實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作系統(tǒng)——ADI Trinamic電機(jī)控制器ROS1驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介

摘要

機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)驅(qū)動(dòng)程序基于ADI產(chǎn)品而開(kāi)發(fā)，因此可直接在ROS生態(tài)系統(tǒng)中使用這些產(chǎn)品。本文將概述如何在應(yīng)用、產(chǎn)品和系統(tǒng)（例如，自主導(dǎo)航、安全氣泡地圖和數(shù)據(jù)收集機(jī)器人）中使用和集成這些驅(qū)動(dòng)程序；以及這樣將如何有助于迅速評(píng)估新技術(shù)，并避免出現(xiàn)與第三方產(chǎn)品的互操作性問(wèn)題。在本文探討的所有產(chǎn)品中，將重點(diǎn)關(guān)注最近發(fā)布的用于ADI Trinamic?電機(jī)控制器的ROS驅(qū)動(dòng)程序，該驅(qū)動(dòng)程序是用于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制的完整板級(jí)模塊，融合ADI Trinamic運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以及ADI的模擬工藝技術(shù)和電源設(shè)計(jì)技能。1

什么是ROS？

ROS是機(jī)器人中間件，包含一組軟件庫(kù)和強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具（從驅(qū)動(dòng)程序到先進(jìn)算法），可作為機(jī)器人系統(tǒng)或應(yīng)用的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。ROS涉及多領(lǐng)域（例如，消費(fèi)電子、工業(yè)、汽車(chē)等），支持多個(gè)平臺(tái)（Linux、Windows、MacOS和一些嵌入式平臺(tái)），而且100%開(kāi)源，并提供商業(yè)選項(xiàng)。得益于來(lái)自全球技術(shù)社區(qū)的專(zhuān)用資源，ROS可獲得豐富的支持，從而幫助用戶(hù)簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

該技術(shù)的工作原理是什么？
ROS始于2007年，已成為自動(dòng)駕駛汽車(chē)、工業(yè)機(jī)器人、飛行器等領(lǐng)域備受歡迎的機(jī)器人開(kāi)發(fā)原型制作平臺(tái)。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，該技術(shù)現(xiàn)在有兩個(gè)版本：ROS1和ROS2。

ROS1和ROS2系統(tǒng)必須相互隔離，但通過(guò)ROS橋，這兩個(gè)系統(tǒng)之間可進(jìn)行通信和交換數(shù)據(jù)。有關(guān)更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)ros2/ros1_bridge頁(yè)面。

表1.ROS1和ROS2的主要區(qū)別2

ROS支持的平臺(tái)

ROS Noetic是ROS1的最終版本，將于2025年5月終止支持，而ROS2自2020年6月推出以來(lái)，不斷滾動(dòng)更新發(fā)行版。

如需獲取完整列表，請(qǐng)查看這些鏈接，以了解ROS1支持的平臺(tái)和ROS2支持的平臺(tái)。

ROS基本概念

圖1顯示了ROS的一些基本概念，包括功能包、節(jié)點(diǎn)、主題、服務(wù)和消息。

圖1.ROS基本數(shù)據(jù)流。

注：對(duì)ROS1和ROS2而言，下文討論的ROS基本概念相似。

功能包

ROS功能包是ROS程序或節(jié)點(diǎn)的主要組織系統(tǒng)。這是ROS中最核心的構(gòu)建/發(fā)布項(xiàng)。創(chuàng)建ROS功能包時(shí)，請(qǐng)務(wù)必設(shè)置專(zhuān)用的ROS工作空間。該工作空間被稱(chēng)為catkin工作空間，其中catkin是ROS的官方構(gòu)建系統(tǒng)。

節(jié)點(diǎn)

ROS節(jié)點(diǎn)是在ROS中創(chuàng)建的可執(zhí)行程序。它們是執(zhí)行特定任務(wù)的進(jìn)程。ROS節(jié)點(diǎn)可使用ROS客戶(hù)端庫(kù)（如Python客戶(hù)端庫(kù)rospy和C++客戶(hù)端庫(kù)roscpp）相互通信。節(jié)點(diǎn)可以訂閱和/或發(fā)布主題，也可以提供或使用服務(wù)。3

