• 并联四足机器人项目开源教程（四） --- 使用QT创建控制上位机

    在这里插入图片描述
    这个是本人在大三期间做的项目 ---- 基于MIT的Cheetah方案设计的十二自由度并联四足机器人，这个项目获得过两个国家级奖项和一个省级奖项。接下来我会将这个机器人的控制部分所有代码进行开源，并配有相关的教程博客，希望能够帮助到在学习相关领域知识或者进行项目开发的同学。

    学习建议

    QT是一个跨平台的 C++ 开发库，主要用来开发图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）程序，当然也可以开发不带界面的命令行。由于它可视化界面的操作便捷，拓展性强以及对各平台的兼容性高，非常适用于机器人操作UI的开发。
    因此，本项目基于QT开发平台，并结合了ROS，设计了一套用于人机交互的四足机器人操作UI界面。

    学习资料：因为QT的生态已经非常成熟了，网上有数不清的QT开源项目，所以学习成本很低。并且制作上位机最难的不是各种语法（只要有一定的C++代码基础），而是审美，所以建议找到相关的开源项目直接上手，实践出真知。
    B站相关教程：QT入门到实战
    相关开源项目及教程：ROS&Qt5 人机交互界面开发
    本项目上位机开源代码： Quadruped_UpperMonitor

    学习内容

    这里不展开讲QT的语法实现，主要讲本项目所需的上位机功能以及界面设计。

    QT与ROS的关系： QT上位机一般作为一个节点接入到ROS网络中，并且将ROS的通信函数嵌入到QT的控件SLOT函数中，进行数据交互。

    机器人操作界面

    单关节控制界面（用于驱动测试以及极性测试）
    在这里插入图片描述

    /* 以下是滑条的嵌套函数截取，仅供参考 */

/**
 * @brief 控制单关节
 * @param id 关节号（1-12）
 */
void MainWindow::JointCtrl(JOINT l, float data)
{
    sensor_msgs::JointState msg;
    msg.name.push_back(std::to_string(l));
    msg.position.push_back(data);
    qnode->JointCmdPuber.publish(msg);
}

/**
 * @brief 控件初始化函数
 */
void MainWindow::InitWidget(void)
{
    // 滑块移动时显示数值
    connect(ui->Slider_LBjoint1,&QSlider::sliderMoved,[=]() {
        ui->Num_LBjoint1->display(ui->Slider_LBjoint1->value());
    });
    connect(ui->Slider_LBjoint2,&QSlider::sliderMoved,[=]() {
        ui->Num_LBjoint2->display(ui->Slider_LBjoint2->value());
    });
    connect(ui->Slider_LBjoint3,&QSlider::sliderMoved,[=]() {
        ui->Num_LBjoint3->display(ui->Slider_LBjoint3->value());
    });

    // 滑块松开时发布控制数据，ang_bias是角度偏置，与腿部坐标系建立和初始相位有关。
    connect(ui->Slider_LBjoint1,&QSlider::sliderReleased,[=]() {
       JointCtrl(JOINT_LB1, ui->Slider_LBjoint1->value()*Angle2Pi);
    });
    connect(ui->Slider_LBjoint2,&QSlider::sliderReleased,[=]() {
       JointCtrl(JOINT_LB2, ui->Slider_LBjoint2->value()*Angle2Pi - ang_bias);
    });
    connect(ui->Slider_LBjoint3,&QSlider::sliderReleased,[=]() {
       JointCtrl(JOINT_LB3, ui->Slider_LBjoint3->value()*Angle2Pi + ang_bias);
    });

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    运动控制界面（人机交互主要的界面）
    功能描述：

    1. 支持修改机器人运动参数：步态类型，速度，身高，步高等
    2. 键盘控制机器人运动
      在这里插入图片描述
    /* 以下是本项目中键盘控制的部分代码截取，仅供参考 */

/**
 * @brief 键盘按键松开回调函数
 */
void MainWindow::keyReleaseEvent(QKeyEvent *event){
    // 判断模式
    if(ui->rBtn_Joystick->isChecked() && ctrlEnable){
        switch(event->key()){
	        // 状态控制
	        case Qt::Key_Space:
	            joystick.jump_triggle = 1;
	            break;
	
	        // 速度控制
	        case Qt::Key_W: joystick.v_des[0] = 0; 	break;
	        case Qt::Key_S: joystick.v_des[0] = 0; 	break;
	        case Qt::Key_A: joystick.v_des[1] = 0; 	break;
	        case Qt::Key_D: joystick.v_des[1] = 0; 	break;
	        case Qt::Key_Q: joystick.v_des[2] = 0;  	break;
	        case Qt::Key_E: joystick.v_des[2] = 0; 	break;
	
