|
作者：Krizelle Paulene Apostol，軟件系統工程師； Jamila Macagba，高級軟件系統工程師； Maggie Maralit，軟件系統設計工程經理 ADI公司 摘要 “實現機器人操作系統——電機控制器ROS1驅動程序簡介”一文中概述了新型ADI Trinamic™電機控制器(TMC)驅動程序，并討論了將電機控制器集成到機器人操作系統(ROS)生態系統中的方法。TMC ROS1驅動程序支持TMC驅動層和應用層之間在ROS框架內無縫通信，且適用于它支持的各種TMC板。本文將深入探討TMC ROS1驅動程序的功能，包括電機控制、信息檢索、命令執行、參數獲取以及對多種設置的支持。文中還概述了如何將電機控制器集成到嵌入式系統和應用中，從而利用ROS框架提供的優勢。 ADI Trinamic電機控制器ROS1驅動程序 ROS是一個機器人系統中間層，包含一組軟件庫和強大的開發工具，從驅動程序到最先進的算法，可以在此基礎上開發機器人系統或應用程序。ADI Trinamic電機控制器支持新型智能執行器，并且隨著ROS變得越來越流行，尤其是在機器人領域，為了擴展在制造和工業自動化應用中的適用性，我們開發了ROS驅動程序等附加模塊支持。ADI公司的TMC ROS1驅動程序提供與Triaminic電機控制語言集成開發環境(TMCL-IDE)類似的功能，但有一個關鍵區別：它允許支持ROS的系統中的節點使用TMC，而無需額外安裝驅動程序。此外，adi_tmcl集成了自己的TMCL協議解釋器，因此能夠解釋符合TMCL標準的用戶請求的命令。最后一層是tmcl_ros_node，它建立了與ROS系統的直接接口，提供發布者、訂閱者和服務等功能。每一個功能都可以使用一組參數進行自定義，以下部分將詳細討論這些功能。 功能 1. 支持多種TMC模塊 TMC ROS驅動程序或adi_tmcl旨在支持所有遵守TMCL協議的商用TMC。截至本文發布，它目前支持CAN接口（特別是SocketCAN）。但開發工作還在進行，不久的將來會支持其他接口。這些TMC包含ADI Trinamic PANdrive™智能電機和模塊，可以支持步進電機和直流無刷伺服(BLDC)電機。由于使用ROS參數，adi_tmcl能夠無縫支持不同的TMC模塊。只需配置tmcl_ros_node而無需重新構建整個控制包。 在adi_tmcl/config目錄中，每個ADI Trinamic電機控制器模塊(TMCM)都有兩個相關的YAML文件。這些文件以人類可讀的數據序列化語言編寫，包含ROS參數，應在執行期間加載： ► adi_tmcl/config/autogenerated/TMCM-XXXX.yaml 此YAML文件是自動生成的，包含特定于模塊的參數，不建議修改，以免導致節點行為異常。 ► adi_tmcl/config/TMCM-XXXX_Ext.yaml 此YAML文件包含用戶可以修改的所有參數，以便(1)與板通信（例如接口名稱），(2)實現電機控制，以及(3)更改ROS主題名稱。 例如，如果您想使用TMCM-1636（圖3），只需運行圖1所示的代碼。 
圖1.啟動TMCM-1636。 其中，adi_tmcl/launch/tmcm_1636.launch加載TMCM-1636專用的YAML文件。
圖2.使用TMCM-1636運行TMC ROS驅動程序的代碼片段。
圖3.（上）TMCM-1636硬件連接圖；（下）實際設置的參考圖片。 要使用TMCM-1260（圖6），請運行以下命令：
圖4.使用TMCM-1260啟動TMC ROS驅動程序的命令。 其中，adi_tmcl/launch/tmcm_1260.launch加載TMCM-1260專用的YAML文件。
圖5.使用TMCM-1260運行TMC ROS驅動程序的代碼片段。