主題

ROS主題是ROS節(jié)點(diǎn)生成（或者發(fā)布，用ROS的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)）的數(shù)據(jù)通道。

在ROS中，發(fā)布者節(jié)點(diǎn)是主題的廣播者，而訂閱者節(jié)點(diǎn)是主題的收聽(tīng)者。

在圖2中，generic_motor_control的節(jié)點(diǎn)是廣播者。/cmd_vel是velocity_publisher發(fā)布的主題。這表示，velocity_publisher提供基于電機(jī)控制（或命令速度）的速度信息。

而ros_application的節(jié)點(diǎn)是收聽(tīng)者，velocity_subscriber訂閱主題/cmd_vel。這表示，velocity_subscriber訪問(wèn)或使用velocity_publisher提供的速度信息。

圖2.發(fā)布者-訂閱者。

消息

主題是數(shù)據(jù)通道，而消息是數(shù)據(jù)，采用與ROS兼容、適用于不同傳感器的格式。

以下是適用于ROS消息格式的示例傳感器：

• 飛行時(shí)間(ToF)攝像頭：sensor_msgs/Image、sensor_msgs/PointCloud
• 慣性測(cè)量單元(IMU)傳感器：sensor_msgs/Imu
• 電機(jī)控制：geometry_msgs/Twist
• 車(chē)輪編碼器：geometry_msgs/TwistStamped、geometry_msgs/ TwistWithCovarianceStamped

ROS主題通過(guò)發(fā)送消息（主題發(fā)布者）或接收消息（主題訂閱者）進(jìn)行通信，并且必須采用匹配的數(shù)據(jù)類(lèi)型。

例如，在圖2中，來(lái)自velocity_publisher節(jié)點(diǎn)的速度信息（命令速度）希望被velocity_subscriber節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)/使用。如果主題發(fā)布者velocity_publisher使用數(shù)據(jù)類(lèi)型geometry_msgs/Twist，則主題訂閱者velocity_subscriber也應(yīng)使用相同的數(shù)據(jù)類(lèi)型。

服務(wù)

發(fā)布者-訂閱者通信模式是開(kāi)放式模式，不適用于分布式系統(tǒng)中通常需要的回復(fù)交互。4

服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送請(qǐng)求和接收響應(yīng)進(jìn)行通信。發(fā)布者-訂閱者通信模式使用.srv文件，在這些文件中，指定了請(qǐng)求和響應(yīng)的消息類(lèi)型等服務(wù)描述。

服務(wù)是雙向同步通信模式，其中包含客戶(hù)端和服務(wù)器。服務(wù)器節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，而客戶(hù)端節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求并等待服務(wù)器節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)。

例如，在圖3中，server_node提供服務(wù)SetVelocity.srv以更改命令速度vel。該服務(wù)接受float32格式的速度值，并以字符串格式返回狀態(tài)；如果設(shè)置了請(qǐng)求的速度，則為“success”；否則，為“FAIL”。

圖3.使用服務(wù)示例。

client_node發(fā)送請(qǐng)求，將命令速度設(shè)置為2.5 mbps。server_node收到請(qǐng)求后，立即發(fā)送“success”響應(yīng)。

將ADI解決方案集成到ROS生態(tài)系統(tǒng)中

ADI是ROS-Industrial聯(lián)盟的正式成員，ROS-Industrial是一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，旨在將ROS軟件的高級(jí)功能擴(kuò)展到與工業(yè)相關(guān)的硬件與應(yīng)用。5作為該技術(shù)社區(qū)的一份子，ADI最初的目標(biāo)是面向工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)專(zhuān)用模塊。

ADI針對(duì)不同的專(zhuān)用模塊開(kāi)發(fā)了ROS驅(qū)動(dòng)程序。為了展示所開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序并利用ROS的功能，ADI公司開(kāi)發(fā)了ADI自主移動(dòng)機(jī)器人(ADAM)作為內(nèi)部自主移動(dòng)平臺(tái)（參見(jiàn)圖4）。