	        // 参数控制
	        case Qt::Key_G:
	            cur_gait = (cur_gait + 1) % Gait_Num;
	            ui->tBtn_Gait->menu()->actions()[cur_gait]->trigger();
	            break;
	        case Qt::Key_H:
	            cur_jump = (cur_jump + 1) % 3;
	            ui->tBtn_Jump->menu()->actions()[cur_jump]->trigger();
	            break;
	        case Qt::Key_U:
	            ui->pBar_Velocity->setValue(ui->pBar_Velocity->value() + 10);
	            break;
	        case Qt::Key_J:
	            ui->pBar_Velocity->setValue(ui->pBar_Velocity->value() - 10);
	            break;
	        case Qt::Key_I:
	            ui->pBar_Omega->setValue(ui->pBar_Omega->value() + 10);
	            break;
	        case Qt::Key_K:
	            ui->pBar_Omega->setValue(ui->pBar_Omega->value() - 10);
	            break;
     	}
    }
}

/**
 * @brief 键盘按键按下回调函数
 */
void MainWindow::keyPressEvent(QKeyEvent *event){
    switch(event->key()){
        case Qt::Key_Return:
  
            // 步态类型
            if(gait_type == QString("Stand")) joystick.gait = 1;
            else if(gait_type == QString("Trot")) joystick.gait = 2;
            else if(gait_type == QString("Walk")) joystick.gait = 3;

            // 跳跃类型
            if(_jump == QString("Jump")) joystick.jump_type = 0;
            else if(_jump == QString("Jump_L")) joystick.jump_type = 1;
            else if(_jump == QString("Jump_H")) joystick.jump_type = 2;

	        // 速度控制
	        case Qt::Key_W: joystick.v_des[0] = ui->pBar_Velocity->value() / 100. * 0.3f; 		break;
	        case Qt::Key_S: joystick.v_des[0] = -ui->pBar_Velocity->value() / 100. * 0.3f; 		break;
	        case Qt::Key_A: joystick.v_des[1] = ui->pBar_Velocity->value() / 100. * 0.15f;  		break;
	        case Qt::Key_D: joystick.v_des[1] = -ui->pBar_Velocity->value() / 100. * 0.15f; 		break;
	        case Qt::Key_Q: joystick.v_des[2] = ui->pBar_Omega->value() / 100. * 0.3f;			break;
	        case Qt::Key_E: joystick.v_des[2] = -ui->pBar_Omega->value() / 100. * 0.3f; 			break;
    }
}

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    信号发生器界面

    用于发布正弦波，三角波等控制信号，以测试控制器的响应性能。
    在这里插入图片描述

    /* 以下是本项目中曲线控制信号生成的部分代码截取，仅供参考 */

/**
曲线参数结构体
**/
typedef struct{
	// 
    Curve_Type curve_type;	// 曲线类型
    // 3代表xyz3个轴系，因为是对每个轴系分别施加控制信号，所以需要分开存储曲线参数
    uint32_t freq[3];			// 频率
    float amp[3];					// 幅值
    float origin[3];				// 初始相位
    float Kp[3];					// PID的比例系数
    float Kd[3];					// PID的微分系数
    bool axis_enable[3];	// 轴系使能标志位
    bool legs_enable[4];	// 腿部使能标志位，4代表4条腿
}Curve_Inf;

/**
 * @brief 曲线输出信号计算函数
 */
void calculateCurve(Curve_Inf* _curve, std::vector<sensor_msgs::JointState>& _msgs){
		
	    float scale, pDes[3], vDes[3];
	    int real_time = QDateTime::currentDateTime().toMSecsSinceEpoch();
	    // 根据曲线类型确定输出
	    for(int i = 0; i < 3; i ++){
	        if(_curve->axis_enable[i]){
	        		// 参数存储
		           float start = _curve->origin[i];
		            float phase = (real_time % int(1. / _curve->freq[i] * 1000.)) / (1. / _curve->freq[i] * 1000.);
		            float amp = _curve->amp[i];
		            float freq = _curve->freq[i];
		            switch (_curve->curve_type) {
		            	// 正弦波
			            case Curve_Sin:
			                scale = phase < 0.5f ? sin(M_PI * 2 * phase) : 0;
			                vDes[i] = amp * cos(M_PI * 2 * phase);
			                break;
			                
			             // 三角波
			            case Curve_Triangle:
			                vDes[i] = (phase < 0.5f) ? amp * freq * 4.f : -amp * freq * 4.f;
			                if(phase < 0.5f){
			                    start -=  amp;
			                    scale = 2 * vDes[i] * phase;
			                }
			                else{
			                    start +=  0.5 * amp;
			                    scale = 2 * vDes[i] * (phase - 0.5f);
			                }
			                break;
			                
			             // 方波
			            case Curve_Quare:
			                scale = phase > 0.5 ? -1. : 1.;
			                vDes[i] = 0;
			                break;
			            default:
			                break;
			            }
			            // 记录目标位置
			            pDes[i] = start + scale * amp;
			        }
    }


