[随笔]2019省电赛无人机题（B题）总结

• 2019/8/7~2019/8/10在江苏赛区参加了省电子设计竞赛，这次也是省电赛和全国电赛重合的一年
• 选择的题目是无人机题
• 先说结果吧，直接白给了，挺遗憾的
• 电赛结束挺久了，作为一个从飞行器设计转到计算机科学的大三学生，嵌入式和自动控制相关的东西一直作为业余爱好研究，实在占精力，转专业要好好学习，以后估计不再搞了。最后一场比赛也没取得啥成绩还是挺遗憾的， 正好替代社会实践要交总结，这里随便写点回顾总结好了

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• 想做无人机题这个想法蛮久以前就有了，当时还在做RM。一直以来做了太多控制题了，从电赛的智能窗帘、智能台灯、写字机器人，到RM的步兵车控制，再到去年电赛搞得手势识别装置，再做一个类似的东西，一来控制题通常难度不高面临的竞争压力太大，二来也没法学到什么东西，没多大意思。可能是最后一次参加电子设计类的比赛了，要做就做个难的！正好还有一个和多旋翼控制解藕相关的项目在做，于是就有了做四旋翼的念头。
• 今年七月初开始准备电赛时统计了一下前几年的题目，根据趋势来看，传统控制题似乎在逐渐退出，取而代之的是一种人工智能题。比如去年的手势识别装置，今年的纸张检测装置似乎也是的。这些题伪装成传感器应用题，表面上看十分简单，只要把传感器调通就好了，但只这样做毫无竞争力，组委会真正想要的是让你设计一个特征，利用指定传感器检测它，并通过不断测试获取大量样本，然后用人工智能的方法去学习这个特征，这样做的队如果搞好了效果拔群，比传统方法强很多。我们去年就吃了这个亏了，印象深刻。。。。考虑到时间紧张，现在去尝试这个新题型不确定因素太多，所以更加坚定了做四旋翼题的想法。
• 今年是ti赞助的，考虑到以前瑞萨时期限制过飞控芯片，我们需要搞一个ti传感器的飞控。最初是打算学习相关原理完全从底层写的，但是因为各种原因拖到7月放假才准备，写肯定来不及了，转而考虑用成品飞控代码改，还要自己制版仿造一个飞控，这样如果限定飞控自制也不怕啦。
• 放假第二天，商讨后购买了匿名的tm4c版本飞控，立即开始准备。我负责飞控改编，买了和匿名同型号的tm4c123g lunchpad，开始学习ti的库函数。另一个队友G负责视觉部分，他是飞设的需要实习，于是带着openmv去西安了。还有一个队友Z，他之前也是做RM电控的，于是也在一起看飞控，队伍里只有他会制版，所以制版搞电路相关的工作也是他来搞。
• 时间过得很快，凭借32的基础，很快就学了不少ti板子的使用方法（相关内容放在博客上了），但还是不够快，想要完全学到可以从底层写肯定来不及了，于是转而直接研究匿名的程序。
• 不得不说匿名的代码习惯真的8行，注释太少，还有好多不知道是开发一半去掉了，还是版本变更没删的奇怪内容，看得相当费劲。不过还是基本看了大概。我是从外围的数据存储、上位机通信、任务调度开始看的，最后看到飞行控制任务、飞行数据这些，关于传感器配置什么的因为底层不太会直接没看。
• 大概7月中旬飞控看差不多了，这时候队友G也回了，一起把飞控框架梳理了一遍。队友Z这会去苏州呆了几天，于是我和G开始搞视觉联调。
• 先做了一个水平的色块追踪，虽然openmv帧率低点，但是因为飞机速度慢，所以表现还不错。（注意这里要调整一下openmv数据串口中断优先级到1）。做通讯的时候遇到了一些问题，因为不太会Python，所以在数据类型处理这块绕了不少弯路，好在最后也搞定了
