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机器人研发之路:从代码开源到中坚力量缺失,南工骁鹰如何应对?

作者:软荐小编      2024-09-17 09:04:05     161

俗话说,美丽的外表都是相似的,有趣的灵魂却很少见。一个机器人是否“有趣”,完全取决于它大脑中运行的代码。

但当时只有一个人懂这方面的编程,更别说机器人的算法了。我完全糊涂了。

幸好,当年的比赛组委会开源了官方步兵机器人的代码,他们就像抓住了救命稻草一样,一点一点地完善官方代码,终于让第一个机器人动了起来。

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国大小英第一款机器人

从此以后,一切似乎都步入正轨。

但杀意却始终潜伏。

2017年的寒假如期而至,和往年的寒假一样,大家都回家过年、走亲访友,转眼间又开学了,几乎每个人都胖了好几斤。

队长这时候就皱起了眉头,因为很多研究生因为导师的任务要离开,队伍里一下子就缺少了一个主心骨。

队长见研发力量不够,便摆摆手说道:“让新生也参加研发吧!”

于是大一的同学就接手了机械组的工作,大家第一次肩负起如此重任,感受到前所未有的责任感,兴奋之情难以言表,团队又热情起来。

但新生毕竟是新生,没有经验,也没人指导,机械组很快就落后了,电控组的研究生们就开始催促,最后队长只好摆摆手,“大家换机械组吧!”

剩下的研究生全部停下了手中的工作,就连无人机研发团队也加入了机械组,大家被分到各个兵种,并指定一名研究生为总队长,带领着一年级新生进行设计、钻孔、拧螺丝。

众英雄齐心协力,最终按时完成了机器人,提交了完整的视频报告,并成功参加了比赛。

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一年级机器人及其操作员

毕竟他们只是新人,而且还在当年的决赛中落败。

事后,电控组组长感叹:

“我已经研究这个问题一年了,但我做出的只是一辆遥控汽车,但至少我给了你一个开始。”

毫无意外,那一年的研究生学长全部退出了队伍,重任就落到了这群即将迈入大二的人的肩上。

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黑暗时代

2017年,以二年级学生为核心的NUST Eagles队继续参加此项赛事。

现在回想起来,这一年是NUG Eagles最黑暗的时期。

还要提一句,去年的总决赛,华南理工大学横扫全场夺冠,而西南电子科技大学这个大魔王却落败,竞争之残酷可见一斑。

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RoboMaster 2018颁奖典礼

今年,RM全称改为RoboMaster,并加入了哨兵机器人,同时取消了基地机器人的开发,改为官方供应,同时比赛场地也做了很大的改变,往年的设计和策略几乎都不能用了,这对于每支队伍来说都是一个全新的挑战。

由于之前研发人员的退出,NUG小影刚刚经历了一次大变动,显得有些萎靡不振。

新任队长不懂如何管理队伍,只会怀着一颗负责任的心,凭感觉行事,但事态却常常事与愿违,最终导致队伍士气低落文泰软件教程视频,军队一片混乱。

但至少各组的组长都被抓住了,各组的进度虽然缓慢,但却没有停滞。

危机往往来得猝不及防,这一次也不例外,幸运的是,这次危机比往年来得早一些。

2017年寒假伊始,按照往年的惯例,整个团队都会留在校园内进行机器人研发。由于寒假期间没有课程作业,团队成员可以整天呆在实验室里,这也是全年进度最快的时期。

和去年类似,也有大批研究生提出退队,不过去年是机械组,今年是电控组,这次更彻底,一个人都没有。

这天晚上,仍然奋斗在机械组的组长在自己的工作台上坐到深夜。

黑夜里,月亮从窗外升起,他放眼望去,却见树叶在黑夜里摇曳,整栋教学楼只有眼前的一盏灯火。

他懂得了,靠自己比靠别人好,既然别人不靠谱,那他就自己来吧。

第二天晚上的例会上,他站在全体队员面前,拍着胸脯对大家说:“电控没有问题,下周电机就能跑起来了!”

