大疆工程师教你如何成为一名机器人工程师(中)

2016-09-09 10:34:14     作者:金红      来源:雷锋网

大三大三开始的时候,你可以在学校的机器人队里担任重要角色了,或者能够带领一个小团队参加小型的机器人比赛。

雷锋网(搜索“雷锋网”公众号关注)按:本文作者YY硕,来自大疆工程师。原文标题《机器人工程师学习计划》,全文篇幅较长,为了方便阅读,故分为三篇,此为中篇。

大三

大三开始的时候,你可以在学校的机器人队里担任重要角色了,或者能够带领一个小团队参加小型的机器人比赛。你在系里甚至院里都小有名气了,可能有的人叫你大神,有的人觉得你技术还不错。但是一定要记得你现在的水平放到别的地方应该不算什么。每年我都往大疆的RoboMasters夏令营招进100个和你现在的水平相当的同学。

编者注:RoboMasters夏令营是大疆为理工科学生和机器人爱好者量身打造的暑期科研活动,从2013年开始举办。通过自主报名的形式召集百余名各大高校的学生,在大疆总部进行一个月的项目训练,由香港科技大学的教授以及行业行业精英进行指导并分组,最后各组之间将自己的研究成果进行验证。

大三一定要培养出自己一个人独立造出一个完整机器人的能力,比如一个Robocon水平的机器人,或者一个RoboMasters的战车,或者一个四旋翼飞行器。

Robocon水平的机器人,涉及大量的机械设计,单片机开发,电机驱动的开发,码盘和超声波等传感器的读取,底盘运动学的计算,PID调试,任务调度逻辑的调试,舵机控制。RoboMasters的战车的机械部分简单一些,但是还需要进行云台的控制、发弹系统的控制、功率控制等方面的知识,另外你也可以不搞这些部分,学习学习视觉识别和自动打击,那么就要开始研究OpenCV了。

四旋翼飞行器的机械部分最简单,但是算法比较复杂。对于大三学生来说,从零开始一步到位写一个稳定的飞控比较困难,因为飞控里面有很多细小的知识点要注意。目前我没有发现什么比较好的书籍推荐,已有的一些关于四旋翼系统的书要么太浅(上来就教你焊电路),要么太深(上来就教你state estimation),听说 @Liu Top的exbot小组在写一个教材,我是非常期待的。学习四旋翼飞行器有下面几个步骤:

第一步:自己调一个小四轴飞起来

现在开源社区的人言必pixhawk,其实我觉得从学习的角度来说,pixhawk太贵,而且不适合学习,我比较推荐的是第七实验室这家淘宝店卖的STM32F405飞控,买回来以后自己再随便买个机架(比如大疆F450)、接收机和遥控,就能按照飞控板附带的学习资料、调试软件飞起来。

第二步:看硬件图、读代码

chiplab7的飞控板附带一大堆学习资料,对加速度计、陀螺和磁感计都有很仔细的解释,硬件链路图也很详细。chiplab7淘宝掌柜的又很认真负责,我学用的时候,发现代码有bug和看不懂的地方,都可以直接找掌柜问。

看完代码以后,对一个飞控系统的基本模块:姿态解算、控制解算、混控输出、遥控器处理、嵌入式处理就很明白了。然而这里面有很多技术是需要另外学习的。除了基本的嵌入式编程以外,还有要把大二大三学的信号处理方面的知识再捡起来看看。因为飞行器在空中有振动,会让加速度计产生噪声,为了把这些噪声去除掉,需要对加速度计给出的信号做低通滤波处理,如何选择滤波器的参数呢?如果滤波滤得太狠,延迟就会比较大,对控制的表现会有影响;如果滤波滤得不够,可能会有一些低频的噪声偶尔会出现,导致加速度计的观测不能用。另外最重要的是要理解姿态解算和控制解算这两块知识。chiplab7的飞控板的代码采用的是最简单的互补滤波算法做为姿态解算模块,然后控制解算是对欧拉角的三个角度做闭环PID控制,基本都是基础的基础了。

第三步:小修小改加深理解

chiplab7的飞控是靠气压计定高的,飞行效果非常奔放。这时候可以淘宝买个20块钱的超声波模块,然后自己写个高度环去稳定飞控的定高表现。

我觉得这个过程至关重要,因为高度控制相对来说是个比较直观理解PID控制的方式,而且chiplab7的飞控加高度控制非常好加。工作量不大,因为改善效果很显著,所以可以让人很有成就感,加深继续学习的乐趣。

