【導讀】機器人操作系統(tǒng)(ROS)驅動程序基于ADI產品而開發(fā),因此可直接在ROS生態(tài)系統(tǒng)中使用這些產品。本文將概述如何在應用、產品和系統(tǒng)(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(xiàn)與第三方產品的互操作性問題。
摘要
機器人操作系統(tǒng)(ROS)驅動程序基于ADI產品而開發(fā),因此可直接在ROS生態(tài)系統(tǒng)中使用這些產品。本文將概述如何在應用、產品和系統(tǒng)(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(xiàn)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(fā)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(yè)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(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(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。經過不斷發(fā)展,該技術現(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據。
表1.ROS1和ROS2的主要區(qū)別2
因素 | ROS1 | ROS2 |
通信協(xié)議 | XMLRPC + TCPROS | DDS |
架構 | ROS主控制器 + 分布式 | 完全分布式 |
構建系統(tǒng) | Catkin(基于cmake) | colcon/ament(基于cmake) |
構建輸出 | ros_ws/devel | ros_ws/install |
參數 | 全局參數服務器動態(tài)重新配置 | 每節(jié)點參數 |
發(fā)布 | XML | Python(+XML、YAML替代語言) |
命令 | roslaunch、rosrun、rostopic等 | ros2 launch、ros2 run、ros2 topic等 |
平臺 | 主要是ubuntu | Linux、MacOS、Windows |
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(jié)點的主要組織系統(tǒng)。這是ROS中最核心的構建/發(fā)布項。創(chuàng)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(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。3
主題
ROS主題是ROS節(jié)點生成(或者發(fā)布,用ROS的術語來說)的數據通道。
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(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據類型。
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(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)中通常需要的回復交互。4
服務支持節(jié)點通過發(fā)送請求和接收響應進行通信。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(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(tài);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(fā)送請求,將命令速度設置為2.5 mbps。server_node收到請求后,立即發(fā)送“success”響應。
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)相關的硬件與應用。5作為該技術社區(qū)的一份子,ADI最初的目標是面向工業(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公司開發(fā)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(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(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(jié)點。IMU數據(/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(jié)點將等待用戶發(fā)出任何目標姿態(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(yè)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(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,允許用戶設置參數、實時對數據進行可視化處理,并開發(fā)/調試獨立應用。
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,尤其是在機器人領域,我們針對這些模塊開發(fā)了額外支持,如ROS驅動程序,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,預計這些ROS驅動程序將能夠:
?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(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/接收命令。作為最后一層,tmcl_ros_node以發(fā)布者、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(zhí)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(tǒng)/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(xiàn)新型智能執(zhí)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(fā)了額外支持,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。
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)應用;
?通過ROS通信框架,與第三方產品可輕松實現(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產品;
?快速評估新技術并立即開始使用。
探索永不停息
?敬請關注有關ADI Trinamic電機控制器ROS1驅動程序的文章,深入了解相關信息
?敬請關注未來發(fā)表的有關用于ADI Trinamic電機控制器的ROS2的文章
?下載ADI Trinamic電機控制器ROS1和ROS2驅動程序
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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?!盧OS.org.
5“ROS-Industrial?!盧OS.org.
“適合運動控制應用的工業(yè)通信協(xié)議和接口?!盇DI公司
(來源:ADI公司,作者:Krizelle Paulene Apostol,軟件系統(tǒng)工程師;Jamila Macagba,軟高級件系統(tǒng)工程師;Maggie Maralit,軟件系統(tǒng)涉及工程經理)
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