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当天,这位船长在社交媒体上宣布了自己的职业变动。

嵌入式开发的漫长征程已经开始。

那天晚上,他整晚都在研究代码。你可以想象一下,一个曾经是机械组学霸的年轻人,坐在小房间里,捧着《零死角STM32》和《STM32F4xx中文参考手册》,上Atom开源电子网,看着普众、野火、原子哥的视频教程,时而感慨,时而恍然大悟,是什么样的感觉。

那几天,窗外下着雨,拉上窗帘,分不清白天和黑夜,有时以为还是早上,却已经是晚上六点;有时突然想不起中午吃了什么。

功夫不负有心人,一周后,例会前一天晚上,电机成功启动,他的笑声响彻整个楼层。

与此同时,机械团队还完成了新一代步兵机器人的设计。

冬去春来,枝头萌发新芽,一年一度的热身赛又到了。

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热身赛是政府组织的唯一官方场地适应性训练,真实模拟比赛流程,通过实战对抗检验自身战斗力、磨练战术配合。

由于正式比赛场地比篮球场略大,很多学校没有条件在自家的实验室里建设完整的场地进行训练,所以很多学校会抓住这个独特的场地适应性训练,来测试所设计的机器人是否能完成任务。

正因为如此,这也是与其他参赛球队进行交流的好机会,所以热身赛起着重要作用。

一群人费尽心机把机器人从实验室搬到比赛场地,结果却惊呆了,英雄机器人根本无法着陆,机械结构出了大问题!此时,负责英雄机器人机械设计的只有一名大二学生。

现在我们面临一个非常艰难的抉择:在现有的基础上对机器人进行改进,但让其实现登岛功能几乎不可能;放弃这个版本的机器人,设计制造一个新的,但距离比赛只有一个月的时间,很有可能新的造不出来,旧的也要拆了,得不偿失;

问题很快就有了答案:建造一个新的!与其绝望地等待,不如破釜沉舟,决一死战!

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一个人面对多个机器人

最后那一个月,用Hero Robot负责人的话来说,真是“难忘的回忆”。他花了一周时间,本着尽量回收利用的原则,从各种开源文件中拼凑、修改新一代Hero Robot的图纸,然后立即进行加工修复,最终在比赛前两天把车交给了电控团队。

但问题并没有解决,队长发现自己的代码总是有各种莫名其妙的bug,另一方面,之前调校好的步兵机器人和工程机器人也出现不少问题,与此同时,视觉组也在催促电控组。眼看比赛临近,时间不多了,队长感觉自己已经不知所措,精疲力竭,已经无力挽回局面。

今年这场比赛输得很惨。

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凌晨

第三年,传承终于没有断。

这次团队的核心还是那一批人,不同的是,都是学弟学妹。虽然还是有人选择退出,但好在核心班子留了下来。新学年开始的时候,这群人又聚在一起,商量新一年的计划。

游戏规则似乎有个套路,“每年一个小改,每两年一个大改”,今年是小改年。补给机器人也步入了基地机器人的脚步,由官方提供,需要培养的兵种缩减为步兵、英雄、工兵、哨兵、无人机五种。

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新能源机制

连续使用三年的能源机制终于退役,换成远距离射击的风车。机器人需要在3秒内从8米外命中随机出现、线速度为11.7厘米/秒的目标。这对图像处理、发射控制、弹道拟合都是一大考验。发热量、功率、射速、精度、尺寸、重量都是研发过程中的障碍。可以看出,官方对参赛队机器人的性能要求进一步提高。

球队改革迫在眉睫。

经过讨论,原电控组成员成立了一个新的小组——硬件组,职责是设计机器人的大脑(电路板)。前些年,官方使用的开发板功能强大但极其复杂,元器件微小,很多元器件都是0201封装(长宽分别为1mm、2mm),集成在85mm×58mm的小板上。

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RoboMaster 开发板套件

在以往的比赛中,难免会有几块开发板因为意外情况而损坏。打个比方:

