Github链接： https://github.com/KangweiYang/dartRack_upper

四川大学飞镖系统开源合集
•反向复合弓飞镖架机械结构开源：https://bbs.robomaster.com/article/803747
•全站仪测绘的诸元火控系统开源：https://bbs.robomaster.com/article/803749
•飞镖镖体无控电源板开源：https://bbs.robomaster.com/article/714435

全站仪测绘的弩控诸元火控上位机

技术背景概述

飞镖系统是RoboMaster超级对抗赛中的一个重要兵种，靠精准打击对敌方建筑造成巨额伤害，同时还有对敌方地面兵种的溅射伤害、遮挡敌方操作手的视野的“致盲”效果，随着南京航天航空大学、深圳大学的优秀飞镖发射架机械图纸开源后，拥有击打基地能力的队伍也变得越来越多，大家的飞镖落点也变得越来越准。

然而，飞镖系统命中排行榜却有着严重的两级分化。究其原因，不可忽视的一点就是赛场上的基地和飞镖井的距离及角度与测试环境（赛场下）不同，而这正是很大一部分队伍在场下打得准，却在场上表现平平的原因之一——只能靠不断的测试来让飞镖架调试队员熟练调参，形成独到的调参经验，才能在比赛赛场上通过局间的3分钟准备时间来调参，从而实现下一局的命中。这无疑是不科学不稳定的——调参经验难以传承，首次命中需要多次调参，前几次局次难以命中。而火锅战队从2024赛季开始研发的反曲弩飞镖发射架具有落点稳定、飞镖落点远近可调性良好的特点，这正好让我的弩控诸元闭环火控系统（或全闭环镖架自动调参上位机）具有实际落地的可行性。

然而，我们在24赛季开发的标定系统只能用于前哨站，且需要飞镖发射站在3分钟准备阶段开启闸门。25赛季，我们找到一个不需要飞镖闸门开启、更精准、距离更远、激光更安全（3分钟准备阶段的激光开启时间可以在10秒内。手动瞄准时，激光自动关闭）的方案-全站仪测距方案。

功能介绍

为了适应场地误差，必须要避免人工调参，因为人工调参依赖人工经验，需要“调参手”通过超过1000发的调参测试来训练，并且人工调参经验难以全部传承给下一届队员。因此，我开发了一个弩控诸元火控系统，主要的硬件是笔记本电脑（windows, linux, mac都可以使用的上位机）和免棱镜全站仪，免棱镜全站仪通过测量基地靶、飞镖发射架导轨上的4个点、飞镖出射点，可以得到精确的飞镖发射架pitch角度、基地靶的高度与水平距离，再结合动能定理、弓片势能计算、斜抛公式、以及提前标定出来的两组与镖架机械相关的数据，可以得出打中基地靶所需的拉力闭环数据。这大概是赛场上唯一一个落地的可以在3分钟准备时间完成参数计算的方案（其实我更喜欢叫它诸元火控或者参数计算，在赛场下做的测试比较适合叫作标定，我们的标定不需要打表，需要的场下测试次数少得多）。

使用手册

1.首页

首页是串口连接界面，左侧是与下位机的调试串口（收发），在四发连射时左侧串口需要更改为连接到下位机的裁判系统串口接收口；右侧是与全站仪通信的串口（只收不发），在四发连射时右侧串口需要更改为连接到下位机调试串口（用来接受调试信息，只收不发）。

2.飞镖测试界面

点击第0.5步:标定飞镖ByTS，然后会弹出来两个界面，第一个界面是测试飞镖使用的界面，界面中会有一堆文本框：

目标拉力值：指的是拉力闭环的目标值，相关代码：

   void SetTen(QWidget *parent, QSerialPort *serialPort, int channel, QString tension){
       if(checkSerialOpen(parent, serialPort)){
           QString tensionBuff;
           tensionBuff = "SetTen(" + QString::number(channel) + "," + tension + ")\n";
           serialPort->write(tensionBuff.toLocal8Bit().data());
       }
   }