    // 信号输出
    _msgs.clear();
    for(int leg = 0; leg < 4; leg ++){
        if(_curve->legs_enable[leg]){
        	// 输出离散目标位置
            msg.position.push_back(_curve->axis_enable[0]? pDes[0] : _curve->origin[0]);
            msg.position.push_back(_curve->axis_enable[1]? pDes[1] : _curve->origin[1]);
            msg.position.push_back(_curve->axis_enable[2]? pDes[2] : _curve->origin[2]);
            for(int i = 0; i < 3; i ++) msg.position.push_back(_curve->Kp[i]);
			// 输出离散目标速度 
            msg.velocity.push_back(_curve->axis_enable[0]? vDes[0] : 0);
            msg.velocity.push_back(_curve->axis_enable[1]? vDes[1] : 0);
            msg.velocity.push_back(_curve->axis_enable[2]? vDes[2] : 0);
            for(int i = 0; i < 3; i ++) msg.velocity.push_back(_curve->Kd[i]);

            msg.name.push_back(std::to_string(leg));
            _msgs.push_back(msg);
        }
    }
}

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    曲线观测界面

    用于接收ROS网络中其他节点发布过来的数据，并定频实时显示。
    多条曲线的实时显示，需要用到定时器以及多线程，即QT中的QTime和QThread。
    在这里插入图片描述

    /* 以下是本项目中曲线绘制的部分代码截取，仅供参考 */


/**
 * @brief 曲线输出信号计算函数
 */
void GraphThread::createItem()
{
	int m_iThreadCount = 4;//开启的线程个数
    for(int i = 0;i < m_iThreadCount;i++)
    {
        QTimer *timer = new QTimer();
        QThread  *thread = new QThread();
        m_qTimerList.append(timer);
        m_threadList.append(thread);
    }
}

/**
 * @brief 多线程开启
 */
void GraphThread::startMultThread(int dt = 5)
{
    // 设置图表更新时间间隔
    dtGraph = dt;

    for(int i = 0; i < m_qTimerList.size(); i++)
    {
        m_qTimerList.value(i)->start(dtGraph);
        m_qTimerList.value(i)->moveToThread(m_threadList.value(i));
        switch(i){
            case 0: QObject::connect(m_qTimerList.value(i),SIGNAL(timeout()),this,SLOT(realtimeGraph1()),Qt::DirectConnection); break;
            case 1: QObject::connect(m_qTimerList.value(i),SIGNAL(timeout()),this,SLOT(realtimeGraph2()),Qt::DirectConnection); break;
            case 2: QObject::connect(m_qTimerList.value(i),SIGNAL(timeout()),this,SLOT(realtimeGraph3()),Qt::DirectConnection); break;
            case 3: QObject::connect(m_qTimerList.value(i),SIGNAL(timeout()),this,SLOT(realtimeGraph4()),Qt::DirectConnection); break;
        }
        m_threadList.value(i)->start();
    }
}

/**
 * @brief UI绘制曲线
 * @param id
 * @return
 */
void graphplot::slot_plotGraph(int id){
    if(enabled[id]){
        for(int i = 0; i < 3; i ++){
            graph_checkboxes[id][i]->setText(graphList.at(id)->graph(i)->name());
            if(!graph_checkboxes[id][i]->isChecked()) graphList.operator [](id)->graph(i)->setVisible(false);
            else graphList.operator [](id)->graph(i)->setVisible(true);
        }
        graphList.operator [](id)->replot();
    }
}

/**
 * @brief 控件初始化函数
 */
void graphplot::initWidget(void){
    graph_threads->createItem();
    graph_threads->startMultThread(25);
    QObject::connect(graph_threads, SIGNAL(plotGraph(int)), this, SLOT(slot_plotGraph(int)));
}

/**
 * @brief 更新曲线数据
 */
void GraphThread::slot_updateGraphData(float* value, QString* name){
    // 获取当前时间
    double key = QDateTime::currentDateTime().toMSecsSinceEpoch()/1000.0;
    if(Timer_firstRun){
        Timer_startTime = key;
        Timer_firstRun = 0;
    }

    // 上写锁，更新曲线的存储数据
    rwlocker.lockForWrite();
    for(int i = 0; i < 4; i ++){
        if(clearflag[i]){
            for(int j = 0; j < 3; j ++){
                if(!graph_container[i][j].empty())
                graph_container[i][j].clear();
            }
        }
        setClearFlag(i,false);
    }

    PointType p;
    p.stamp = key-Timer_startTime;
    for(int i = 0; i < 4; i ++){
        for(int j = 0; j < 3; j ++){
            if(graph_container[i][j].size() > 100) graph_container[i][j].clear();
            else{
                p.name = name[i*3 + j];
                p.value = value[i*3 + j];
                graph_container[i][j].append(p);
            }

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    }
    // 解锁
    rwlocker.unlock();
}

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    说明：上面列举的所有代码，都是项目中的部分代码截取，也是所对应界面的核心部分代码，能够理解的话，重新编写自己的功能代码应该不难。完整的项目代码也在上方开源了，欢迎下载。

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