有一天,我们正在用的电脑突然开不了机了,结果发现是主板有问题。我们把它拆开之后看到满墙的叫不出名字的元件,只能皱着眉头把它送到维修店。维修店的技术员把它拆开之后看到满墙的叫不出名字的元件,只能皱着眉头把主板换了一块新的。

官方的板子也一样,出现问题之后几乎无法排查,即使发现问题也无法修复,因为元件太小,有的封装引脚在背面,全靠手工焊接,甚至焊膏也无济于事。

有意思的是官方主板的维修价格和原装价格一模一样,显然官方懒得修你的电路板,直接给你换新的就行了。

因此每次开发板出故障的时候,电控组同学们都是一脸愁容,所能做的就是把刚才的不当操作记录下来,然后打开大疆商城,把新的开发板加到购物车里。

硬件组应运而生。

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自主设计的开发板

电控团队的新任务首先是训练,去年团队长独自面对5个机器人的场景还历历在目,所以今年的首要任务就是培训新队员,以最快的速度把自己脑子里的知识复制到其他人的脑子里。

此外,他们还决定对入队人员进行笔试。

于是九月底,NUG Eagles迎来了一大批新成员,他们朝气蓬勃,想法新颖,队长有预感,今年将是取得重大突破的一年。

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黎明即将来临

有一件事是清楚的:

只要你的机器人跑得足够快,结构足够稳定,发射子弹足够准,结果就不会太糟糕。

如果战术再巧妙一点,就可以彻底胜利了。

听起来很简单,但是能够做好这两件事的团队却少之又少。

要知道,这项比赛可不是打游戏那么简单。机器人在赛场上飞驰,如果不小心相撞,零件必然会脱落,也就意味着设备会爆炸。几乎每年,赛事工作人员都会抱怨,他们在清理赛场时捡到了很多螺栓和螺母。

机器人散架只是一方面,电路板也比想象中脆弱得多,一不小心就会爆炸,瞬间将机器人炸死。这确实是操作不当,硬件都快被毁了。

此外,机器人还可能突然无法通过遥控器操控,如果恰巧旁边有人,必然会酿成“血祸”。因此,圈内流传着一句话,“我的代码被祝福了”。

导致机器人狂跑的因素有很多,包括但不限于代码逻辑错误、信号线走线不规范、数据传输失败等等,有时甚至轻轻碰到桌角就会狂跑,让编写代码的同学当场抓狂,恨不得一锤子砸烂它。

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第三年,上尉终于开始正视机器人稳定性的问题,回顾去年调车的经历文泰软件教程视频,他意识到不能再依赖几年前的官方步兵机器人代码了。

这个官方的代码他都看过,也了解了,除了一点,那就是官方封装好的一个函数库,只能调用但是看不到内部结构,就像一个黑盒子一样。

虽然没有什么大问题,但仍然感觉存在潜在危险。

之前调车的经历让他多次陷入自我封闭,有时候重写一次,问题就消失了,他越来越觉得自己看不透单片机了。

此时的单片机对他来说就像是一个“巨婴”,不知道什么时候就会哭。很多时候,面对机器人的疯狂,他能做的只是机械地重新编码和祈祷。

正好电控组需要培训,所以组长决定彻底抛弃官方代码,放弃标准库,拥抱HAL库。

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STM32F103VET6 HAL 库

在STM32的开发中,主要有三大开发阵营:寄存器、标准库、HAL库。其中寄存器是最受推崇的阵营,因为寄存器太过繁琐,写出来的代码极其不可读,但是效率极高,就像汇编语言之于C语言一样。标准库和HAL库又分为不同的阵营,但是随着STM32鼻祖ST的推动,HAL库的开发蓬勃发展,逐渐成为开发的主流。

但标准库和 HAL 库根本不兼容,开发体系也相差甚远。放弃标准库选择 HAL 库,和之前英雄机器人做出的决定没什么区别,又是一次孤注一掷。除此之外,队长还有另外一个目标,那就是使用嵌入式操作系统 FreeRTOS。