数据格式："SetTen(5,)\n"，5指的是第5发飞镖（测试用的编号，需要与比赛的1-4发序号区分开）

   void SetYaw(QWidget *parent, QSerialPort *serialPort, int channel, QString yaw){
       if(checkSerialOpen(parent, serialPort)){
           QString yawBuff;
           yawBuff = "SetYaw(" + QString::number(channel) + "," + yaw + ")\n";
           serialPort->write(yawBuff.toLocal8Bit().data());
       }
   }

数据格式："SetYaw(5,)\n"，5指的是第5发飞镖（测试用的编号，需要与比赛的1-4发序号区分开）

   if(this->visible && 
   ((receiveBuff.contains("curYaw: ") && receiveBuff.contains("/") ) 
   || (receiveBuff.contains("curTen: ") && receiveBuff.contains(";"))))
   {

飞镖架主控回传格式（注意空格）:"curYaw: 100/ \n curTen: -1000;"当回传的数据与要求的一致时，上位机会自动提取出来放到左下角文本框里。
数据格式："SetTen(5,)\nSetYaw(5,)\n"
数据格式："TestShoot\n"
数据格式："AbortShoot\n"

3.标定计算器界面

点击第0.5步:标定飞镖ByTS弹出来的第二个界面是模型参数反推计算器。

第一排是坐标点的三维直角坐标系坐标，默认状态会有一些数据（之前用来测试的）。这个数据来源是全站仪，全站仪测完以下6个点后，就可以完成标定了（7-10点是非必须的点，只能用于测量底盘是否水平） 1:目标坐标：这个点是目标落点，如果打基地就是测量基地飞镖靶正中心。 2:导轨左下：这个点是飞镖架发射导轨左侧铝方的下端反光片点。 3:导轨右下：这个点是飞镖架发射导轨右侧铝方的下端反光片点。 4:导轨左上：这个点是飞镖架发射导轨左侧铝方的上端反光片点。 5:导轨右上：这个点是飞镖架发射导轨右侧铝方的上端反光片点。 6:飞镖发射点：这个点是飞镖出射点，可以近似为滑台位于平衡状态时，放上飞镖后的镖头中心点。
测试完后，将全站仪数据通过RS232转USB线连接到电脑后，将数据传回电脑，具体传输方式每个全站仪的交互都不一样，需要问卖家或者看使用手册。

我们使用的是科维TKS-302R，这个在闲鱼上的最低二手价在1k5到2k左右，比mid-360还便宜（。这个全站仪在无棱镜模式下，可以测到250m远（但是如果是黑色物体的话，在25m远就可能测不太到了，所以测基地飞镖靶的时候，需要瞄准白色的基地贴纸）科维TKS-302R的数据格式有两种：第一种是直角坐标系（分度值1mm，精度3mm） ```

1,1.9620,-1.0600,0.7810,-
2,-0.4040,-11.0930,1.3620,-
3,-0.2840,-11.1210,0.7210,-
4,-0.6890,-11.1550,0.6470,-
5,-0.8120,-11.1280,1.2910,-
6,0.7610,-6.1940,1.0810,-
7,0.8210,-6.2180,0.7520,-
8,0.6280,-6.1710,0.7150,-
9,0.5670,-6.1470,1.0470,-

表示的意义（以第一排为例）：1(点号),1.9620(x坐标单位米),-1.0600(y坐标单位米),0.7810(z坐标单位米),-(编号在全站仪上填，用-符号方便处理字符串) 第二种是球坐标系（这个精度更高，角度分度值是3角秒，合约0.00083度；测距分度值1mm，精度3mm）

            JOB     1666,
            INST    TKS-300R Ver.1.10C
            
            UNITS   M,D
            SS      16,0.000,-
            SD      257.3604,107.0035,2.645
            SS      17,0.000,-
            SD      267.3948,126.4424,2.225
            SS      18,0.000,-
            SD      263.5537,117.2943,2.890            
            SS      19,0.000,-
            SD      251.4223,117.4135,2.871
            SS      20,0.000,-
            SD      255.3924,119.5437,2.260
            SS      21,0.000,-
            SD      256.4905,120.0247,2.258
            SS      22,0.000,-
            SD      258.4511,107.0903,2.641
            SS      23,0.000,-
            SD      257.5103,107.0411,2.643            
            SS      24,0.000,-
            SD      255.4824,119.5500,2.260
            SS      25,0.000,-
            SD      256.5808,120.0220,2.257
            SS      26,0.000,-
            SD      258.4246,107.0750,2.641