• 之后做了个机腹俯拍的色块追踪，对标前年跟随小车那个题。发现效果差了很多，肯定不是帧率的问题，可是pid调来调去都很晃。经过一番讨论，认定问题出在openmv的安装上，因为是直接粘在机腹的，当飞机移动时相机也会倾斜，这样色块在相机视野的位置也变了，形成了一个正反馈。找到问题后做了一个坐标变换补偿，效果就很好啦。
• 这期间匿名的飞控烧了好几次二极管，也不知道是为什么，虽然修好了，但是影响进度影响蛮多的，最后凑钱又买了一个新飞控以求稳妥。眼看快比赛了，前几年的题来不及搞了，最后匆匆做了一个视觉巡线，没怎么调效果也就一般吧，做好的时候已经是比赛前一天晚上了。
• 队友Z从苏州回来后就不看好飞机题了，总觉得我们准备不行，系统稳定性太差，拿不了奖，经常劝我们改做控制。我和G都是早就想搞飞机了，但是看这个情况也难免有点动摇。Z回来之后就不看飞控了，主要在搞仿制的飞控转接版（直接插lunchpad），于是让他也搞点控制题的东西备用，到时侯看题行事。
• 在比赛前还做了一个小东西，因为听说openmv不可以现场调阈值，担心现场灯光影响识别，我拿stm32做了一个openmv阈值调试器。大概原理就是32和omv通信，获取原始阈值和图像lab信息。因为320*240的图像lab信息有300k左右，stm32f407的RAM空间不足，直接开数组就爆栈了，所以不得已只好做成ROM暂存。ROM读写速度慢，存数据的时候搞了一个双缓冲避免丢包。利用外接编码器调整阈值，显示的时候分段读出图像lab数据，按阈值判断黑白显示在lcd屏上，每次只刷新现实颜色变化的点。最后效果还是蛮好的，可惜32的spi通讯没调通，不得已用了串口dma接受，读图速度太慢，波特率50000估计要读个3到5秒。
• 终于到了出题的日子，看了眼题，果然又没有控制题，四旋翼出了一个电力巡线。我心里其实还是蛮高兴的，这下没有借口了，好好做好四旋翼就好了！但是队友Z闷闷不乐，后来一直劝我们搞电磁炮那个题。。。我们搞电基本没搞过，真的不怎么想弄，搞得团队士气一直不高，天天都有不少负能量。
• 总之先做题吧，因为Z没怎么看飞控和omv，基本没法参加编程工作，感觉他一直不知道要干啥，无所事事的感觉，三个人不能齐心协力感觉真的很差，我和G的压力也更大了，贼难受。
• 比赛第一天想了想方案，可是没啥好想法。电线太细，从侧面实在不好识别，难以做成闭环控制，B杆处的180度掉头也是难点。尝试了一下开环飞，发现飞远了就很飘，可能会撞杆或者撞线，只能作罢。这一天下午飞机还炸了一次，损坏了自制的飞控板。炸鸡原因是Z焊的xt60一转二接头虚焊。。。所幸没伤到光流什么的飞控组件，到晚上才修好
• 晚上终于商量出一个差不多的方案，一个摄像头侧拍识别杆，一个摄像头伸出去到桨护位置并且架高，这样就可以利用较大的视野，在不把omv伸到线正上方的情况下拍到电线的俯视角度。飞行流程是：自动起飞到1m1高度，前飞直到识别到杆A，稳定一下，开环前飞50cm，慢慢左平移直到识别到线，利用线位置做闭环飞到B，利用期望速度积分推测飞行距离，快到b的时候转为开环前飞以免识别到b杆底座，找到b之后稳定一下，掉头按同样的流程飞回来。拍照选用了穿越机相机小方狗，无限连拍策略，只求拍到就可以。
• 第二天上午搭好了初始结构，用一根5mm碳管做成L形支架把openmv架了出去，试飞的时候抖动很严重，完全没法识别。只能改方案，把架高的部分去掉，但是还是抖，再次修改成两个碳杆伸出来，中间用一个木片链接，终于不抖了。
