以馬達控制器ROS1驅動程序實現(xiàn)機器人操作系統(tǒng)

機器人操作系統(tǒng)（ROS）驅動程序是基于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。本文概述如何在應用、產(chǎn)品和系統(tǒng)（例如自主導航、安全氣泡地圖和數(shù)據(jù)采集機器人）中使用和整合這些驅動程序；以及如此將如何有助于迅速評估新技術，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，將重點關注用于ADI Trinamic馬達控制器的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的模擬技術和電源設計技能。

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（例如消費性電子、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。得益于來自全球技術社群的專用資源，ROS可獲得豐富的支持，進而幫助用戶簡化其設計和應用。

技術工作原理
ROS始于2007年，已成為自駕車、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(jīng)過不斷發(fā)展，該技術現(xiàn)在已經(jīng)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)之間可進行通訊和交換數(shù)據(jù)。

表一：ROS1和ROS2的主要區(qū)別

ROS支援的平臺
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月推出以來則不斷滾動更新發(fā)行版。

ROS基本概念
圖一顯示了ROS的一些基本概念，包括功能包、節(jié)點、主題、服務和消息。


 
圖一 : 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中最核心的構建/發(fā)表項。創(chuàng)建ROS功能包時，請務必設定專用的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）相互通訊。節(jié)點可以訂閱和/或發(fā)表主題，也可以提供或使用服務。
主題
ROS主題是ROS節(jié)點生成（或者發(fā)表，以ROS術語而言）的數(shù)據(jù)信道。
在ROS中，發(fā)表者節(jié)點是主題的廣播者，而訂閱者節(jié)點是主題的收聽者。
在圖二中，generic_motor_control的節(jié)點是廣播者。/cmd_vel是velocity_ publisher發(fā)表的主題。這表示，velocity_publisher提供基于馬達控制（或命令速度）的速度信息。


 
圖二 : 發(fā)表者-訂閱者

而ros_application的節(jié)點是收聽者，velocity_subscriber訂閱主題/cmd_vel。這表示，velocity_subscriber存取或使用velocity_publisher提供的速度信息。
消息
主題是數(shù)據(jù)信道，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：
? 飛時測距（ToF）攝影機：sensor_msgs/Image、sensor_msgs/PointCloud
? 慣性測量單元（IMU）傳感器：sensor_msgs/Imu
? 馬達控制：geometry_msgs/Twist
? 車輪編碼器：geometry_msgs/TwistStamped、geometry_msgs/TwistWithCovarianceStampe

ROS主題透過發(fā)送消息（主題發(fā)布者）或接收消息（主題訂閱者）進行通訊，并且必須采用匹配的數(shù)據(jù)類型。
例如，在圖二中，來自velocity_publisher節(jié)點的速度信息（命令速度）希望被velocity_subscriber節(jié)點存取/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也應使用相同的數(shù)據(jù)類型。

服務
發(fā)表者-訂閱者通訊模式是開放式模式，不適用于分布式系統(tǒng)中通常需要的回復交互。服務支持節(jié)點透過發(fā)送請求和接收響應進行通訊。發(fā)表者-訂閱者通訊模式使用.srv檔，在這些檔中，指定了請求和響應的消息類型等服務描述。
服務是雙向同步通訊模式，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)點做出回應。
例如，在圖三中，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"。

 
圖三 : 使用服務示例

client_node發(fā)送請求，將命令速度設定為2.5 mbps。server_node收到請求后，立即發(fā)送"success"響應。

將解決方案整合至ROS生態(tài)系統(tǒng)
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軟件的先進功能擴展到與工業(yè)相關的硬件與應用中。作為該技術社群的一份子，ADI最初的目標是針對工業(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也開發(fā)了ADI自主移動機器人（ADAM）作為內(nèi)部自主移動平臺（參見圖四）。

 
圖四 : ADAM

ADAM：ADI自主移動機器人
ADAM由ROS提供支持，并搭載ROS支持的不同組件。該平臺展示了ADI的ROS驅動程序如何整合到移動機器人應用中，特別是自主導航應用。
圖五所示為具有不同模塊的ADAM的簡化硬件圖。該ADAM主要連接以下組件：
? 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，這些組件主要用作檢測回饋，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(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，與深度運算和處理、激光驅動器、電源管理以及具有參考韌體/軟件的開發(fā)工具相輔相成，可帶來更多優(yōu)勢。
? ADI Trinamic馬達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的仿真工藝技術和電源設計技能。1

 
圖五 : ADAM硬件圖

圖六所示為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(shù)據(jù)（/imu/data_raw）和ADI Trinamic馬達控制器回饋（/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(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)出任何目標姿態(tài)，并向ADI Trinamic馬達控制器發(fā)送速度指令（/cmd_vel），使機器人能夠移動。


 
圖六 : ADAM導航堆棧的簡化ROS架構。

ADI Trinamic馬達控制器ROS驅動程序
ADI Trinamic馬達控制器（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的模擬技術和電源設計技能。支援單軸/多軸步進馬達、無刷直流馬達（BLDC）等各類馬達，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。
名為TMCL-IDE的IDE可協(xié)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(xiàn)獨立操作，或使用標準化CANopen協(xié)議，允許用戶設定參數(shù)、實時針對資料進行可視化處理，并開發(fā)/調試獨立應用。
由于TMC使新型智慧執(zhí)行器成為可能，并且隨著ROS而日益普及，尤其是在機器人領域中，我們針對這些模塊開發(fā)了額外的支持，如ROS驅動程序，進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馬達的速度、位置或扭矩，以及監(jiān)控馬達控制器和馬達信息。
TMC ROS驅動程序與TMCL-IDE提供的功能相似，但其能夠讓支持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。此處列出目前支持的ADI Trinamic馬達控制器模塊（TMCM）。

軟件架構
圖七所示為adi_tmcl的簡化軟件架構。


 
圖七 : adi_tmcl的簡化軟件架構

如圖七所示，由于adi_tmcl使用大多數(shù)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/接收指令。作為最后一層，tmcl_ros_node以發(fā)表者、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，這些功能可選擇使用一組參數(shù)進行配置。

結論
運用ADI Trinamic馬達控制器可實現(xiàn)新型智慧執(zhí)行器。隨著ROS日益普及，尤其是在機器人領域，針對這些模塊開發(fā)額外支持，如ROS驅動程序，旨在進一步擴展制造業(yè)和工業(yè)自動化用例。
本文展示ROS如何擴展組件，其帶來的優(yōu)勢為提供附加價值，例如擴展工業(yè)應用；透過ROS通訊框架，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)中選用產(chǎn)品；快速評估新技術并立即開始使用。
（本文作者為ADI軟件系統(tǒng)工程師Krizelle Paulene Apostol，資深軟件系統(tǒng)工程師Jamila Macagba及軟件系統(tǒng)設計工程經(jīng)理Maggie Maralit）