實現機器人操作系統(tǒng)——ADI Trinamic電機控制器ROS1驅動程序簡介

時間：2024-04-17 17:07:57

關鍵字：電機控制器機器人嵌入式

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[導讀]機器人操作系統(tǒng)(ROS)驅動程序基于ADI產品而開發(fā)，因此可直接在ROS生態(tài)系統(tǒng)中使用這些產品。本文將概述如何在應用、產品和系統(tǒng)（例如，自主導航、安全氣泡地圖和數據收集機器人）中使用和集成這些驅動程序；以及這樣將如何有助于迅速評估新技術，并避免出現與第三方產品的互操作性問題。在本文探討的所有產品中，將重點關注最近發(fā)布的用于ADI Trinamic?電機控制器的ROS驅動程序，該驅動程序是用于嵌入式運動控制的完整板級模塊，融合ADI Trinamic運動控制專業(yè)知識，以及ADI的模擬工藝技術和電源設計技能。1

摘要

機器人操作系統(tǒng)(ROS)驅動程序基于ADI產品而開發(fā)，因此可直接在ROS生態(tài)系統(tǒng)中使用這些產品。本文將概述如何在應用、產品和系統(tǒng)（例如，自主導航、安全氣泡地圖和數據收集機器人）中使用和集成這些驅動程序；以及這樣將如何有助于迅速評估新技術，并避免出現與第三方產品的互操作性問題。在本文探討的所有產品中，將重點關注最近發(fā)布的用于ADI Trinamic?電機控制器的ROS驅動程序，該驅動程序是用于嵌入式運動控制的完整板級模塊，融合ADI Trinamic運動控制專業(yè)知識，以及ADI的模擬工藝技術和電源設計技能。1

什么是ROS？

ROS是機器人中間件，包含一組軟件庫和強大的開發(fā)工具（從驅動程序到先進算法），可作為機器人系統(tǒng)或應用的開發(fā)基礎。ROS涉及多領域（例如，消費電子、工業(yè)、汽車等），支持多個平臺（Linux、Windows、MacOS和一些嵌入式平臺），而且100%開源，并提供商業(yè)選項。得益于來自全球技術社區(qū)的專用資源，ROS可獲得豐富的支持，從而幫助用戶簡化其設計和應用。

該技術的工作原理是什么？

ROS始于2007年，已成為自動駕駛汽車、工業(yè)機器人、飛行器等領域備受歡迎的機器人開發(fā)原型制作平臺。經過不斷發(fā)展，該技術現在有兩個版本：ROS1和ROS2。

ROS1和ROS2系統(tǒng)必須相互隔離，但通過ROS橋，這兩個系統(tǒng)之間可進行通信和交換數據。有關更多信息，請訪問ros2/ros1_bridge頁面。

表1.ROS1和ROS2的主要區(qū)別2

ROS支持的平臺

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，不斷滾動更新發(fā)行版。

如需獲取完整列表，請查看這些鏈接，以了解ROS1支持的平臺和ROS2支持的平臺。

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、主題、服務和消息。

圖1.ROS基本數據流。

注：對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)點的主要組織系統(tǒng)。這是ROS中最核心的構建/發(fā)布項。創(chuàng)建ROS功能包時，請務必設置專用的ROS工作空間。該工作空間被稱為catkin工作空間，其中catkin是ROS的官方構建系統(tǒng)。

節(jié)點

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

主題

ROS主題是ROS節(jié)點生成（或者發(fā)布，用ROS的術語來說）的數據通道。

在ROS中，發(fā)布者節(jié)點是主題的廣播者，而訂閱者節(jié)點是主題的收聽者。

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

而ros_application的節(jié)點是收聽者，velocity_subscriber訂閱主題/cmd_vel。這表示，velocity_subscriber訪問或使用velocity_publisher提供的速度信息。

圖2.發(fā)布者-訂閱者。

消息

主題是數據通道，而消息是數據，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：

?飛行時間(ToF)攝像頭：sensor_msgs/Image、sensor_msgs/PointCloud

?慣性測量單元(IMU)傳感器：sensor_msgs/Imu

?電機控制：geometry_msgs/Twist

?車輪編碼器：geometry_msgs/TwistStamped、geometry_msgs/ TwistWithCovarianceStamped

?ROS主題通過發(fā)送消息（主題發(fā)布者）或接收消息（主題訂閱者）進行通信，并且必須采用匹配的數據類型。

例如，在圖2中，來自velocity_publisher節(jié)點的速度信息（命令速度）希望被velocity_subscriber節(jié)點訪問/使用。如果主題發(fā)布者velocity_publisher使用數據類型geometry_msgs/Twist，則主題訂閱者velocity_subscriber也應使用相同的數據類型。