以第一组数据为例：

SS 16(点号),0.000,-(编号在全站仪上填，用-符号方便处理字符串)
257（YAW，度）.36（YAW，分）04（YAW，秒）,107（PITCH（与正z轴的角度），度）.00（PITCH，分）35（PITCH，秒）,2.645（测距得到的斜距，米）

数据导完后，上位机会自动转换为三维直角坐标（如果坐标没刷新的话，说明格式不一致）。点击计算p,r,θ,x,h按钮，会计算出底盘pitch角（抬头为正），底盘roll角（向右滚转为正），当前发射轨道pitch角少：当前发射轨道yaw角（向右转为正），发射点到目标的水平距离，发射点到目标的竖直距离。
然后将发射台质量（克）填入到m发射台(g) 中
将飞镖质量（克）填入到m发射台(g) 中
点击计算 ∫F₀·dx拉(F5)，这样便可以测到弹道模型的第一个参数 ∫F₀·dx拉以及对应的落点在这里的时候目标拉力值F₀，∫F₀·dx拉参数可以理解为与初始拉力相关，越大代表势能越大。但是实际上这个参数是把阻力刨掉了的，以飞镖初始动能命名更准确。注意：最好确定飞镖能稳定命中该点后，再进行标定该参数，最好让后面的测试次数尽量少，避免多次测试导致的疲劳衰减。标定好参数后直接上场再自动计算一遍参数就行。
然后需要加一点点力，让飞镖落点与原来的偏差有20-100cm，然后再次标定出另外一个参数k1·x拉，并且记住当前的目标拉力值起始的 T总 = F₀ + ΔT测，这个参数与劲度系数相关。注意：这两次测试都需要尽量让两个点与基地靶的位置设置相距较近，模型是线性拟合非线性的，如果与实际距离过远，会因为非线性问题导致误差积累过大而无法命中。
再测出6个点，导入上位机，点击计算p,r,θ,x,h按钮。点击复制 ∫F₀·dx拉(F6)，将目标拉力值F₀填到自己设置的F₀文本框里，将起始的 T总 = F₀ + ΔT测填入文本中，再点击计算 k1·x拉(F7)，就可以计算出k1·x拉参数。

4.yaw瞄准界面

从首页点击第2步:yaw轴瞄准(F2) 后，会弹出一个界面

在这个页面可以使用键盘来对yaw轴进行不同幅度的移动。

注：不推荐长按，每秒的按键输出速度太快，会导致松手后还没把数据发完。并且发太久后会有bug，发不出串口，重新插拔下上位机到飞镖架主控的usb线就行。

数据格式："SetYaw(" + QString::number(channel) + "," + yaw + ")\nSetCurYawToZero\n"

5.飞镖参数计算系统界面详解

从首页点击第3.5步:飞镖参数计算ByTS(F4)，会弹出一个4发连射参数计算界面。

这个界面是用来计算飞镖打到对应落点的目标拉力计算系统，可以根据之前测出来的F₀（F₀镖1）、∫F₀·dx拉（∫F₀·dx拉+W镖1阻力）、k₁·x拉(四个镖使用同一个k₁·x拉参数）参数和其他可以测量出的参数来计算出目标拉力。

这个界面是整个飞镖系统的核心控制中心，通过精确的物理计算和参数配置，确保飞镖能够准确命中目标位置。

1) 坐标数据显示区

界面顶部显示各测量点的三维直角坐标系坐标，数据来源为全站仪测量结果：

1:目标坐标：目标落点，打击基地时即为基地飞镖靶正中心
2:导轨左下：飞镖架发射导轨左侧铝方下端反光片点
3:导轨右下：飞镖架发射导轨右侧铝方下端反光片点
4:导轨左上：飞镖架发射导轨左侧铝方上端反光片点
5:导轨右上：飞镖架发射导轨右侧铝方上端反光片点
6:飞镖发射点：滑台平衡状态下，装上飞镖后的镖头中心点
12-15:参考点：用于坐标系转换的参考点（25赛季区域赛发现不需要后就不再使用）

