以马达控制器ROS1驱动程序实现机器人操作系统

机器人操作系统（ROS）驱动程序是基于ADI产品而开发，因此可直接在ROS生态系统中使用这些产品。本文概述如何在应用、产品和系统（例如自主导航、安全气泡地图和数据采集机器人）中使用和整合这些驱动程序；以及如此将如何有助于迅速评估新技术，并避免出现与第三方产品的互操作性问题。
在本文探讨的所有产品中，将重点关注用于ADI Trinamic马达控制器的ROS驱动程序，该驱动程序是用于嵌入式运动控制的完整板级模块，融合ADI Trinamic运动控制专业知识，以及ADI的模拟技术和电源设计技能。

什么是ROS？
ROS是机器人中间件，包含一组软件库和强大的开发工具（从驱动程序到先进算法），可作为机器人系统或应用的开发基础。ROS涉及多领域（例如消费性电子、工业、汽车等），支持多个平台（Linux、Windows、MacOS和一些嵌入式平台），而且100%开源。得益于来自全球技术社群的专用资源，ROS可获得丰富的支持，进而帮助用户简化其设计和应用。

技术工作原理
ROS始于2007年，已成为自驾车、工业机器人、飞行器等领域备受欢迎的机器人开发原型制作平台。经过不断发展，该技术现在已经有两个版本：ROS1和ROS2。ROS1和ROS2系统必须相互隔离，但通过ROS桥，这两个系统之间可进行通讯和交换数据。

表一：ROS1和ROS2的主要区别

ROS支援的平台
ROS Noetic是ROS1的最终版本，将于2025年5月终止支持，而ROS2自2020年6月推出以来则不断滚动更新发行版。

ROS基本概念
图一显示了ROS的一些基本概念，包括功能包、节点、主题、服务和消息。


 
图一 : ROS基本数据流。

注：对ROS1和ROS2而言，下文讨论的ROS基本概念相似。
功能包
ROS功能包是ROS程序或节点的主要组织系统。这是ROS中最核心的构建/发表项。创建ROS功能包时，请务必设定专用的ROS工作空间。该工作空间被称为catkin工作空间，其中catkin是ROS的官方构建系统。
节点
ROS节点是在ROS中创建的可执行程序。它们是执行特定任务的进程。ROS节点可使用ROS客户端库（如Python客户端库rospy和C++ 客户端库roscpp）相互通讯。节点可以订阅和/或发表主题，也可以提供或使用服务。
主题
ROS主题是ROS节点生成（或者发表，以ROS术语而言）的数据信道。
在ROS中，发表者节点是主题的广播者，而订阅者节点是主题的收听者。
在图二中，generic_motor_control的节点是广播者。/cmd_vel是velocity_ publisher发表的主题。这表示，velocity_publisher提供基于马达控制（或命令速度）的速度信息。


 
图二 : 发表者-订阅者

而ros_application的节点是收听者，velocity_subscriber订阅主题/cmd_vel。这表示，velocity_subscriber存取或使用velocity_publisher提供的速度信息。
消息
主题是数据信道，而消息是数据，采用与ROS兼容、适用于不同传感器的格式。
以下是适用于ROS消息格式的示例传感器：
‧ 飞时测距（ToF）摄影机：sensor_msgs/Image、sensor_msgs/PointCloud
‧ 惯性测量单元（IMU）传感器：sensor_msgs/Imu
‧ 马达控制：geometry_msgs/Twist
‧ 车轮编码器：geometry_msgs/TwistStamped、geometry_msgs/TwistWithCovarianceStampe

ROS主题透过发送消息（主题发布者）或接收消息（主题订阅者）进行通讯，并且必须采用匹配的数据类型。
例如，在图二中，来自velocity_publisher节点的速度信息（命令速度）希望被velocity_subscriber节点存取/使用。如果主题发布者velocity_publisher使用数据类型geometry_msgs/Twist，则主题订阅者velocity_subscriber也应使用相同的数据类型。

服务
发表者-订阅者通讯模式是开放式模式，不适用于分布式系统中通常需要的回复交互。服务支持节点透过发送请求和接收响应进行通讯。发表者-订阅者通讯模式使用.srv档，在这些档中，指定了请求和响应的消息类型等服务描述。
服务是双向同步通讯模式，其中包含客户端和服务器。服务器节点提供服务，而客户端节点发送请求并等待服务器节点做出回应。
例如，在图三中，server_node提供服务SetVelocity.srv以更改命令速度vel。该服务接受float32格式的速度值，并以字符串格式返回状态；如果设置了请求的速度，则为"success"；否则，为"FAIL"。

 
图三 : 使用服务示例

client_node发送请求，将命令速度设定为2.5 mbps。server_node收到请求后，立即发送"success"响应。

将解决方案整合至ROS生态系统
ADI是ROS-Industrial联盟的正式成员，ROS-Industrial是一个开源项目，旨在将ROS软件的先进功能扩展到与工业相关的硬件与应用中。作为该技术社群的一份子，ADI最初的目标是针对工业领域开发专用模块。
ADI针对不同的专用模块开发了ROS驱动程序。为了展示所开发的驱动程序并利用ROS的功能，ADI也开发了ADI自主移动机器人（ADAM）作为内部自主移动平台（参见图四）。