第四步:理解核心的数学和控制知识

这一部分大三是肯定来不及学的,但是我还是在这里列出来,因为这些知识你之后都需要慢慢学,我也会在之后不断重复提到这些知识点。

姿态解算和控制解算涉及的知识有:

1. 刚体姿态的表示、运动学方程和动力学方程。主要是对牛顿-欧拉方程的认识和理解、刚体姿态的欧拉角表示法、姿态与角速度的关系等等。

这部分说复杂不复杂,说简单也不简单,我同样是没有找到一本完整的书全都介绍过的,是学了好几个不同的书和论文以后搞明白的。现在看起来是从维基百科入手比较靠谱。

2. 自动控制原理。讲PID的书和文章就多了去了,没有太多复杂的书。

3. 线性估计基本原理。其实就是互补滤波:Reading a IMU Without Kalman: The Complementary Filter 。拿这个关键词百度各种搜就会了。

第五步:重头开始造轮子

知乎著名网友vczh曾经说过,学习要抱着勇于造轮子的心态才能进步。所以在熟悉了别人飞控基础上,可以自己重头造一个飞控的轮子。可以自己从芯片开始重新画一个飞控板,读读STM32的芯片手册、读读各种传感器的芯片手册,自己手画一个飞控的原理图、做PCB layout、制板自己焊元件,全套花不了1000块钱,能够加深很多对硬件的理解。这一部分如果大三没空,也可以不搞了。

制造整个机器人的过程中要特别重视文档的积累。在你大三末期,你可能随着学校的机器人队备战比赛,你可能主力负责一台机器人。你应该自己列一个excel表格,把机器人用了几颗螺丝,几根导线,每个零件的规格是什么,都列出来。这个表格一方面可以用来帮助团队管理机器人的物料,一方面也是你自己的经验技术积累,将来你做的其他机器人可能多多少少都是Robocon、RoboMasters机器人的变形。

另一个积累是建一个自己的buglist,buglist包括什么呢,可以像冷大这样,在“做控制、机器人等算法工程师是怎样一种体验?”的回答中,就简单把一些自己的发生过的问题和最后的解决办法罗列下来。比如说“杜邦线接插位不稳固容易脱开,接好后应该用电工胶布再裹一圈”,“外发给淘宝加工的机械图纸,要特别注意和加工商沟通有没有漏掉一些细节,如沉头螺丝孔,关键的倒角”等等。你也可以把其他机器人的问题也做这样的记录。buglist可以就是一个简单的文本文件,如果你一直往里面积累自己工作中的记录,等你将来工作了,这个文件可能会值很多钱。

大三的时候学校应该会开设软件工程的课程。不管你是不是这个专业,上不上这门课,都应该主动去听一听,甚至跟着课程的设计作业一起做一做。软件工程我觉得是机器人工程师必须具备的意识,因为一个机器人系统里涉及大量的硬件系统和软件功能,软件的部分往往还会涉及不同的语言、不同的编译环境、不同的开发工具链。几个人合作的话,大家的专业背景、编程习惯都不相同,这就导致不同的代码和模块之间的协议沟通非常复杂,必须尽早用UML和其他软件工程的工具帮助团队理解和互相沟通。

大三的时候学校应该还会开设操作系统原理和嵌入式系统原理的课程,而大二的时候讲过计算机组成原理(所谓的微机原理)。从大三开始同学需要开始体会实时操作系统和非实时操作系统的区别、原理以及使用时需要注意的地方。这是一个比较杂的知识点,我目前没有找到很好的教材去介绍。在STM32上,有freeRTOS,uCOS,Vxworks这么几种实时操作系统;Linux是一种非实时操作系统,但是可以通过打补丁变成实时操作系统。这些操作系统的细节在机器人开发中都会多多少少被涉及到,同学们可以随时上Google和CSDN去查大神们的介绍。

另外特别重要的一点是机器人系统里的嵌入式平台都有烧坏的可能性,有可能在某个嵌入式Linux平台上面辛辛苦苦写了一个多月代码,这个平台突然烧坏了,代码也就丢了。因此你的机器人如果有嵌入式Linux系统在里面,一定要尽早顶起来路由器,代码定时提交SVN或者git。

大三的暑假你可能会作为学校机器人队的主力去参赛了。备战比赛和参赛是一件磨练心性的事情。我在学生时代体会过和胜利擦肩而过的痛苦,体会过没机会再来一年的遗憾;也在负责大疆RoboMasters比赛的过程中被那些痛苦和遗憾的学生当做发泄的对象,非常有感触。我觉得参加机器人比赛,很努力,然后失败了,是一件让人快速成长的事情。同学如果有机会,一定应该参加至少一届机器人比赛。

