SkyLiCoder
8763b25839
- Remove CMSIS-RTOS v1 (cmsis_os.h/cmsis_os.c), add CMSIS-RTOS v2 (cmsis_os2.c/freertos_os2.h/mpool.h) - Update FreeRTOS kernel, port, and headers to match v2 integration - Remove unused heap implementations, keep heap_4 - Update CubeMX project config (.mxproject, .ioc, CMakeLists.txt) - Update FreeRTOSConfig.h, freertos.c, main.c, stm32h7xx_it.c - Update application modules (master_machine, dmmotor) - Add CMSIS-RTOS2 headers, mpu_syscall_numbers.h, newlib/picolibc support
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13 KiB
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# 项目架构：Basic_Framework_MC02 (DM 云台控制系统)
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## 概览
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基于 **STM32H723** (Cortex-M7, 480MHz) 的达妙电机云台控制系统。采用 FreeRTOS，通过 IMU 反馈实现角度闭环，通过串口接收上位机指令实现视觉追踪。项目源自 HNU YueLu EC RoboMaster 项目，经重构精简为纯云台控制。
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## 一、硬件与通信
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| 资源 | 用途 |
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| **FDCAN1** | 电机控制总线 (DM-G6220 yaw, DM-J4310-2EC pitch) |
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| **USART10** | 上位机通信 (master_machine 协议) |
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| **USART7** | VoFA 调试输出 |
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| **USART1** | 板间通信 (BoardComm) |
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| **SPI2** | BMI088 IMU 传感器 |
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## 二、分层架构
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┌──────────────────────────────────────────────┐
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│ application/ 应用层 │
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│ robot.c → robot_cmd → gimbal │
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├──────────────────────────────────────────────┤
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│ modules/ 模块层 │
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│ motor, imu, master_machine, algorithm, ... │
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├──────────────────────────────────────────────┤
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│ bsp/ 板级支持包 │
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│ can, usart, spi, dwt, log, gpio │
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├──────────────────────────────────────────────┤
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│ Drivers/ HAL 驱动层 (CubeMX 生成) │
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│ STM32H7xx_HAL, CMSIS, FreeRTOS │
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└──────────────────────────────────────────────┘
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## 三、启动流程
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main()
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├── HAL_Init() → SystemClock_Config() → MX_*_Init() // CubeMX 外设初始化
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└── RobotInit()
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├── BSPInit() // DWT + Log
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├── RobotCMDInit() // pub-sub, 视觉PID, 串口初始化
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├── GimbalInit() // IMU + DM 电机初始化
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└── OSTaskInit() // 创建 4 个 RTOS 任务
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### FreeRTOS 任务
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| 任务 | 频率 | 优先级 | 功能 |
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|------|------|--------|------|
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| **INS Task** | 1kHz | AboveNormal | BMI088 读取 → 四元数 EKF 姿态解算 |
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| **Motor Task** | 1kHz | Normal | DM 电机角度 PID → CAN 速度指令发送 |
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| **Robot Task** | 500Hz | Normal | 上位机命令处理 + 模式切换 + 控制执行 |
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| **Daemon Task** | 100Hz | Normal | 模块看门狗 + 蜂鸣器 |
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## 四、PID 双环架构
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┌──────────────────────────────────────────────────────┐
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│ application/cmd/robot_cmd.c (外环, 500Hz) │
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│ │
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│ 上位机 0xA5 帧 → error_x/y → KF → vision PID │
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│ → 角度增量 → 累计 angle ref │
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│ 上位机 0xA6 帧 → yaw_ref/pitch_ref 直接设定 │
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│ │
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│ ProcessCommand() 处理模式切换 / 激光控制 │
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└──────────────────────┬───────────────────────────────┘
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│ gimbal_cmd (pub-sub)
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┌──────────────────────────────────────────────────────┐
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│ application/gimbal/gimbal.c (传递, 500Hz) │
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│ │
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│ DMMotorSetRef(yaw, cmd.yaw) │
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│ DMMotorSetRef(pitch, cmd.pitch) │
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│ 反馈: gimbal_feed → gimbal_IMU_data 指针 │
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└──────────────────────┬───────────────────────────────┘
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│
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▼
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┌──────────────────────────────────────────────────────┐
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│ modules/motor/DMmotor/ (内环, 1kHz) │
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│ │
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│ IMU 角度反馈 → angle PID → velocity output │
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│ → DMMotorSendVelocity() → CAN 速度模式 │
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│ output_reverse 控制输出方向 │
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└──────────────────────────────────────────────────────┘
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## 五、上位机串口协议
