摘要

　　機器人操作系統(tǒng)（ROS）驅(qū)動程序基于ADI產(chǎn)品而開發(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)收集機器人）中使用和集成這些驅(qū)動程序；以及這樣將如何有助于迅速評估新技術(shù)，并避免出現(xiàn)與第三方產(chǎn)品的互操作性問題。在本文探討的所有產(chǎn)品中，將重點關(guān)注最近發(fā)布的用于ADI Trinamic?電機控制器的ROS驅(qū)動程序，該驅(qū)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(shù)和電源設(shè)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(qū)動程序到先進算法），可作為機器人系統(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)機器人、飛行器等領(lǐng)域備受歡迎的機器人開發(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)之間可進行通信和交換數(shù)據(jù)。有關(guān)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(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

　　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(wù)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(wù)。³

　　主題

　　ROS主題是ROS節(jié)點生成（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(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(shù)據(jù)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(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)點通過發(fā)送請求和接收響應(yīng)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(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)點提供服務(wù)，而客戶端節(jié)點發(fā)送請求并等待服務(wù)器節(jié)點做出響應(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(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。IMU數(shù)據(jù)（/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(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)點將等待用戶發(fā)出任何目標(biāo)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(dǎo)航堆棧的簡化ROS架構(gòu)。

　　ADI Trinamic電機控制器ROS驅(qū)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(shù)和電源設(shè)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(yīng)用并對這些模塊輕松重新編程。該IDE使用TMCL實現(xiàn)獨立操作，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)進行可視化處理，并開發(fā)/調(diào)試獨立應(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，從而進一步擴展制造業(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>

　　▲控制電機的速度、位置或扭矩

　　▲監(jiān)控電機控制器和電機信息

　　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。

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

　　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(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，旨在進一步擴展制造業(yè)和工業(yè)自動化用例。

　　在本文中，我們展示了ROS如何擴展器件，帶來以下優(yōu)勢：

　　▲提供附加價值，比如擴展工業(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。

　　參考文獻

　　1“用于電機和運動控制的ADI Trinamic硬件?！盇DI公司

　　2“ros2/ros2_documentation?！?GitHub, Inc.

　　3“了解ROS節(jié)點?！?ROS.org.

　　4“服務(wù)?！盧OS.org.

　　5“ROS-Industrial。”ROS.org.

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

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