大三的暑假你也可以选择来参加大疆的RoboMasters夏令营,关于夏令营大家可以看这个知乎问答了解更多:参加Robomasters 2016夏令营是怎样一种体验? 。每年我们都在全国范围内寻找有一定技术基础的学生,让他们一起分组做一个自动机器人的挑战。这个夏令营,作为组织负责人,不谦虚地说,我觉得应该是全世界范围内最好的技术类夏令营。

编者注:今年的RoboMasters夏令营比拼对于机器视觉技术的理解,挑战机器人自动飞行、自动取物、自动投掷技术。图为挑战机器人抓取娃娃并准备投入相应颜色框中,此过程机器人为全自动运行,机器人需要通过视觉识别娃娃的颜色与框的颜色。

大三的暑假有一件很重要的事情就是思考自己大四应该干什么。一般来说,你现在的能力保本校研究生肯定没有问题,当然你也可以选择考其他学校的研究生或者出国留学。虽然说你现在能力已经很全面了,但是你还需要2-3年的时间全面提升自己更多的能力,才能迈向卓越之路。不管是出国还是保研,最重要的目的是给自己争取到未来2-3年能够在一个优秀的环境中安心提升自己,有比较好的学习资源,能够参与到一些不错的项目中去。可能其他有些行当,出国留学始终是比在国内待着更好的选择,但是机器人行业并不是这样。我们国家这两年在机器人方面提高也很快,而且我们国家现在比较有钱。就像我开始说的那样,机器人是富人的活动,现在你在国内也能找到一些很有钱的实验室可以造比较牛逼的机器人。另外国外很多比较强的机器人公司也都在做比较敏感的军方项目,去找实习可能比较受限制。

出国去学机器人学方面的知识你有很多不错的选择,比如世界第一的机器人研究院卡耐基梅隆大学,或者麻省理工学院的CSAIL实验室。北美传统计算机四大名校(麻省理工学院,卡耐基梅隆大学,斯坦福大学,加州大学伯克利分校)里,除了斯坦福大学热火朝天在搞人工智能以外,其他几个学校的机器人研究都很不错。除了四大名校,你还有很多其他的选择,就像我开始说的那样,机器人是富人的活动,如果想接触到最好的机器人资源,你要选择有钱的实验室,而不是有名的实验室。

另外你还需要在大三的尾巴上选定自己将来的细分研究方向,而且开始往这个方向深挖,也就是我在文章开始提到的感知、认知、行为几个方向。当然同时你也不能放松其他方面的知识,尤其是数学基础。我在大三的暑假专门找数学系的同学给我开了个数学小讲座,学习了一点抽象代数的知识,对我后来学习密码学帮助很大。同时我也读了一些拓扑方面的教材(有一本很神奇的书叫做Topopogy Without Tears ),这样才理解了为什么数学分析要用奇怪的符号去解释一些看起来很浅显的道理。

大三阶段的机器人工程师该学什么基础数学是众说纷纭的,在我看来,你要基本掌握“群是什么”,能够用代数的眼光去证明"det(AB) = det(A)det(B)",还要能理解“用一张纸就可以变出克莱因瓶”(当然是在四维空间里)。另外,你这个时候也要能够意识到自己需要再学一遍线性代数。

大四

大四开始了,你可以开始深挖自己的研究方向,同时也要开始学一些高级一点的通用技术和理论,这时候你和一般的机械、电子、计算机学生就不太一样了,你虽然也在狂编程,但也在狂学习物理和数学。通用技术包括ROS,simulink,gazebo和Vrep等工具。通用理论包括,再学一遍线性代数,学学凸优化、数值计算、旋转表示法等方面的知识。这些知识你在大四仅仅只能开一个头,因为你的大四要实习、毕业、考研、毕设,你会非常地忙。有些人会在大四进实验室和老师发论文,我个人觉得发论文这件事没必要操之过急。你的整个大学期间应该用在广泛涉猎各种各样的知识上面,而不是深入某一个细小的研究问题。

大四可以开始读一些著名入门书籍,我把这些书不分先后地列出来,你没有必要全部去读,而且每本书先读前几章就够了,能读多少尽量读多少。

1. 概率机器人学;

2. 凸优化;

3. 线性系统理论;

4. Multiple View Geometry in Computer Vision;

5. 线性估计;

6. 《机器学习》,周志华老师的书。

7. An Invitation to 3-D Vision;

8. Modern Control Systems;

9. Rigid Body Dynamics。说实话刚体动力学理论我没有找到特别好的书,但是刚体动力学理论很重要。

10. Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers;