• 搞好结构已经晚上了，赶紧开始测试挂线，效果却不理想。分析原因是因为没有架高，视野很窄，飞机稍微调节一下就会超出视野边界。没办法重新想方案实在来不及，干脆把openmv伸远一点，直接伸到线正上方。这样再测试就可以稳定挂线了，手动控制前后飞行也不会脱出。架出去的一个问题是openmv会撞杆，这样只能靠积分测算距离，在b杆前解锁脱出，还好飞行距离较近，误差不会大到撞杆
• 接下来的难点就在于转180度了，本来想着锁死yaw轴全程平移的，但因为飞机左右不对称，这样返航时就不能闭环了，只好选择转yaw轴掉头。转yaw轴有一个问题，就是没法闭环，因为室内磁力计误差太大，yaw指向反馈不准。虽然可以在线上靠线斜率调整，但是比较危险，所以还是希望尽量不要转yaw轴。
• 总之先写了一个原地转动的程序试验一下，结果飞机刚转了一点就开始乱飘，差点撞墙。分析了一番，应该是光流消旋的问题。匿名的光流是闭源的，所以也没法调整。最后找到了一个折衷方案，就是减小旋转角度，加大旋转速度，这样飞机转动时间短，光流失效时间也短，不会漂太多。最终的掉头方案改为：找到b杆后，前飞50cm，左转90度，前飞直到识别到b杆，再前飞70cm，左转90度，这样就接入到重复A至B的流程中了。这里还做了一个保险，转过第一个90后的平飞段会进行积分，如果飞了很远都没检测到b杆，或者飞了很近就检测到，通通认为杆识别错误，这时就完全靠积分来确定转向时机了。
• 这时比赛时间也差不多快要结束，队友Z写完报告后表示不玩了，于是只有我和G继续奋战。
  项目二的自动悬停测试过没啥问题，因为没仔细看规则，还以为项目二可以换程序，所以单独做了一个自动起飞悬停的程序，这也为最后的白给埋下祸根。
• 很快比赛结束，到了测评的日子。比赛场地铺了了灰白条纹，测试飞行时直接开始乱飞了。当时直接傻了，还以为程序不对，心中做好了白给的准备。最后向评委提议，要求换到白布的场地，这才恢复正常。想来应该是光流在灰白地面上失效了。
• 换到白布地面的第一轮飞行很成功，一路飞回了A，可惜最后自动降落不成功。第二轮试飞误识别到场地边上的窗户了，没有成功完成。这一结果可以说超出了预期，应该也是我们学校表现数一数二的队伍了，评委老师也表示我们的方案很好。
• 接下来项目二因为程序不对直接放弃了。这个非常可惜，项目三完成得还可以，就是用时比较长。
• 出了赛场感觉还不错，虽然项目二很可惜，但是绕杆真的完成得超出预期。听说第一天20个队只完成了2个队，心里感觉还是有个交代了
• 过了两天出成绩了，很可惜啥都没得着。因为项目一没降落所以一分都没有，项目二也没分，相当于只有一个自主编程分，这样肯定是凉凉没跑。看了看其他队，应该是飞个悬停就可以省二的，花了那么多精力做绕杆却没拿到分，又被规则坑了一波，真的是挺伤的。
• 虽然结果不好，但是这次电赛也是一次难忘的经历了，学到了很多东西，也做到了自己满意的程度，就写到这里吧

以下是准备比赛期间的一些学习总结，飞控分析还有几篇没写，包括pid和滤波什么的，以后有空再说吧

TM4C123G学习记录(1)–时钟
TM4C123G学习记录(2)–GPIO
TM4C123G学习记录(3)–外部中断
TM4C123G学习记录(4)–关于ROM前缀函数和HWREG函数
TM4C123G学习记录(5)–PWM输出
TM4C123G学习记录(6)–UART
TM4C123G学习记录(7)–输入捕获
ANO匿名飞控分析（1）— 遥控器解码
ANO匿名飞控分析（2）— 任务调度
ANO匿名飞控分析（3）— 姿态解算原理及代码分析