 
图四 : ADAM

ADAM：ADI自主移动机器人
ADAM由ROS提供支持，并搭载ROS支持的不同组件。该平台展示了ADI的ROS驱动程序如何整合到移动机器人应用中，特别是自主导航应用。
图五所示为具有不同模块的ADAM的简化硬件图。该ADAM主要连接以下组件：
‧ ADIS16470或IMU传感器采用精密陀螺仪、加速度计、磁力计和压力传感器的多轴组合，这些组件主要用作检测回馈，用 于改善位置/方向估算。
‧ ADBMS6948是一款多单元电池监控器，可测量多达16个串联连接的电芯，在整个温度范围内具有较高的测量精度。
‧ EVAL-ADTF3175D-NXZ或 CMOS ToF提供出色的高分辨率，与深度运算和处理、激光驱动器、电源管理以及具有参考韧体/软件的开发工具相辅相成，可带来更多优势。
‧ ADI Trinamic马达控制器是用于嵌入式运动控制的完整板级解决方案，融合ADI Trinamic运动控制专业知识，以及ADI的仿真工艺技术和电源设计技能。1

 
图五 : ADAM硬件图

图六所示为ADAM的简化ROS架构，该ADAM使用ROS驱动程序和自主导航所需的多个应用/算法节点。IMU数据（/imu/data_raw）和ADI Trinamic马达控制器回馈（/tmc_info）用作姿态估算的输入，从而得到机器人的里程测量结果（/odom）。激光雷达数据（/scan） 是用于生成地图的同步定位与地图绘制（SLAM）算法的主要输入；ToF数据（/image_raw） 还可用作其他SLAM算法的输入。然后，move_base节点 将等待用户发出任何目标姿态，并向ADI Trinamic马达控制器发送速度指令（/cmd_vel），使机器人能够移动。


 
图六 : ADAM导航堆栈的简化ROS架构。

ADI Trinamic马达控制器ROS驱动程序
ADI Trinamic马达控制器（TMC）是用于嵌入式运动控制的完整板级解决方案，融合ADI Trinamic运动控制专业知识，以及ADI的模拟技术和电源设计技能。支援单轴/多轴步进马达、无刷直流马达（BLDC）等各类马达，可用接口包括 CAN、 EtherCAT、RS-232、RS-485 和USB，支持的协议涵盖Trinamic运动控制语言（TMCL）、CANopen、 over EtherCAT （CoE）、 CANopen 或 Modbus。
名为TMCL-IDE的IDE可协助用户开发应用并对这些模块轻松重新编程。该IDE使用TMCL实现独立操作，或使用标准化CANopen协议，允许用户设定参数、实时针对资料进行可视化处理，并开发/调试独立应用。
由于TMC使新型智慧执行器成为可能，并且随着ROS而日益普及，尤其是在机器人领域中，我们针对这些模块开发了额外的支持，如ROS驱动程序，进而进一步扩展制造业和工业自动化的用例。具体来说，预计这些ROS驱动程序将能够控制马达的速度、位置或扭矩，以及监控马达控制器和马达信息。
TMC ROS驱动程序与TMCL-IDE提供的功能相似，但其能够让支持ROS的系统节点轻松使用这些TMC，无需安装任何其他驱动程序。截至本文发表之时，该驱动程序仅支持CAN接口（特别是SocketCAN），其他接口正在开发中，很快也将提供支持。此处列出目前支持的ADI Trinamic马达控制器模块（TMCM）。

软件架构
图七所示为adi_tmcl的简化软件架构。


 
图七 : adi_tmcl的简化软件架构

如图七所示，由于adi_tmcl使用大多数Linux系统默认支持的SocketCAN 驱动程序，所以不需要任何额外的驱动程序。此外，adi_tmcl具有自己的TMCL协议解析器，因而能够理解用户请求的符合TMCL的发送/接收指令。作为最后一层，tmcl_ros_node以发表者、订阅者和服务的形式在ROS系统上提供直接接口。每种形式均提供特定的功能，这些功能可选择使用一组参数进行配置。

结论
运用ADI Trinamic马达控制器可实现新型智慧执行器。随着ROS日益普及，尤其是在机器人领域，针对这些模块开发额外支持，如ROS驱动程序，旨在进一步扩展制造业和工业自动化用例。
本文展示ROS如何扩展组件，其带来的优势为提供附加价值，例如扩展工业应用；透过ROS通讯框架，与第三方产品可轻松实现互操作；提供更广泛的选项，方便客户在其系统中选用产品；快速评估新技术并立即开始使用。
（本文作者为ADI软件系统工程师Krizelle Paulene Apostol，资深软件系统工程师Jamila Macagba及软件系统设计工程经理Maggie Maralit）