就像我开始说的那样,这些书,大部分特别贵,还好有一些业界良心的作者放出了他们书的电子版。当然你也可以去一些名字都不能说的网站去找影印版。

在读上面这些书的时候,matlab,python都要放在手边,然后把书里面的知识尽量实践出来。很多教科书里都会在章节后面的习题里放一些写明是用matlab做的习题,要尽量多做一些这样的题。

你可能早就听说了ROS的大名,但是最好不要在大四之前去碰它。因为ROS用了很多操作系统和网络的底层技术。我在知乎回答“高手可以谈谈ROS机器人操作平台开发的一些经验吗?”里有简单的介绍。ROS的设计目标是把机器人的控制和传感器处理的软件和它的硬件隔离开,用上ROS以后,你可以方便地用到很多能直接跑的软件代码。但是ROS从入门到精通需要至少一年以上的时间,你必须不断地用,不断地尝试新的代码和硬件,才能对它熟悉起来。

ROS的可视化工具Rviz里面对于机器人旋转的表示用的是四元数,而在你之前研究四旋翼飞行器时,里面的代码表示旋转用的是欧拉角,做姿态解算用的可能是四元数。这个时候要开始有意识地去学习旋转表示法之间的区别和联系。

要重视大四期间的实习和毕业设计。很多大四的学生毕业设计都会非常颓地做一下,我觉得是不好的。要把做毕业设计的过程看做一个正式的项目。这个项目除了做好技术方面的工作,也要做好展示方面的工作。中国工程师的一大特点是,不会表达自己,可能做的东西水平很高,但是做出PPT就会犯字体花哨不正式、一页上面字太多,图文没有联系等表达上的问题。通过PPT介绍、展示自己的成果在工程师的职业生涯的任何一个阶段都非常重要,它甚至也一定程度上限制了机器人工程师能够达到的高度。只有能够把自己的成果清晰地表达给自己的团队,才能获得其他人的反馈、通过沟通提高团队的整体凝聚力和知识水平,这样自己在团队能够获得更多的认可,有助于团队整体工作效率的提高。我每年去参加几次学术会议,都在会议上感觉到一些中国的科研人员走到国际上以后,演讲能力很差就会导致他们的科研成果不受重视。当然其他国家的科研人员也是这样。

为了写出美观的技术报告和毕业论文,你可以开始学习Latex。Latex作为国际国内第一写作神器,学习资料在网上有很多。Latex的学习和使用同样也是需要不断地熟能生巧,多写多练就熟悉了。写毕业论文有个问题是怎么做出精美的矢量图,我推荐Draw Freely | Inkscape,一个比Illustrator更轻量化、但是有些功能反而更强大的免费软件。

对于那些想申请出国留学的同学,你要做一个自己个人的成果展示,用网页的形式呈现比较好。把自己Github链接(如果你按我说的,大学第一天就申请Github账号,现在已经是一个三年的老油条了)、做过的机器人视频、写过的技术报告和文章(最好是英文的)放在上面。

关于毕业设计的选题,我推荐这么几个:

1. 手写双目视觉里程计。涉及到图像处理、特征匹配、位置解算、空间变换等等。

2. 手写四旋翼飞行器基于GPS的轨迹规划。涉及到深挖四旋翼飞行器的运动原理、IMU原理、轨迹生成和优化等。

3. 造一个被推了也不会倒的双足舵机机器人。涉及到舵机控制、倒立摆建模、动力学分析、PID控制、IMU原理等。

4. 深度学习训练一个小车追人跑。涉及到深度学习工具包使用、数据集采集、数据集分析、小车控制等。

5. 机械臂给人端茶倒水。这个相对来说土豪一点,因为能直接拿来用的机械臂都很贵,这个要看实验室有没有条件了。涉及到多自由度机械臂原理的学习、工具包的使用、轨迹规划等等。

这几个项目要做好,都要持续投入三个月以上的时间以及一定的资金,每一个都是理论多于实践。当然同学们自己也可以自己选择自己的毕业设计题目,但是最好还是选做出来能跑能飞的东西,同时避免选择需要花大量时间去拧螺丝、焊板子的题目,尽量买现成的电机、开发板、3D打印结构,大四要多给自己留时间去看书和写代码。

大四到研究生之前的暑假,最好去一些比较不错的机器人公司实习一下,比如说大疆。当然你也可以继续做机器人比赛,比如RoboMasters和大疆的飞行器比赛。


大疆工程师教你如何成为一名机器人工程师(上)

大疆工程师教你如何成为一名机器人工程师(下)

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