圖4.ADAM。

ADAM：ADI自主移動(dòng)機(jī)器人

ADAM由ROS提供支持，并搭載ROS支持的不同器件。該平臺(tái)展示了ADI公司的ROS驅(qū)動(dòng)程序如何集成到移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用中，特別是自主導(dǎo)航應(yīng)用。

圖5所示為具有不同模塊的ADAM的簡(jiǎn)化硬件圖。該ADAM主要連接以下器件：

• ADIS16470或IMU傳感器采用精密陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)和壓力傳感器的多軸組合，這些器件主要用作檢測(cè)反饋，用于改善位置/方向估算。
• ADBMS6948是一款多單元電池監(jiān)控器，可測(cè)量多達(dá)16個(gè)串聯(lián)連接的電芯，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有較高的測(cè)量精度。
• EVAL-ADTF3175D-NXZ或CMOS ToF提供出色的高分辨率，與深度計(jì)算和處理、激光驅(qū)動(dòng)器、電源管理以及具有參考固件/軟件的開(kāi)發(fā)工具相輔相成，可帶來(lái)更多優(yōu)勢(shì)。
• ADI Trinamic電機(jī)控制器是用于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制的完整板級(jí)解決方案，融合ADI Trinamic運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以及ADI的模擬工藝技術(shù)和電源設(shè)計(jì)技能。1

圖5.ADAM的簡(jiǎn)化硬件圖。

圖6所示為ADAM的簡(jiǎn)化ROS架構(gòu)，該ADAM使用ROS驅(qū)動(dòng)程序和自主導(dǎo)航所需的多個(gè)應(yīng)用/算法節(jié)點(diǎn)。IMU數(shù)據(jù)(/imu/data_raw)和ADI Trinamic電機(jī)控制器反饋(/tmc_info)用作姿態(tài)估算的輸入，從而得到機(jī)器人的里程測(cè)量結(jié)果(/odom)。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)(/scan)是用于生成地圖的同步定位與地圖繪制(SLAM)算法的主要輸入；ToF數(shù)據(jù)(/image_raw)還可用作其他SLAM算法的輸入。然后，move_base節(jié)點(diǎn)將等待用戶(hù)發(fā)出任何目標(biāo)姿態(tài)，并向ADI Trinamic電機(jī)控制器發(fā)送速度命令(/cmd_vel)，使機(jī)器人移動(dòng)。

圖6.ADAM導(dǎo)航堆棧的簡(jiǎn)化ROS架構(gòu)。

ADI Trinamic電機(jī)控制器ROS驅(qū)動(dòng)程序

ADI Trinamic電機(jī)控制器(TMC)是用于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制的完整板級(jí)解決方案，融合ADI Trinamic運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以及ADI的模擬工藝技術(shù)和電源設(shè)計(jì)技能。1支持單軸/多軸步進(jìn)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)等各類(lèi)電機(jī)，可用接口包括CAN、EtherCAT?、RS-232、RS-485和USB，支持的協(xié)議涵蓋Trinamic運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言(TMCL?)、CANopen? over EtherCAT (CoE)、CANopen或Modbus。1

名為T(mén)MCL-IDE的IDE可幫助用戶(hù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用并對(duì)這些模塊輕松重新編程。該IDE使用TMCL實(shí)現(xiàn)獨(dú)立操作，或使用標(biāo)準(zhǔn)化CANopen?協(xié)議，允許用戶(hù)設(shè)置參數(shù)、實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，并開(kāi)發(fā)/調(diào)試獨(dú)立應(yīng)用。

由于TMC使新型智能執(zhí)行器成為可能，并且隨著ROS日益普及，尤其是在機(jī)器人領(lǐng)域，我們針對(duì)這些模塊開(kāi)發(fā)了額外支持，如ROS驅(qū)動(dòng)程序，從而進(jìn)一步擴(kuò)展制造業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化的用例。具體來(lái)說(shuō)，預(yù)計(jì)這些ROS驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒛軌颍?/p>