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位于 `modules/master_machine/`。三种帧类型，通过帧头区分。
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### 自动/视觉追踪数据帧 `0xA5` (10 字节)
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| 字节 | 0 | 1-4 | 5-8 | 9 |
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| 内容 | 0xA5 | error_x (float) | error_y (float) | checksum |
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### 手动控制数据帧 `0xA6` (11 字节)
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| 字节 | 0 | 1 | 2-5 | 6-9 | 10 |
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|------|---|-----|-----|-----|----|
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| 内容 | 0xA6 | zero_force | yaw_ref (float) | pitch_ref (float) | checksum |
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### 命令帧 `0xA7` (3 字节)
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| 字节 | 0 | 1 | 2 |
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|------|---|-----|----|
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| 内容 | 0xA7 | cmd | checksum |
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命令码：`0x01` 切换到自动模式, `0x02` 切换到手动模式, `0x03` 激光开, `0x04` 激光关
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### 数据流
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上位机 USART10 → DecodeVision() → vision_data (全局结构体)
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├── 0xA5 → auto_updated=1, error_x/y
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├── 0xA6 → manual_updated=1, zero_force, yaw_ref/pitch_ref
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└── 0xA7 → cmd_pending=1, cmd
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robot_cmd 每轮:
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ProcessCommand() → 模式切换 / 激光
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AUTO: vision_data.error_x/y → KF → vision PID → 角度增量
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MANUAL: vision_data.yaw_ref/pitch_ref → 直接设定
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PubPushMessage(gimbal_cmd) → gimbal 执行
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## 六、DM 电机驱动
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位于 `modules/motor/DMmotor/`。基于 DM_6220 参考协议。
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### 速度模式 (当前默认)
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CAN ID = motor_id + 0x200，发送 float velocity (4 bytes)。
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DMMotorControl() @ 1kHz:
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PIDCalculate(angle_PID, IMU_angle, pid_ref) → velocity
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output_reverse? → DMMotorSendVelocity() → CAN
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### 电机配置
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| 电机 | CAN ID | 反馈 ID | 模式 | MIT KP/KD |
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|------|--------|---------|------|-----------|
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| DM-G6220 (Yaw) | 0x01 | 0xF1 | Velocity | — |
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| DM-J4310-2EC (Pitch) | 0x02 | 0xF2 | Velocity | — |
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### API
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| 函数 | 说明 |
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| `DMMotorInit()` | 初始化电机实例 (CAN 注册, PID 初始化, daemon) |
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| `DMMotorSetRef()` | 设定角度参考值 (degrees) |
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| `DMMotorControl()` | 1kHz 控制循环 (所有电机) |
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| `DMMotorSetMode()` | 发送命令 (使能/停止/清零/清除错误) |
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| `DMMotorSendVelocity()` | 速度模式 CAN 发送 |
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| `DMMotorSendMIT()` | MIT 模式 CAN 发送 |
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| `DMMotorSendPosVel()` | 位置-速度模式 CAN 发送 |
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## 七、模块层
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| 分类 | 模块 | 功能 |
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| **电机** | `motor/DMmotor` | 达妙电机驱动 (MIT/PosVel/Velocity 三模式) |
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| | `motor/motor_task` | 电机控制统一调度 (`DMMotorControl`) |
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| **姿态** | `imu/ins_task` | 惯导解算 (四元数 EKF, 返回 INS_t 指针) |
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| | `imu/BMI088driver` | BMI088 SPI 读取 |
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| | `imu/BMI088Middleware` | BMI088 数据换算 |
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| **算法** | `algorithm/controller` | PID 控制器 (梯形积分/变速积分/微分先行/输出滤波) |
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| | `algorithm/kalman_filter` | 卡尔曼滤波器 (自适应) |
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| | `algorithm/QuaternionEKF` | 四元数 EKF (陀螺零偏估计/卡方检验) |
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| | `algorithm/crc8/crc16` | CRC 校验 |
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| | `algorithm/user_lib` | 数学/工具函数 |
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| **通信** | `master_machine` | 上位机通信 (0xA5/0xA6/0xA7 协议, 接收+解析) |
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| | `timachine/board_comm` | 板间通信 |
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| | `message_center` | Pub-Sub 消息中间件 (链表, FIFO) |
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| **系统** | `daemon` | 看门狗 (重载计数+离线回调) |
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| | `alarm/buzzer` | 蜂鸣器 |
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| | `vofa` | VoFA+ 调试输出 |
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## 八、BSP 驱动层
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实例化注册模式 (不注册不初始化)：
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| 模块 | 功能 |
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| `bsp_dwt` | DWT 周期计数器 (μs/ms 延时, 时间戳) |
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| `bsp_can` | FDCAN 收发 (FIFO+中断) |
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| `bsp_usart` | 串口收发 (DMA+环形缓冲区) |
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| `bsp_spi` | SPI 通信 |
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| `bsp_log` | SEGGER RTT + 串口日志 |
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| `bsp_pwm` | PWM 输出 |
