个人项目：QT应用程序，目标检测+机械臂抓取(附下载链接）

视觉机械臂抓取应用程序

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需求分析

    软件目标：通过摄像头对目标物体进行检测，控制机械臂完成抓取或实时渲染仿真机械臂抓取以及相关信息

    功能需求：
            视觉模块：通过OpenCV打开摄像头读取视频帧保存并渲染至QLabel上

            机械臂控制模块：接收并转换检测坐标，发送机械臂控制指令

            通信模块：通过通信协议(具体看机械臂支持)实现与机械臂的连接。定义相关指令，根据指令数据完成机械臂控制

            应用程序界面：
                    ①视频窗口显示
                    ②上位机控制，提供虚拟机械臂渲染按钮弹出渲染子窗口

    其他需求：
            日志数据模块：读取记录各个模块的重要数据信息，提供对应接口显示在上位机信息窗口

            多线程设计：
                    视觉模块线程独立运行，如果开始检测则要与机械臂控制线程同步。

                    通信模块需要异步运行，持续与机械臂保持通信

                    虚拟渲染线程如果有机械臂连接则要状态同步

概要设计

主应用窗口分为画面显示和上位机两个子窗口。仿真系统虚拟机械臂渲染作为子窗口可选择

    数据结构：
            抓取目标数据结构(struct GraspTarget)：包含物体的位置、大小、形状等信息。

            机械臂状态结构(ArmStatus)：记录机械臂的关节位置、状态（空闲/忙碌）、当前动作等信息。

            图像帧数据结构(struct ImageFrame)：存储从摄像头获取的图像帧、处理后的图像数据。

            通信协议结构(struct CommunicationPacket)：描述上位机与机械臂之间通信时使用的消息格式

            日志记录数据结构 (LogEntry)

各个模块通过这些数据结构进行流通

详细设计

TODO：二级结构图对应的功能流程图

视觉模块

视觉模块主要读取摄像头的图像帧并保存，如果需要检测则处理图像帧

功能开发

TODO：

视觉模块(Vision类实现)

    属性：
            使用OpenCV打开摄像头并保存图像帧
            
            循环缓冲区类FrameBuffer：通过双端队列实现，用于存储一段时间的图像帧

    方法：

测试

维护与扩展

单例模式（Singleton Pattern）：
日志类使用饿汉式。简单直接，而且线程安全。在应用程序启动时就可靠地存在的情况下，饿汉式可以保证在多线程环境下的安全性，避免了多线程竞争条件的处理。

工厂模式（Factory Pattern）：
可以用于创建不同的对象，例如基于虚拟机械臂或现实机械臂的控制器对象。根据不同的硬件状态（是否连接到真实机械臂），工厂模式可以动态创建正确的控制器对象。

观察者模式（Observer Pattern）：
适合用于机械臂状态变化的通知。你的系统可能需要多个模块同时接收机械臂状态的变化，例如视觉模块需要知道抓取是否成功，应用程序界面也需要同步显示信息。

策略模式（Strategy Pattern）：
可以在抓取策略或目标检测算法的切换上应用。不同类型的物体可能需要不同的检测或抓取策略，策略模式可以让你灵活切换这些算法而不影响系统的其他部分。

生产者-消费者模式：
你已经在解码和渲染数据同步中使用了这种模式，它同样适用于在抓取任务中不同模块间的数据流，如视觉模块与机械臂控制模块的协调。

适配器模式（Adapter Pattern）：
当你需要将不同的硬件接口（虚拟和真实机械臂）整合到统一的接口中时，可以使用适配器模式，确保系统使用相同的接口与不同的机械臂进行通信。

视觉机械臂抓取应用程序

架构设计

1. 硬件设计

• 机械臂

• 摄像头

• 计算单元：

  • PC系统-图像处理、路径规划和控制算法
  • 通信接口（主要）：需要通信接口（如GPIO、UART、USB、Ethernet于连接控制器、传感器和机械臂的各个模块

2. 固件设计（次要）厂商提供

• 固件主要负责硬件的底层控制和初始化：机械臂控制固件：负责机械臂电机的精确控制，包括关节的运动、转动角度的校准等。
• 传感器驱动程序：摄像头、深度传感器和力传感器的驱动程序，用于获取传感器数据并与上层软件进行交互。固件通常存储在控制板上，确保传感器能通过标准协议（如 I2C、SPI、Ethernet）与系统通信。
• 实时系统固件：如果需要实时操作（例如抓取高动态物体），可以考虑使用实时操作系统（RTOS）来管理任务调度、传感器数据采集和机械臂控制。