• 控制電機(jī)的速度、位置或扭矩
• 監(jiān)控電機(jī)控制器和電機(jī)信息

TMC ROS驅(qū)動(dòng)程序與TMCL-IDE提供的功能相似，但它能夠讓支持ROS的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)輕松使用這些TMC，無(wú)需安裝任何其他驅(qū)動(dòng)程序。截至本文發(fā)表之時(shí)，該驅(qū)動(dòng)程序僅支持CAN接口（特別是SocketCAN），其他接口正在開(kāi)發(fā)中，很快也將提供支持。

此處列出了目前支持的ADI Trinamic電機(jī)控制器模塊(TMCM)。

軟件架構(gòu)

圖7所示為adi_tmcl的簡(jiǎn)化軟件架構(gòu)。

如圖7所示，由于adi_tmcl使用大多數(shù)Linux系統(tǒng)默認(rèn)支持的SocketCAN驅(qū)動(dòng)程序，所以不需要任何額外的驅(qū)動(dòng)程序。此外，adi_tmcl具有自己的TMCL協(xié)議解析器，因而能夠理解用戶(hù)請(qǐng)求的符合TMCL的發(fā)送/接收命令。作為最后一層，tmcl_ros_node以發(fā)布者、訂閱者和服務(wù)的形式在ROS系統(tǒng)上提供直接接口。每種形式均提供特定的功能，這些功能可使用以下部分詳細(xì)介紹的一組參數(shù)進(jìn)行配置。

圖7.adi_tmcl的簡(jiǎn)化軟件架構(gòu)。

特性

adi_tmcl提供一系列特性，包括：

1. 支持不同的TMC板

2. 使用TMCL-IDE對(duì)TMC模塊進(jìn)行一次性配置

3. 移動(dòng)/停止電機(jī)

4. 能夠獲取TMC/電機(jī)信息

5. 執(zhí)行自定義TMC命令

6. 能夠獲取所有軸參數(shù)值

7. 能夠獲取所有全局參數(shù)值

8. 支持多個(gè)TMC板設(shè)置

9. 輕松集成到ROS系統(tǒng)/應(yīng)用中

敬請(qǐng)關(guān)注下月《模擬對(duì)話》中的文章“掌控搭載ROS1驅(qū)動(dòng)程序的Trinamic電機(jī)控制器”，文中將詳細(xì)探討這些特性，并舉例說(shuō)明如何使用這些特性。

結(jié)論

利用ADI Trinamic電機(jī)控制器可實(shí)現(xiàn)新型智能執(zhí)行器。隨著ROS日益普及，尤其是在機(jī)器人領(lǐng)域，我們針對(duì)這些模塊開(kāi)發(fā)了額外支持，如ROS驅(qū)動(dòng)程序，旨在進(jìn)一步擴(kuò)展制造業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化用例。

在本文中，我們展示了ROS如何擴(kuò)展器件，帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：

• 提供附加價(jià)值，比如擴(kuò)展工業(yè)應(yīng)用；
• ?通過(guò)ROS通信框架，與第三方產(chǎn)品可輕松實(shí)現(xiàn)互操作；
• 提供更廣泛的選項(xiàng)，方便客戶(hù)在其系統(tǒng)中選用ADI產(chǎn)品；
• 快速評(píng)估新技術(shù)并立即開(kāi)始使用。

欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)ADI工業(yè)機(jī)器人頁(yè)面。

探索永不停息

• 敬請(qǐng)關(guān)注有關(guān)ADI Trinamic電機(jī)控制器ROS1驅(qū)動(dòng)程序的文章，深入了解相關(guān)信息
• 敬請(qǐng)關(guān)注未來(lái)發(fā)表的有關(guān)用于ADI Trinamic電機(jī)控制器的ROS2的文章
• 下載ADI Trinamic電機(jī)控制器ROS1和ROS2驅(qū)動(dòng)程序
• 購(gòu)買(mǎi)ADI Trinamic電機(jī)和電機(jī)控制器評(píng)估板

參考文獻(xiàn)

1“用于電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制的ADI Trinamic硬件?！盇DI公司

2“ros2/ros2_documentation。” GitHub, Inc.

3“了解ROS節(jié)點(diǎn)?！?ROS.org.

4“服務(wù)?！盧OS.org.

5“ROS-Industrial?！盧OS.org.

“適合運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的工業(yè)通信協(xié)議和接口?！盇DI公司