【RM2020-机器人上位机-项目简介开源】华南理工大学 华南虎

了解你的机器人，想它所想。GitHub仓库

一、概述
为何要有上位机
在实验室众多硬件和软件工程师的不懈努力之下，一个个精巧而有个性的机器人诞生了。虽然是我们创造了它们，但就像人类的家长和孩子们一样，我们和机器人之间也普遍存在沟通问题：我们经常会问，我的机器人为何会有这样的举动，也就是我们说的debug。这时候，我们就需要一个工具，来让我们了解机器人的想法（内部状态），并最终以此为依据，调教出更好的机器人。
除了上位机以外，我们也有不少其他的调试手段，但与上位机相比，它们都有一些不足：

• 断点调试：在构建软件的时候，我们经常在代码中设置断点，让程序暂停，以检查其中的状态。但物理世界是不能暂停的，暂停机器人上的程序可能导致机器人不可预料的行为。
  
• 日志调试：使用日志的时候，通常收集日志和查看日志在时间上是分离的。但在调试机器人的时候，不光要了解程序的状态，还要观察当时的物理环境，了解操作手的输入等。这种时间上的分离将导致我们更难对机器人的行为进行归因。
  

而我们的上位机能够将我们感兴趣的机器人状态，实时地以图表的形式展现出来，能有效克服上述不足。
我们的上位机有何不同
上位机的概念也不是我们的首创，但我们的实现非常与众不同。我们采用B/S架构，前端是一个网页，可以运行于各种设备中，如PC、iPad、手机等。后端则直接运行于机器人上。前后端之间采用标准的Web协议进行通信。这给我们带来了几个重要的优势：

• 跨平台：前端可以在几乎所有设备上运行，不管是在实验室还是在其他测试场地，不管手头上有怎样的设备，都能游刃有余。
  
• 使用灵活：前后端使用标准的网络协议通信，这意味着它们之间可以很灵活地连接，比如直接使用以太网线，连接同一个WLAN，甚至跨越互联网，在世界的任何地方互相访问。
  
• 界面美观：众所周知，Web技术能更容易地做出更加美观，用户友好的界面。
  

二、系统架构

如上图是我们的上位机的系统架构图，同时也表明了其中的数据流向。目前，我们主要针对最难以观测的单片机中的数据进行了设计，但同时我们的后端也保留了未来接入更多数据源的扩展性，并可对前端屏蔽不同数据来源的差异。
三、基于WebGL的图表渲染
为了在前端展示高频率的来自机器人的数据，我特意构建了一个基于WebGL的图表渲染组件。利用现代高性能GPU，它可以流畅渲染数十倍于现有组件的数据点，并支持用户进行缩放平移等操作。在软件设计上，该组件具有良好的模块化构造，性能敏感的地方采用WebGL渲染，其他部分则使用更加灵活的SVG和HTML渲染，兼具性能和表现力。具体请见GitHub仓库以及在线demo。