服務

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

服務支持節(jié)點通過發(fā)送請求和接收響應進行通信。發(fā)布者-訂閱者通信模式使用.srv文件，在這些文件中，指定了請求和響應的消息類型等服務描述。

服務是雙向同步通信模式，其中包含客戶端和服務器。服務器節(jié)點提供服務，而客戶端節(jié)點發(fā)送請求并等待服務器節(jié)點做出響應。

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

圖3.使用服務示例。

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

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是一個開源項目，旨在將ROS軟件的高級功能擴展到與工業(yè)相關的硬件與應用。5作為該技術社區(qū)的一份子，ADI最初的目標是面向工業(yè)領域開發(fā)專用模塊。

ADI針對不同的專用模塊開發(fā)了ROS驅動程序。為了展示所開發(fā)的驅動程序并利用ROS的功能，ADI公司開發(fā)了ADI自主移動機器人(ADAM)作為內部自主移動平臺（參見圖4）。

圖4.ADAM。

ADAM：ADI自主移動機器人

ADAM由ROS提供支持，并搭載ROS支持的不同器件。該平臺展示了ADI公司的ROS驅動程序如何集成到移動機器人應用中，特別是自主導航應用。

圖5所示為具有不同模塊的ADAM的簡化硬件圖。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、磁力計和壓力傳感器的多軸組合，這些器件主要用作檢測反饋，用于改善位置/方向估算。

?ADBMS6948是一款多單元電池監(jiān)控器，可測量多達16個串聯(lián)連接的電芯，在整個溫度范圍內具有較高的測量精度。

?EVAL-ADTF3175D-NXZ或CMOS ToF提供出色的高分辨率，與深度計算和處理、激光驅動器、電源管理以及具有參考固件/軟件的開發(fā)工具相輔相成，可帶來更多優(yōu)勢。

ADI Trinamic電機控制器是用于嵌入式運動控制的完整板級解決方案，融合ADI Trinamic運動控制專業(yè)知識，以及ADI的模擬工藝技術和電源設計技能。1

圖5.ADAM的簡化硬件圖。

圖6所示為ADAM的簡化ROS架構，該ADAM使用ROS驅動程序和自主導航所需的多個應用/算法節(jié)點。IMU數據(/imu/data_raw)和ADI Trinamic電機控制器反饋(/tmc_info)用作姿態(tài)估算的輸入，從而得到機器人的里程測量結果(/odom)。激光雷達數據(/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數據(/image_raw)還可用作其他SLAM算法的輸入。然后，move_base節(jié)點將等待用戶發(fā)出任何目標姿態(tài)，并向ADI Trinamic電機控制器發(fā)送速度命令(/cmd_vel)，使機器人移動。

圖6.ADAM導航堆棧的簡化ROS架構。

ADI Trinamic電機控制器ROS驅動程序

ADI Trinamic電機控制器(TMC)是用于嵌入式運動控制的完整板級解決方案，融合ADI Trinamic運動控制專業(yè)知識，以及ADI的模擬工藝技術和電源設計技能。1支持單軸/多軸步進電機、無刷直流電機(BLDC)等各類電機，可用接口包括CAN、EtherCAT®、RS-232、RS-485和USB，支持的協(xié)議涵蓋Trinamic運動控制語言(TMCL?)、CANopen® over EtherCAT (CoE)、CANopen或Modbus。1

名為TMCL-IDE的IDE可幫助用戶開發(fā)應用并對這些模塊輕松重新編程。該IDE使用TMCL實現獨立操作，或使用標準化CANopen®協(xié)議，允許用戶設置參數、實時對數據進行可視化處理，并開發(fā)/調試獨立應用。

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，尤其是在機器人領域，我們針對這些模塊開發(fā)了額外支持，如ROS驅動程序，從而進一步擴展制造業(yè)和工業(yè)自動化的用例。具體來說，預計這些ROS驅動程序將能夠：

?控制電機的速度、位置或扭矩

?監(jiān)控電機控制器和電機信息

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

此處列出了目前支持的ADI Trinamic電機控制器模塊(TMCM)。

軟件架構

圖7所示為adi_tmcl的簡化軟件架構。

如圖7所示，由于adi_tmcl使用大多數Linux系統(tǒng)默認支持的SocketCAN驅動程序，所以不需要任何額外的驅動程序。此外，adi_tmcl具有自己的TMCL協(xié)議解析器，因而能夠理解用戶請求的符合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介紹的一組參數進行配置。