：CAN/串口等外设不注册不初始化，避免资源浪费
5. **竞赛状态机**：完整的题号自动任务流程（转向→搜索→跟踪→激光打击）
6. **卡尔曼滤波 + PID 级联**：视觉误差经过 KF 平滑后由 PID 计算输出，带前馈补偿
7. **位域优化**：遥控器键盘状态使用位域 (`Key_t`)，空间减少 8 倍
8. **条件编译**：单板/双板/电机类型/视觉通信方式均通过宏定义切换

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## 十一、项目规模统计

| 类别 | 数量 |
|------|------|
| C 源文件 | 115 个 |
| ASM 源文件 | 2 个 |
| 应用层模块 | 4 (robot_cmd, gimbal, chassis, shoot) |
| 模块层子模块 | 20+ (电机×6, 姿态×3, 算法×5, 通信×7, 辅助×5) |
| BSP 驱动模块 | 10 |
| FreeRTOS 任务 | 4 (默认) |
| 最高控制频率 | 1kHz |
| CPU 频率 | 480MHz (PLL = HSE 8MHz / 2 × 40 / 2) |
| FLASH 使用 | 161,556 B / 1 MB (15.41%) |
| DTCMRAM 使用 | 60,920 B / 128 KB (46.48%) |

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## 十二、电机配置速查

| 电机 | 类型 | CAN 总线 | TX ID | 控制闭环 | PID 级联 |
|------|------|----------|-------|----------|----------|
| Yaw (云台) | GM6020 | CAN1 | 0x01 | 角度+速度 | Angle → Speed (IMU 反馈) |
| Pitch (云台) | DM Motor | CAN1 | 0x06/0x16 | 角度+速度 | Angle → Speed (IMU 反馈) |
| 摩擦轮 左 | M3508 | CAN2 | 0x01 | 速度+电流 | Speed → Current |
| 摩擦轮 右 | M3508 | CAN2 | 0x02 | 速度+电流 | Speed → Current (反转) |
| 拨盘 | M2006 | CAN2 | 0x03 | 角度/速度+电流 | Angle/Speed → Current |

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## 十三、关键配置宏 (`robot_def.h`)

```c
#define ONE_BOARD              // 单板控制整车
#define VISION_USE_UART        // 使用串口发送视觉数据
#define YAW_CHASSIS_ALIGN_ECD  2711   // 云台底盘对齐编码器值
#define PITCH_HORIZON_ECD      3412   // 云台水平位置编码器值
#define ONE_BULLET_DELTA_ANGLE 36     // 单发弹丸拨盘转动角度
#define WHEEL_BASE             350    // 纵向轴距 (mm)
#define TRACK_WIDTH            300    // 横向轮距 (mm)
#define RADIUS_WHEEL           60     // 轮子半径 (mm)
```