2) 核心参数计算区

基于物理公式进行计算：
ΔT测·k₁·x拉 = (m镖 + m发射台)·g·x² / { 4·cos²(θ)·[x·tan(θ) - h] } - ∫F₀·dx拉

计算流程分为三步：

测量(m镖·g)、L和β，计算得到x和h
T测拉到F₀，发射后计算出∫F₀·dx拉
ΔT测变化，发射后计算出k₁·x拉

3) 飞镖参数配置区

支持同时配置4发飞镖的参数，每发包含：

F₀：基础张力值
m镖(g)：飞镖质量（克）
Δψ镖(弧度)：偏航角偏差（左正右负）
∫F₀·dx拉 + W镖阻力：阻力积分项
镖h修正偏差(cm)：高度修正值（往上修正为正），一般用在局间调试，通过观察落点偏差进行微调

4) 操作执行区

提供一系列操作按钮：

计算x和h(F4)：计算水平距离和高度差
计算T总(a/s/d/f)：分别计算各飞镖的总张力
计算T总1234(F5)：批量计算所有飞镖张力
发送第x发参数：将参数发送到飞镖系统
发送第一二三四发参数(F7)：批量发送所有参数
发射/中止发射：执行或取消发射指令

5) 一次建站法测绘

两次建站法测绘步骤

在场下通过标定计算器反推4个F₀（F₀镖1）参数、4个∫F₀·dx拉（∫F₀·dx拉+W镖1阻力）参数、1个k₁·x拉(四个镖使用同一个k₁·x拉参数）参数。
在3分钟准备时间时，使用全站仪在赛场入口后方测量点1,2,3,4,5,6。
将全站仪连接首页右侧串口。
将全站仪数据传输到电脑上位机(需要提前打开参数计算界面，并输入所有提前测量好的参数)上。
使用参数计算界面计算拉力闭环值。
拿着电脑跑到飞镖发射井。
将飞镖架主控调试串口连接到首页左侧串口。
将目标拉力值和yaw轴偏差值传输到飞镖架主控板中。
前往观赛区等待飞镖命中。

6) 两次建站法测绘

两次建站法是另外一个测量方法（区域赛前期有用过，但是发现可以在3分钟准备时就看到基地飞镖靶后，就没有再使用过了），为了防止3分钟准备阶段看不到基地飞镖靶的话，需要在能看到基地靶的地方测量1:目标坐标，然后挑选合适的两个点粘贴反光片，作为12:参考点1坐标系1和13:参考点2坐标系1，这两个点需要满足的要求是

需要在建站点1（坐标系1）能测量到1:目标坐标，能测量到参考点1和参考点2作为12:参考点1坐标系1和13:参考点2坐标系1
在3分钟准备阶段，也能测量到参考点1和参考点2作为13:参考点1坐标系2和14:参考点2坐标系2

因此，这两个参考点是需要仔细选择的。但是25赛季的赛场背后能同时测量到基地飞镖靶和飞镖架导轨，所以是不需要使用参考点的。

两次建站法测绘步骤

在场下通过标定计算器反推4个F₀（F₀镖1）参数、4个∫F₀·dx拉（∫F₀·dx拉+W镖1阻力）参数、1个k₁·x拉(四个镖使用同一个k₁·x拉参数）参数。
在3分钟准备时间前使用全站仪测量1:目标坐标，然后挑选合适的两个点粘贴反光片，作为12:参考点1坐标系1和13:参考点2坐标系1。
在3分钟准备时间时，使用全站仪在赛场入口后方测量点1,2,3,4,5,6。
将全站仪连接首页右侧串口。
将全站仪数据传输到电脑上位机(需要提前打开参数计算界面，并输入所有提前测量好的参数)上。
使用参数计算界面计算拉力闭环值。
拿着电脑跑到飞镖发射井。
将飞镖架主控调试串口连接到首页左侧串口。
将目标拉力值和yaw轴偏差值传输到飞镖架主控板中。
前往观赛区等待飞镖命中。

