實現(xiàn)機(jī)器人操作系統(tǒng)——ADI Trinamic電機(jī)控制器ROS1驅(qū)動程序簡介

什么是ROS？

ROS是機(jī)器人中間件，包含一組軟件庫和強(qiáng)大的開發(fā)工具（從驅(qū)動程序到先進(jìn)算法），可作為機(jī)器人系統(tǒng)或應(yīng)用的開發(fā)基礎(chǔ)。ROS涉及多領(lǐng)域（例如，消費(fèi)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(shù)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(shè)計和應(yīng)用。

該技術(shù)的工作原理是什么？

ROS始于2007年，已成為自動駕駛汽車、工業(yè)機(jī)器人、飛行器等領(lǐng)域備受歡迎的機(jī)器人開發(fā)原型制作平臺。經(jīng)過不斷發(fā)展，該技術(shù)現(xiàn)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(jìn)行通信和交換數(shù)據(jù)。

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。

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。創(chuàng)建ROS功能包時，請務(wù)必設(shè)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(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客戶端庫（如Python客戶端庫rospy和C++客戶端庫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)語來說）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(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(jī)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(jìn)行通信，并且必須采用匹配的數(shù)據(jù)類型。

例如，在圖2中，來自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/使用。如果主題發(fā)布者velocity_publisher使用數(shù)據(jù)類型geometry_msgs/Twist，則主題訂閱者velocity_subscriber也應(yīng)使用相同的數(shù)據(jù)類型。

服務(wù)

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(fù)交互。4

服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送請求和接收響應(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，指定了請求和響應(yīng)的消息類型等服務(wù)描述。

服務(wù)是雙向同步通信模式，其中包含客戶端和服務(wù)器。服務(wù)器節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，而客戶端節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求并等待服務(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)送請求，將命令速度設(shè)置為2.5 mbps。server_node收到請求后，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是一個開源項目，旨在將ROS軟件的高級功能擴(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)域開發(fā)專用模塊。

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

圖4 ADAM

ADAM：ADI自主移動機(jī)器人

ADAM由ROS提供支持，并搭載ROS支持的不同器件。該平臺展示了ADI公司的ROS驅(qū)動程序如何集成到移動機(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(dá)16個串聯(lián)連接的電芯，在整個溫度范圍內(nèi)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(qū)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(jī)控制器是用于嵌入式運(yùn)動控制的完整板級解決方案，融合ADI Trinamic運(yùn)動控制專業(yè)知識，以及ADI的模擬工藝技術(shù)和電源設(shè)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(gòu)，該ADAM使用ROS驅(qū)動程序和自主導(dǎo)航所需的多個應(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。

圖6 ADAM導(dǎo)航堆棧的簡化ROS架構(gòu)

ADI Trinamic電機(jī)控制器ROS驅(qū)動程序

ADI Trinamic電機(jī)控制器(TMC)是用于嵌入式運(yùn)動控制的完整板級解決方案，融合ADI Trinamic運(yùn)動控制專業(yè)知識，以及ADI的模擬工藝技術(shù)和電源設(shè)計技能。1支持單軸/多軸步進(jìn)電機(jī)、無刷直流電機(jī)(BLDC)等各類電機(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(yīng)用并對這些模塊輕松重新編程。該IDE使用TMCL實現(xiàn)獨(dú)立操作，或使用標(biāo)準(zhǔn)化CANopen^?協(xié)議，允許用戶設(shè)置參數(shù)、實時對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，并開發(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，我們針對這些模塊開發(fā)了額外支持，如ROS驅(qū)動程序，從而進(jìn)一步擴(kuò)展制造業(yè)和工業(yè)自動化的用例。具體來說，預(yù)計這些ROS驅(qū)動程序?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，無需安裝任何其他驅(qū)動程序。截至本文發(fā)表之時，該驅(qū)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。

軟件架構(gòu)

圖7所示為adi_tmcl的簡化軟件架構(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)動程序，所以不需要任何額外的驅(qū)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(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TMC模塊進(jìn)行一次性配置

3.移動/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TMC板設(shè)置

9.輕松集成到ROS系統(tǒng)/應(yīng)用中

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

結(jié)論

利用ADI Trinamic電機(jī)控制器可實現(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，我們針對這些模塊開發(fā)了額外支持，如ROS驅(qū)動程序，旨在進(jìn)一步擴(kuò)展制造業(yè)和工業(yè)自動化用例。

在本文中，我們展示了ROS如何擴(kuò)展器件，帶來以下優(yōu)勢：

■   提供附加價值，比如擴(kuò)展工業(yè)應(yīng)用；

■   通過ROS通信框架，與第三方產(chǎn)品可輕松實現(xiàn)互操作；

■   提供更廣泛的選項，方便客戶在其系統(tǒng)中選用ADI產(chǎn)品；

■   快速評估新技術(shù)并立即開始使用。

探索永不停息

■   敬請關(guān)注有關(guān)ADI Trinamic電機(jī)控制器ROS1驅(qū)動程序的文章，深入了解相關(guān)信息

■   敬請關(guān)注未來發(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)動程序

■   購買ADI Trinamic電機(jī)和電機(jī)控制器評估板

參考文獻(xiàn)

1“用于電機(jī)和運(yùn)動控制的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)動控制應(yīng)用的工業(yè)通信協(xié)議和接口?！盇DI公司

關(guān)于作者

Krizelle Paulene Apostol是一名軟件系統(tǒng)工程師，她所在的ADI公司菲律賓開發(fā)中心與智能運(yùn)動和機(jī)器人部門展開合作。她于2019年12月加入ADI公司，工作地點(diǎn)位于菲律賓甲米地。她畢業(yè)于菲律賓信心學(xué)院，獲計算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。她曾參與眾多項目，專注于ROS、Gazebo仿真、固件開發(fā)、通信協(xié)議和算法開發(fā)等領(lǐng)域。

Jamila“Jam”Aria Macagba是一名高級軟件系統(tǒng)工程師，她所在的ADI公司菲律賓開發(fā)中心與智能運(yùn)動和機(jī)器人部門展開合作。她于2018年7月加入ADI公司，工作地點(diǎn)位于菲律賓甲米地。她畢業(yè)于菲律賓大學(xué)洛斯巴洛斯分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。她主要負(fù)責(zé)ROS系統(tǒng)中的ROS驅(qū)動程序開發(fā)與集成工作。

Maggie是一名軟件系統(tǒng)設(shè)計工程經(jīng)理，她所在的ADI公司菲律賓開發(fā)中心與工業(yè)運(yùn)動和機(jī)器人部門展開合作。她于2019年4月加入ADI公司，工作地點(diǎn)位于菲律賓甲米地。她畢業(yè)于菲律賓大學(xué)洛斯巴洛斯分校（位于菲律賓拉古納），獲計算機(jī)科學(xué)學(xué)士學(xué)位。她目前在菲律賓工廠率領(lǐng)工程師小組，為工業(yè)機(jī)器人項目提供支持。從2009年至2010年，Maggie在惠普擔(dān)任應(yīng)用專家；從2010年至2013年，在Canon Information Technologies Phils., Inc.擔(dān)任高級軟件工程師；從2013年至2015年，在Ionics EMS, Inc.擔(dān)任固件開發(fā)工程師；從2015年至2019年，在新加坡大陸汽車公司擔(dān)任高級嵌入式軟件工程師。