實現機器人操作系統:ADI Trinamic電機控制器ROS1驅動程序
2024-05-06
作者：Krizelle Paulene Apostol，軟件系統工程師；Jamila Macagba，軟高級件系統工程師；Maggie Maralit，軟件系統涉及工程經理
來源：ADI
摘要
機器人操作系統（ROS）驅動程序基于ADI產品而開發，因此可直接在ROS生態系統中使用這些產品。本文將概述如何在應用、產品和系統（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工具（從驅動程序到先進算法），可作為機器人系統或應用的開發基礎。ROS涉及多領域（例如，消費電子、工業、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，并提供商業選項。得益于來自全球技術社區的專用資源，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、工業機器人、飛行器等領域備受歡迎的機器人開發原型制作平臺。經過不斷發展，該技術現在有兩個版本：ROS1和ROS2。
ROS1和ROS2系統必須相互隔離，但通過ROS橋，這兩個系統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程序或節點的主要組織系統。這是ROS中最核心的構建/發布項。創建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。
節點
ROS節點是在ROS中創建的可執行程序。它們是執行特定任務的進程。ROS節點可使用ROS客戶端庫（如Python客戶端庫rospy和C++客戶端庫roscpp）相互通信。節點可以訂閱和/或發布主題，也可以提供或使用服務。3
主題
ROS主題是ROS節點生成（或者發布，用ROS的術語來說）的數據通道。
在ROS中，發布者節點是主題的廣播者，而訂閱者節點是主題的收聽者。
在圖2中，generic_motor_control的節點是廣播者。/cmd_vel是velocity_publisher發布的主題。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主題通過發送消息（主題發布者）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節點的速度信息（命令速度）希望被velocity_subscriber節點訪問/使用。如果主題發布者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
發布者-訂閱者通信模式是開放式模式，不適用于分布式系統中通常需要的回復交互。4
服務支持節點通過發送請求和接收響應進行通信。發布者-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。服務器節點提供服務，而客戶端節點發送請求并等待服務器節點做出響應。
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；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發送請求，將命令速度設置為2.5 mbps。server_node收到請求后，立即發送“success”響應。
將ADI解決方案集成到ROS生態系統中
ADI是ROS-Industrial聯盟的正式成員，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相關的硬件與應用。5作為該技術社區的一份子，ADI最初的目標是面向工業領域開發專用模塊。
ADI針對不同的專用模塊開發了ROS驅動程序。為了展示所開發的驅動程序并利用ROS的功能，ADI公司開發了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控器，可測量多達16個串聯連接的電芯，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/軟件的開發工具相輔相成，可帶來更多優勢。
▲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/算法節點。IMU數據（/imu/data_raw）和ADI Trinamic電機控制器反饋（/tmc_info）用作姿態估算的輸入，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節點將等待用戶發出任何目標姿態，并向ADI Trinamic電機控制器發送速度命令（/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?協議，允許用戶設置參數、實時對數據進行可視化處理，并開發/調試獨立應用。
由于TMC使新型智能執行器成為可能，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了額外支持，如ROS驅動程序，從而進一步擴展制造業和工業自動化的用例。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的系統節點輕松使用這些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協議解析器，因而能夠理解用戶請求的符合TMCL的發送/接收命令。作為最后一層，tmcl_ros_node以發布者、訂閱者和服務的形式在ROS系統上提供直接接口。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。
圖7.adi_tmcl的簡化軟件架構。
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模塊進行一次性配置
3.移動/停止電機
4.能夠獲取TMC/電機信息
5.執行自定義TMC命令
6.能夠獲取所有軸參數值
7.能夠獲取所有全局參數值
8.支持多個TMC板設置
9.輕松集成到ROS系統/應用中
敬請關注下月《模擬對話》中的文章“掌控搭載ROS1驅動程序的Trinamic電機控制器”，文中將詳細探討這些特性，并舉例說明如何使用這些特性。
結論
利用ADI Trinamic電機控制器可實現新型智能執行器。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了額外支持，如ROS驅動程序，旨在進一步擴展制造業和工業自動化用例。
在本文中，我們展示了ROS如何擴展器件，帶來以下優勢：
▲提供附加價值，比如擴展工業應用；
▲通過ROS通信框架，與第三方產品可輕松實現互操作；
▲提供更廣泛的選項，方便客戶在其系統中選用ADI產品；
▲快速評估新技術并立即開始使用。
參考文獻
1“用于電機和運動控制的ADI Trinamic硬件。”ADI公司
2“ros2/ros2_documentation?！?GitHub, Inc.
3“了解ROS節點?！?ROS.org.
4“服務。”ROS.org.
5“ROS-Industrial?！盧OS.org.
“適合運動控制應用的工業通信協議和接口。”ADI公司
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