摘要

　　機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）驅(qū)動(dòng)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(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,。¹

　　什么是ROS,？

　　ROS是機(jī)器人中間件，包含一組軟件庫(kù)和強(qiáng)大的開發(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)用的開發(fā)基礎(chǔ),。ROS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),。有關(guān)更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)ros2/ros1_bridge頁(yè)面,。

　　表1.ROS1和ROS2的主要區(qū)別²

　　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,。

　　如需獲取完整列表，請(qǐng)查看這些鏈接,，以了解ROS1支持的平臺(tái)和ROS2支持的平臺(tái),。

　　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,。

　　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,。

　　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”,。

　　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),。

　　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(gè)開源項(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,，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(duì)不同的專用模塊開發(fā)了ROS驅(qū)動(dòng)程序,。為了展示所開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序并利用ROS的功能,，ADI公司開發(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)（參見圖4）。

　　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/軟件的開發(fā)工具相輔相成,，可帶來(lái)更多優(yōu)勢(shì)。

　　▲ADI Trinamic電機(jī)控制器是用于嵌入式運(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

　　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 Trinamic電機(jī)控制器反饋（/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電機(jī)控制器發(fā)送速度命令（/cmd_vel）,，使機(jī)器人移動(dòng),。

　　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(jī)控制器模塊（TMCM）,。

　　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,。

　　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)并立即開始使用,。

　　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

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