【RT-Thread作品秀】写字机器人

作者：乔城阳

概述（说明应用产生的背景、实现功能）

写字机器人在实际生产线上由于效率赶不上打印机，应用不是很广，然而由于其结构简单，成本低，并且符合人手写风格，在学习阶段很有价值。写字机器人设计上包含了路径规划、直线插补、加减速控制等常用电机运动控制算法，在软件上也会用到DXF文件解析、openCV图像处理等G代码生成工具，对后期深入研究激光切割机、雕刻机、3D打印机等大型设备有很好的铺垫作用。因此我的作品以写字机器人为题目分享我的制作过程和学习体验，希望对各位小伙伴的学习有所帮助。

开发环境（所采用的软、硬件方案）

硬件：ART-PI、arduino、TM4C123GXL

RT-Thread版本：3.14

开发工具及版本：MDK-ARM5.31、VSCode

RT-Thread使用情况概述（简要总结下应用中RT-Thread使用情况：内核部分、组件部分、软件包部分、内核、其他）

内核部分：线程调度，资源分配、同步通信、设备驱动框架

组件：DFS文件系统、UART串行异步通信、CAN通信

其他：UDP通信、cJSON编解码

硬件框架（概述应用所采用的硬件方案框图，并对核心部分做介绍）

软件框架说明（介绍应用所采用的软件方案框图、流程图等，并加以解说）

在写字机器人设计上我将其分为三个部分：

图像处理模块负责把文本图像和照片等图像文件做预处理，去除杂点，然后以合适的算法将图像二值化，突现主要信息，然后提取轮廓骨架以适合机器书写。

G代码生成模块将图像轮廓序列化后进行路径规划，选取一个适合的加工精度，然后按数控加工常用的G代码规范生成NC加工文件。另外对于标准的DXF文件则通过文件解析的方法生成G代码。

运动控制模块是写字机器人中最杂的一个模块，负责各个运动机构的精准快速移动。收到G代码指令后需要结合前后指令信息生成当前指令的合适初速度、最大运行速度，根据运动轨迹进行直线插补点，最后按SPTA梯形加减速算法向电机发出脉冲。

软件模块说明（介绍应用软件关键部分的逻辑、采用的实现方式等）

       Grbl是一种高性能低成本的开源CNC控制器，基于ATmega328型芯片输出高速精准的电机控制脉冲，完美支持各种标准G代码，并包含了完整的前瞻性加速控制，可以实现平稳的加速和无冲击的转弯动作。

正是由于grbl的前瞻性速度控制功能，所以要保证grbl控制器内一直保持着16-20个G代码指令。这需要ART-PI通过读取grbl控制器缓冲区状态，及时发送G代码指令，避免出现缓冲溢出和缓冲区为空等现象出现。

因此需要运行RT-thread实时操作系统，通读读取SD卡上的NC文件，并与grbl控制器通信，控制设备正常运行。另外RT-thread也可提供丰富的人机交互功能，将设备工作路径、进度等状态实时显示在屏幕上，也可以增加暂停续写等功能。

演示效果（演示效果请采用3张高清图片，并录制一段不少于1min视频解说应用所实现的效果，视频上传至B站或者腾讯视频或其他视频平台，给出链接即可）

演示视频

比赛感悟

       同样是C代码，为什么别人写得那么好，这次比赛用到两个开源软件，一个是RT-thread，负责人机交互和发送控制指令，另一个是grbl，用来完成运动控制。两款软件都设计的非常精巧，只需在2kB大小的RAM上运行，而功能却又非常强大，实现了很多复杂的功能，所有的代码封装的很好，模块启用只需打开对应的宏定义即可。这次专门去图书馆借阅了RTT相关的图书，了解线程是如何调度，设备驱动应该怎么实现，但是内部还是有很多内容不理解，后期需要继续不断充实自己。运动控制一直是我的兴趣所在，这次也终于有机会把它实现，看着电机在一行行指令的控制下乖乖地转动，听着不断变化着频率的电机声音，真正体会到了伺服servo的含义，非常开心~