熟悉的一幕再次出现,2018年国庆假期,组长一个人呆在实验室,看《STM32F7开发指南-HAL库版》和《FreeRTOS中文手册》。到国庆假期结束,他已经如愿上手HAL库,也为培训的前几节课做好了准备。

近一个月的电控培训开始了,很多时候组长前一天晚上还在百度搜XXX的工作原理,第二天就要跑到讲台上去讲解,下面的人根本不知道台上那个滔滔不绝讲个不停的人其实是个新手,他比所有人都厉害,但百度讲的他都能听懂。

终于在11月底,经过三代更新,硬件团队拿出了比较稳定的开发板,电控团队对HAL库也有了很好的理解。

是时候该队长开始干活了,他先利用以前上课的经验,按照自己的理解复现了官方封装好的函数库,然后一句一句的修改官方代码放到FreeRTOS里。

12月中旬,在大家准备期末考试的时候,第一台步兵机器人已经准备就绪。硬件组长把刚焊好的开发板装到机器人上,连接好各个电路。软件组长把各种信号线插到主控板上,把已经编译好的代码烧录到芯片里。步兵组长把机器人上的最后一颗螺丝拧紧。

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第一辆步兵车的测试

万事俱备,只欠东风。

电控组长摸着电池开关,连问三遍:“开了吗?开了吗?开了吗?”

电源一接通,三人的心都悬了起来。

电调启动声音正常,开发板上电源指示灯正常,降压模块温度正常,硬件组长松了一口气。

开发板LED指示灯闪烁正常,进入调试,参数正常,电机回传值正常,一切有序进行。

终于,到了最后一步,电控组组长拿着遥控器,打开开关,拨到正确的档位,摇动操纵杆,机器人就按照代码动作了!

三人对视一眼,明白了:成了!

这是新时代的第一枪,天空中绽放出绚烂的烟花。

之后一切都进展顺利,硬件团队的设计信心倍增,电控团队的编码愈加熟练,机械团队的机械结构愈加稳定,视觉团队则时不时会有大的突破。

这一年,电控组三次改稿、三次重构代码结构,修复无数BUG;硬件组的开发板已升级至第六代,超级电容不断有新突破,英雄机器人、工程机器人经过多次重构;停摆两年多的视觉组终于落地,目标命中率达到60%。

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图像识别追踪

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未来充满希望

三年的时间,足以让一个无知的大一新生变成一个猥琐的大三学生,也足以让华南理工大学这只雄鹰从羽翼未丰的雏鹰成长为一只成年的雄鹰。

以前什么都不懂的队长,如今已经成为了神级人物,经常秀出自己快速修复bug的神技。一眼看十行字,迅速定位问题所在,大有千军万马中,手握大刀,斩杀敌人头颅之势。同时看着震惊的围观群众,摆出一副“坐下坐下,基本操作”的得意表情。

台大鹰的奋斗故事才刚刚开始,却已倾注了一代人的心血。其中的悲欢离合,或许只能让旁观者叹息,只有经历过的人,才能在岁月的尘埃中,依稀辨认出自己的足迹。

但他们不会真的离开,他们时常回忆起与伙伴们一起走过的日子,心存感激;他们时常想起自己托付的东西,想知道自己是否还在队员们的心中。他们一直关注着NUG鹰队的成长,他们也是NUG鹰队最强的王牌。

终于,看着自己手下的后辈们越来越强,队长松了一口气:

“我终于可以放心的把球队交给你了。”

总有那么一群人在漫长的日子里默默忍受着孤独,像疯子一样拼尽全力,把所有的青春和激情都投入其中。

“获胜的渴望是与生俱来的。”

正是因为有这样一群人,NUG Eagle未来才会越来越强大。

未来或许还会有更多次的拼命努力,更多次的十字路口,我相信经历这一切之后,总有一天,NUG老鹰队会在赛场上大放异彩。

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文 | 谢胜

排版 | 叶文泰

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