圖6.（上）TMCM-1260硬件連接圖；（下）實際設置的參考圖片。 啟動目錄包括所有支持的TMC模塊，可以點擊此處查看。 2. 使用TMCL-IDE一次性配置TMC模塊 在通過ROS使用TMC模塊之前，需要根據所使用的電機完成配置。所有的配置使用TMCL-IDE完成，并應存儲在EEPROM中（否則可能無法正確控制電機）。 ► BLDC電機模塊（如TMCM-1636） 有關如何在TMCL-IDE中通過Wizard Pool工具完成電機校準的流程/教程，請查看此教程。 有關如何在TMCL-IDE中完成比例積分(PI)調諧功能的流程/教程，請查看此教程。 ► 步進電機模塊（如TMCM-1260） 有關如何在TMCL-IDE中通過Wizard Pool功能完成初始化配置的流程/教程，請查看此教程。 初始化和調諧后，務必將所有參數存儲在板的EEPROM中。這可以通過如下方法來完成：(1)store參數，(2)STAP命令，以及/或者(3)創建和上傳TMCL程序并啟用自動啟動模式。有些板僅支持其中的少數選項。 TMC ROS驅動程序的設計得到了簡化，在完成TMC模塊和電機的初始化配置/調諧后，基于使用TMCL-IDE的一次性配置即可控制電機。 3. 移動/停止電機 TMC ROS驅動程序通過在以下任一主題中發布命令來移動/停止電機： ► /cmd_vel (geometry_msgs/Twist)—設置電機轉速 ► /cmd_abspos (std_msgs/Int32)—設置電機的絕對位置 ► /cmd_relpos (std_msgs/Int32)—設置電機的相對位置 ► /cmd_trq (std_msgs/Int32)—設置電機扭矩 注：多軸TMC設置中的不同電機有不同的地址。 用戶可以連接ROS系統來發送至這些特定指令，從而控制電機的運動。指令的選擇取決于具體應用、TMC設置以及所用電機的類型。例如，對于輪式機器人，用戶可以選擇設置速度；而對于夾具，設置位置會更合適。 作為說明性示例，可以看看腳本adi_tmcl/scripts/fake_cmd_vel.sh。這個簡單的腳本可以控制電機以順時針和逆時針兩個方向旋轉，并且逐漸提高轉速。要執行此腳本，請按照圖7所示的命令進行操作。
圖7.用于測試TMC ROS驅動程序轉速控制的命令。 注意： ► 2號終端窗口和3號終端窗口最好并排顯示。 ► 可以按Ctrl-C復制1號終端窗口中的命令，完成后粘貼到2號終端窗口中。 ► 3號終端窗口中的命令會自行停止。 為了驗證電機是否已移動，圖8顯示了來自TMC (/tmc_info_0)的實際轉速反饋圖。
圖8.使用RQT繪制的電機實際轉速圖（以m/s為單位）。 4. TMC/電機信息檢索 系統可以通過訂閱以下主題，從TMC ROS驅動程序檢索信息： ► /tmc_info (adi_tmcl/TmcInfo) - 提供電壓、TMC狀態、實際轉速、實際位置和實際扭矩信息 注：多軸TMC設置中的不同電機有不同的主題。 用戶可以鏈接ROS系統來訂閱這些指定的主題。這樣，用戶就可以監視參數值，并根據參數值采取行動。例如，在特定于應用的場景中，當檢測到TMC狀態出錯時，操作員可能會選擇停止系統，或者在電機到達特定位置時執行預編程的動作。 作為例子，adi_tmcl/scripts/fake_cmd_pos.sh是一個簡單的腳本，它讓電機先順時針旋轉，再逆時針旋轉，并且不斷提高位置幅度。請執行圖9所示的命令。
圖9.用于測試TMC ROS驅動程序位置控制的命令。 為了驗證電機是否已移動，圖10顯示了來自TMC (/tmc_info_0)的實際位置回讀圖。