模拟裁判系统串口进行四发连射

由于软件bug，无法使用首页右侧的串口来发数据，因此，测试步骤是这样的：

在场下通过标定计算器反推4个F₀（F₀镖1）参数、4个∫F₀·dx拉（∫F₀·dx拉+W镖1阻力）参数、1个k₁·x拉(四个镖使用同一个k₁·x拉参数）参数。
在场下使用全站仪在飞镖架后方测量点1,2,3,4,5,6。
将全站仪连接首页右侧串口。
将全站仪数据传输到电脑上位机(需要提前打开参数计算界面，并输入所有提前测量好的参数)上。
使用参数计算界面计算拉力闭环值。
将飞镖架主控调试串口连接到首页左侧串口。
将目标拉力值和yaw轴偏差值传输到飞镖架主控板中。
将首页左侧串口和右侧串口断开，将上位机左侧串口通过USB转串口模块连接到飞镖架主控板的裁判系统通信串口（记得调整波特率为115200），将上位机右侧串口连接到飞镖架主控板的调试串口（用来看数据，记得调整波特率）。
点击发射按钮，会模拟一次飞镖闸门从开启到关闭的串口数据（但是没有其他的数据，所以数据量会比较少，所以场下能发射不能保证场上一定能发射，还需要调整串口缓冲区大小）。
等待发射完毕并关闭闸门（7秒）。
再次点击发射按钮。
捡镖装填再打。

软件效果展示

视频展示

24赛季拍摄的移动靶子后标定再击打的视频（B站）

25赛季区域赛中在3分钟准备阶段使用全站仪测绘的视频（感谢志愿者帮忙拍摄）

测量基地飞镖靶展示（gif动图 bbs可能不太支持/加载比较慢，可以参考战队开源预告视频）

全站仪测量基地飞镖靶示意.gif

标定数据结果表格（这个是24赛季记录的数据，25赛季的数据都记录在全站仪上了，没有导出表格）

软件与硬件的系统框图、数据流图

图示：软件架构
图示：硬件架构

系统时序图

参数反推/标定计算器时序图

原理介绍与理论支持分析

当首次测试发射后，需要使用全站仪进行实际落点的坐标测量，以及飞镖发射架的发射导轨的4个角点和导轨上的飞镖发射点（当飞镖放上滑台后，滑台不在上膛状态时，此时的飞镖正前方的中心点）。

通过全站仪测好点后，通过RS232转USB，将6个点的球坐标数据传给在MacBook上的QT上位机。QT上位机自动将6个球坐标点转换为直角坐标系的点，直角坐标 (x, y, z) 与球坐标 (r, θ, φ) 的转换公式为：

x = r * sin(θ) * cos(φ)

y = r * sin(θ) * sin(φ)

z = r * cos(θ)

QT上位机通过这6个点自动计算出发射导轨的俯仰角α、飞镖发射点到实际落点的垂直距离H、飞镖发射点到实际落点的水平距离V。

由动能定理：

，即

再由斜抛公式：

可推得飞镖发射的动能：

但是由于飞镖和滑台是一起运动的，滑台的重量不能忽略，要计算总弹性势能的话，需要加入滑台的动能损耗：

可得：（势能参数反推公式），其中md是飞镖质量，ms是滑台质量

将弓片简化为线性系统（需要在一个小范围内才可认为是线性）：

并使用同样的测试方法，提升拉力后再发射，测量坐标，联立方程，

进行计算后可得：
（劲度系数参数反推公式）

当参数反推完成后，便可以通过计算出来的参数进行指哪打哪的拉力闭环计算了。

公式为：

，计算结果再带入

，其中F0为反推弹性势能参数时使用的发射拉力，ΔF是反推劲度系数*蓄力距离参数时相比于F0增加的拉力值。

软件架构或层级图

未来优化方向

加入数据记忆功能
适配其他全站仪的数据格式
修复一些bug（特性）：比如首页右侧串口不能发只能收，然后右侧串口接收了飞镖架主控的数据后，会导致被参数计算界面误识别成全站仪数据。

开源协议

GPL 3.0