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## 九、数据流
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┌──────────────┐
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│ 上位机 │
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│ (USART10) │
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└──────┬───────┘
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│ 0xA5 / 0xA6 / 0xA7
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▼
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┌────────────────────────┐
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│ RobotCMD │
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│ ProcessCommand() │ ← 模式切换/激光
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│ VisionTrackingSet() │ ← KF → vision PID → 角度增量
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│ ManualModeSet() │ ← 直接角度参考
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│ PubPushMessage() │
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└───────────┬────────────┘
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│ gimbal_cmd
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▼
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┌────────────────────────┐
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│ Gimbal │
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│ DMMotorSetRef() │
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│ 反馈: gimbal_feed │ ← INS_t* 指针
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└───────────┬────────────┘
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│ angle ref
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▼
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┌────────────────────────┐
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│ DMMotor │ (1kHz Motor Task)
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│ IMU angle → PID │
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│ → Velocity mode CAN │
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└────────────────────────┘
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│
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┌───────────┴────────────┐
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│ DM-G6220 DM-J4310 │
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│ (Yaw) (Pitch) │
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└────────────────────────┘
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## 十、关键设计
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1. **IMU 反馈替代编码器** — 云台 Yaw/Pitch 使用 INS_t 中的 YawTotalAngle/Pitch 和 Gyro[]
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2. **速度模式控制** — MCU 跑角度 PID，电机内部处理速度闭环
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3. **伪 Pub-Sub** — 应用间通过 message_center 解耦
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4. **Daemon 看门狗** — 每个外设模块独立 DaemonInstance，离线自动回调
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5. **BSP 实例化注册** — CAN/串口不注册不初始化
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6. **KF + PID 级联** — 视觉误差经 KF 平滑 → vision PID → 角度增量 → 内环角度 PID
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7. **模式切换重置** — 切换到自动模式时重置 KF 状态 (x=0, P=diag(5,5)) 和 PID 积分项
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8. **串口命令控制** — 模式切换、激光控制均通过 0xA7 命令帧触发
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9. **output_reverse** — PID 输出方向统一通过单标志位控制
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## 十一、项目规模
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| 类别 | 数量 |
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| C 源文件 | 96 |
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| ASM 源文件 | 2 |
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| 应用层模块 | 3 (robot, robot_cmd, gimbal) |
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| 模块层子模块 | 10 (motor, imu, algorithm, master_machine, message_center, daemon, buzzer, vofa, board_comm) |
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| BSP 驱动模块 | 8 |
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| FreeRTOS 任务 | 4 |
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| 最高控制频率 | 1kHz |
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| CPU 频率 | 480MHz |
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| FLASH 使用 | ~133 KB / 1 MB (13%) |
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| DTCMRAM 使用 | ~59 KB / 128 KB (46%) |
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## 十二、核心数据类型
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```c
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// INS 惯导实例 (ins_task.h)
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typedef struct {
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float q[4]; // 四元数
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float Gyro[3]; // 角速度 (rad/s)
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float Accel[3]; // 加速度 (m/s²)
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float Roll, Pitch, Yaw;
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float YawTotalAngle; // 多圈 yaw (degrees)
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} INS_t;
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// 云台控制指令 (robot_def.h)
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typedef struct {
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float yaw; // yaw 目标角度 (degrees)
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float pitch; // pitch 目标角度 (degrees)
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} Gimbal_Ctrl_Cmd_s;
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// 上位机数据 (master_machine.h)
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typedef struct {
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float error_x, error_y; // 自动模式: 归一化误差
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uint8_t auto_updated;
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uint8_t zero_force; // 手动模式: 零力标志
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float yaw_ref, pitch_ref; // 手动模式: 角度参考
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uint8_t manual_updated;
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uint8_t cmd, cmd_pending; // 命令
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float frequency;
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} VisionData_t;
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||
```
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