圖10.使用RQT繪制的電機實際位置圖（以度為單位）。 5. 執行自定義TMC命令 系統可以通過執行以下功能來訪問和調整TMC參數： ► tmcl_custom_cmd (adi_tmcl/TmcCustomCmd) - 獲取/設置TMC的軸參數AP和全局參數(GP)的值 用戶可以選擇將此服務集成到ROS系統中，以滿足特定應用需求。此功能使用戶能夠直接從ROS驅動程序配置TMC板。例如，用戶可以選擇設置軸參數(SAP)以獲得最大電流，從而調整允許的絕對電流水平。但是，用戶必須透徹了解他們要通過此功能修改的參數，不正確的設置可能會導致TMC ROS驅動程序故障。因此，強烈建議任何配置都通過TMCL-IDE執行。圖11提供了調用此服務的示例，展示了使用指令類型208對DrvStatusFlags進行獲取軸參數(GAP)操作。
圖11.通過RQT觸發的tmcl_custom_cmd服務。 6. 訪問所有軸參數值 系統可以通過以下方式訪問TMC軸參數值： ► tmcl_gap (adi_tmcl/TmcGapGgpAll) - 獲取指定電機/軸的所有TMC軸參數(AP)的值 用戶可以將ROS系統與此功能集成，以滿足特定應用的需求。例如，此服務可以捕獲TMC板的當前設置和狀態，包括AP（例如編碼器步長、PI調諧、換向模式等）。 圖12顯示了部分輸出示例。通過分析該結果，用戶可以確認一次性配置是否正確保存在板的EEPROM中。
圖12.通過RQT觸發的tmcl_gap_all服務。 7. 訪問所有全局參數值 系統可以通過以下方式訪問TMC全局參數值： ► tmcl_ggp (adi_tmcl/TmcGapGgpAll) - 獲取所有TMC全局參數(GP)的值 此功能可以檢索TMC板的當前配置和狀態。可訪問的一些GP包括：CAN比特率、串行波特率、自動啟動模式等。 圖13顯示了執行此服務后獲得的部分輸出。此結果使用戶能夠確認一次性配置是否已正確存儲在板的EEPROM中。
圖13.通過RQT觸發的tmcl_ggp_all。 8. 多個TMC板設置 對于可能需要多個TMC模塊的較大系統（如機械臂），TMC ROS驅動程序支持多個器件設置。 a. 多個CAN通道中的多個TMC板 如圖14所示，當用戶的每個TMC板都有一個CAN-USB時，系統將添加命名空間以區分每個節點的實例。在此特定用例中，需要相應更新comm_interface_name參數，以確保與板正確通信。
圖14.多個CAN通道中的多個TMC板的示例圖。 圖15中的代碼是用于設置此用例的示例啟動文件。在此示例中，電機A可以通過發布到/tmcm1/cmd_abspos來控制，電機B可以通過發布到/tmcm2/cmd_abspos來控制，電機C可以通過發布到/tmcm3/cmd_abspos來控制。
圖15.使用多個CAN通道運行多個TMC ROS驅動程序的代碼片段。 b. 單個CAN通道中的多個TMC板 TMC ROS驅動程序支持的另一種設置是單個CAN通道中有多個TMC板，如圖16所示。與上文所述的對多個TMC板的支持非常相似，系統引入命名空間來區分每個節點實例。所有板的comm_interface_name保持一致。調整comm_tx_id和comm_rx_id以確保與各板正確通信。
圖16.單CAN通道中的多個TMC板的示例圖。 圖17顯示了用于設置此用例的示例啟動文件。在此示例中，電機A可以通過發布到/tmcm1/cmd_abspos來控制，電機B可以通過發布到/tmcm2/cmd_abspos來控制，電機C可以通過發布到/tmcm3/cmd_abspos來控制。