3. 软件设计（主要）

负责抓取任务的高层逻辑实现。主要功能包括视觉处理、路径规划、控制算法以及用户交互。

• 视觉处理模块：
  • 使用 OpenCV、 PyTorch 来进行图像处理和物体检测，实现物体分类、定位、姿态估计等功能。
• 用户界面（UI）
  • 上位机开发：通过 Qt来设计控制界面，用户通过界面输入任务、观察抓取过程，或手动控制机械臂。
  • 通信模块：负责摄像头、机械臂、控制单元之间的数据通信。可以通过 TCP/IP 或 UDP 实现不同设备之间的数据交互。

项目结构

• 1. 摄像头读取和目标检测—Camera 类(摄像头)、ObjectDetector 类(目标检测)
     • 通过 OpenCV 轻松捕获摄像头图像流，并进行预处理（如图像缩放、颜色转换等）
     • 目标检测算法：直接作为模块部署
• 2. 机械臂监控与控制—RobotArmController 类(械臂的通信和控制)

     • 通信接口：使用 Qt 的 QSerialPort、QTcpSocket 等类进行通信机械臂的状态监控：接收机械臂的传感器数据或状态反馈，实时显示在上位机界面上 Qt 的 QCustomPlot 或 QTableWidget 实现图形化展示机械臂的位置信息、速度等参数。

     • 运动控制：定义命令集（如移动到指定位置、抓取物体等），将其通过信号与槽机制发送到控制模块，然后通过通信接口下发给机械臂

• 3. 虚拟机械臂集成–VirtualArmSimulator 类
     • 使用 OpenGL 或 Qt 3D 来创建一个机械臂的 3D 模型，并通过模拟的控制逻辑实现机械臂的虚拟操作。

• 4. 项目集成和功能扩展–GraspingSystem 类(核心逻辑类，负责管理摄像头、目标检测和机械臂控制之间的交互)

     • 前端 (Qt GUI)：
       摄像头实时监控区域。
       机械臂位置、状态信息显示。
       控制面板（控制机械臂移动、抓取等操作）。
       虚拟机械臂 3D 模拟。

     • 后端：

       目标检测模块：基于 OpenCV 和 YOLO 目标检测。
       
       机械臂控制模块：通过串口/TCP 与机械臂通信，发送控制命令。
       
       虚拟机械臂模块：通过 OpenGL/Qt 3D 渲染机械臂，模拟其运动。
       
       多线程处理：为了确保界面流畅、摄像头采集、目标检测和机械臂控制可以并行进行，可以使用 Qt 的 QThread 进行多线程处理，分离各个模块。
       
       数据记录与分析：抓取任务的执行结果可以通过日志记录保存，并且可以将数据存储到文件或数据库中，便于后续分析和优化。
       

• 5. MainWindow 类 (Qt UI)–负责 GUI 的交互，显示摄像头图像、目标检测结果，并提供控制机械臂的按钮

项目开发

• 日志相关

  qDebug()：用于输出调试信息。
  qInfo()：用于输出一般的日志信息。
  qWarning()：用于输出警告信息。
  qCritical()：用于输出严重错误信息。
  qFatal()：用于输出致命错误信息，并会终止程序。
  可以将不同类型重定向
  

• MainWindow 类 (Qt UI)–负责 GUI 的交互，显示摄像头图像、目标检测结果，并提供控制机械臂的按钮

  • 1. 摄像头读取和目标检测—Camera 类(摄像头)、ObjectDetector 类(目标检测)

       Camera 类:直接用QCamera实现
       ObjectDetector 类：

       基本功能：
           模型加载：从文件中加载预训练的目标检测模型
       
           图像预处理：将输入图像转换为模型可以接受的格式
       
           推理：将预处理后的图像输入模型，得到检测结果
       
           后处理：解析模型输出，筛选出置信度高的目标，并进行非极大值抑制 (NMS) 来去除重叠框
       
           绘制结果：将检测框绘制在原图上并显示/保存结果
       

    2. 机械臂监控与控制—RobotArmController 类(械臂的通信和控制)

    3. 虚拟机械臂集成–VirtualArmSimulator 类

    4. 项目集成和功能扩展–GraspingSystem 类(核心逻辑类，负责管理摄像头、目标检测和机械臂控制之间的交互)