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          EEPW首頁(yè) > 嵌入式系統(tǒng) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 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

          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

          作者:Krizelle Paulene Apostol,軟件系統(tǒng)工程師;Jamila Macagba,軟高級(jí)件系統(tǒng)工程師;Maggie Maralit,軟件系統(tǒng)涉及工程經(jīng)理 時(shí)間:2024-04-17 來(lái)源:EEPW 收藏
          編者按: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。


          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202404/457736.htm

          什么是?

          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)。涉及多領(lǐng)域(例如,消費(fèi)電子、工業(yè)、汽車等),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)的專用資源,ROS可獲得豐富的支持,從而幫助用戶簡(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、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)。

          表1 ROS1和ROS2的主要區(qū)別2

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          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。

          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。

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          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(kù)(如Python客戶端庫(kù)rospy和C++客戶端庫(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。

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          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(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(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”。

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          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)。

          解決方案集成到ROS生態(tài)系統(tǒng)中

          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,最初的目標(biāo)是面向工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)專用模塊。

          ADI針對(duì)不同的專用模塊開(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)。

          image.png

          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 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 運(yùn)動(dòng)控制專業(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

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          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 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)將等待用戶發(fā)出任何目標(biāo)姿態(tài),并向ADI Trinamic發(fā)送速度命令(/cmd_vel),使機(jī)器人移動(dòng)。

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          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TMCL-IDE的IDE可幫助用戶開(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。

          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。

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          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。

          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。”ROS.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

          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(kāi)發(fā)中心與智能運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人部門展開(kāi)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(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。她曾參與眾多項(xiàng)目,專注于ROS、Gazebo仿真、固件開(kāi)發(fā)、通信協(xié)議和算法開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。

          Jamila“Jam”Aria Macagba是一名高級(jí)軟件系統(tǒng)工程師,她所在的ADI公司菲律賓開(kāi)發(fā)中心與智能運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人部門展開(kāi)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(dòng)程序開(kāi)發(fā)與集成工作。

          Maggie是一名軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程經(jīng)理,她所在的ADI公司菲律賓開(kāi)發(fā)中心與工業(yè)運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人部門展開(kāi)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(jì)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(xiàng)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(jí)軟件工程師;從2013年至2015年,在Ionics EMS, Inc.擔(dān)任固件開(kāi)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(jí)嵌入式軟件工程師。



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