圖17.使用單個CAN通道運行多個TMC ROS驅動程序的代碼片段。 9. 輕松集成到ROS系統/應用中 借助ROS提供的消息傳遞系統，即便是較大的系統也可以輕松地交換節點（例如驅動程序、算法等）。TMC ROS驅動程序將這一優勢擴展到了TMC板，允許它無縫集成到ROS系統/應用中。 a. 集成到AGV/AMR中 圖18說明了navigation_node如何通過發送geometry_msg/Twist格式的/cmd_vel來控制移動機器人。然后，motor_controller通過Geometry_msg/ Twist格式的/wheel_velocity發送反饋，使得navigation_node可以相應地重新校準。
圖18.AGV/AMR的簡化架構。 通過了解navigation_node發布和訂閱的位置，tmcl_ros_node可以輕松更改motor_controller（圖19）。與TMC信息檢索功能類似，adi_tmcl會發布關于車輪轉速的實時信息，wheel_velocity_node會將車輪轉速信息從adi_tmcl/TmcInfo轉換為geometry_msg/Twist。由于新架構及其集成的TMC板符合正確的數據格式，因此移動機器人預計以相同方式工作。
圖19.帶有TMC ROS驅動程序的AGV/AMR簡化架構。 b. 集成到機械臂中 圖20說明了為將TMC板集成到采用機械臂的貼片應用中，控制機械臂需要使用多個電機。與之前的用例類似，用戶需要確保pick_and_place_node會訂閱/發布所預期的數據格式。
圖20.（上）帶有通用電機控制器的機械臂；（下）帶有TMC板的機械臂。 有關將TMC板集成到ROS系統的分步指南以及如何利用所述的功能，請點擊此處。 結論 ADI公司的TMC ROS1驅動程序支持TMC基礎驅動層和應用層之間在ROS管理的系統內無縫通信，且適用于它支持的各種TMC模塊。 本文深入探討了ADI Trinamic電機控制器ROS1驅動程序提供的功能，包括： ► 電機運動控制 ► 檢索電機和控制器信息 ► 執行TMC命令 ► 獲取軸和全局參數值 ► 支持多個TMC模塊控制設置 所有這些功能都是利用ROS的消息傳遞系統實現的，使得電機控制器可以輕松集成到基于ROS的系統和應用中。 如需了解更多信息，請訪問ADI機器人頁面。 探索永不停息 ► 敬請關注未來發表的有關用于ADITrinamic電機控制器的ROS2的文章！ ► 點擊此處購買ADITrinamic電機控制器評估板 ► 點擊此處購買ADITrinamic電機 關于作者 Krizelle Paulene Apostol是一名軟件系統工程師，她所在的ADI公司菲律賓開發中心與智能運動和機器人部門展開合作。她于2019年12月加入ADI公司，工作地點位于菲律賓甲米地。她畢業于菲律賓信心學院，獲計算機工程學士學位。她曾參與眾多項目，專注于ROS、Gazebo仿真、固件開發、通信協議和算法開發等領域。 Jamila“Jam”Aria Macagba是一名高級軟件系統工程師，她所在的ADI公司菲律賓開發中心與智能運動和機器人部門展開合作。她于2018年7月加入ADI公司，工作地點位于菲律賓甲米地。她畢業于菲律賓大學洛斯巴洛斯分校，獲電氣工程學士學位。她主要負責ROS系統中的ROS驅動程序開發與集成工作。 Maggie是一名軟件系統設計工程經理，她所在的ADI公司菲律賓開發中心與工業運動和機器人部門展開合作。她于2019年4月加入ADI公司，工作地點位于菲律賓甲米地。她畢業于菲律賓大學洛斯巴洛斯分校（位于菲律賓拉古納），獲計算機科學學士學位。她目前在菲律賓工廠率領工程師小組，為工業機器人項目提供支持。從2009年至2010年，Maggie在惠普擔任應用專家；從2010年至2013年，在Canon Information Technologies Phils., Inc.擔任高級軟件工程師；從2013年至2015年，在Ionics EMS, Inc.擔任固件開發工程師；從2015年至2019年，在新加坡大陸汽車公司擔任高級嵌入式軟件工程師。 |
