摘要

　　机器人操作系统（ROS）驱动程序基于ADI产品而开发，因此可直接在ROS生态系统中使用这些产品。本文将概述如何在应用、产品和系统（例如，自主导航、安全气泡地图和数据收集机器人）中使用和集成这些驱动程序；以及这样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，将重点关注最近发布的用于ADI Trinamic™电机控制器的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的模拟工艺技术和电源设计技能。¹

　　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，并提供商业选项。得益于来自全球技术社区的专用资源，ROS可获得丰富的支持，从而帮助用户简化其设计和应用。

　　该技术的工作原理是什么？

　　ROS始于2007年，已成为自动驾驶汽车、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信和交换数据。有关更多信息，请访问ros2/ros1_bridge页面。

　　表1.ROS1和ROS2的主要区别²

　　ROS支持的平台

　　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，不断滚动更新发行版。

　　如需获取完整列表，请查看这些链接，以了解ROS1支持的平台和ROS2支持的平台。

　　ROS基本概念

　　图1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1.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/发布项。创建ROS功能包时，请务必设置专用的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）相互通信。节点可以订阅和/或发布主题，也可以提供或使用服务。³

　　主题

　　ROS主题是ROS节点生成（或者发布，用ROS的术语来说）的数据通道。

　　在ROS中，发布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2中，generic_motor_control的节点是广播者。/cmd_vel是velocity_publisher发布的主题。这表示，velocity_publisher提供基于电机控制（或命令速度）的速度信息。

　　而ros_application的节点是收听者，velocity_subscriber订阅主题/cmd_vel。这表示，velocity_subscriber访问或使用velocity_publisher提供的速度信息。

　　图2.发布者-订阅者。

　　消息

　　主题是数据通道，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：

　　▲飞行时间（ToF）摄像头：sensor_msgs/Image、sensor_msgs/PointCloud

　　▲惯性测量单元（IMU）传感器：sensor_msgs/Imu

　　▲电机控制：geometry_msgs/Twist

　　▲车轮编码器：geometry_msgs/TwistStamped、geometry_msgs/ TwistWithCovarianceStamped

　　ROS主题通过发送消息（主题发布者）或接收消息（主题订阅者）进行通信，并且必须采用匹配的数据类型。

　　例如，在图2中，来自velocity_publisher节点的速度信息（命令速度）希望被velocity_subscriber节点访问/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

　　发布者-订阅者通信模式是开放式模式，不适用于分布式系统中通常需要的回复交互。4

　　服务支持节点通过发送请求和接收响应进行通信。发布者-订阅者通信模式使用。srv文件，在这些文件中，指定了请求和响应的消息类型等服务描述。

　　服务是双向同步通信模式，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响应。

　　例如，在图3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3.使用服务示例。

　　client_node发送请求，将命令速度设置为2.5 mbps。server_node收到请求后，立即发送“success”响应。

　　将ADI解决方案集成到ROS生态系统中

　　ADI是ROS-Industrial联盟的正式成员，ROS-Industrial是一个开源项目，旨在将ROS软件的高级功能扩展到与工业相关的硬件与应用。⁵作为该技术社区的一份子，ADI最初的目标是面向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公司开发了ADI自主移动机器人（ADAM）作为内部自主移动平台（参见图4）。

　　图4.ADAM。

　　ADAM：ADI自主移动机器人

　　ADAM由ROS提供支持，并搭载ROS支持的不同器件。该平台展示了ADI公司的ROS驱动程序如何集成到移动机器人应用中，特别是自主导航应用。

　　图5所示为具有不同模块的ADAM的简化硬件图。该ADAM主要连接以下器件：

　　▲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，这些器件主要用作检测反馈，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，与深度计算和处理、激光驱动器、电源管理以及具有参考固件/软件的开发工具相辅相成，可带来更多优势。

　　▲ADI Trinamic电机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的模拟工艺技术和电源设计技能。¹

　　图5.ADAM的简化硬件图。

　　图6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电机控制器反馈（/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电机控制器发送速度命令（/cmd_vel），使机器人移动。

　　图6.ADAM导航堆栈的简化ROS架构。

　　ADI Trinamic电机控制器ROS驱动程序

　　ADI Trinamic电机控制器（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的模拟工艺技术和电源设计技能。¹支持单轴/多轴步进电机、无刷直流电机（BLDC）等各类电机，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。¹

　　名为TMCL-IDE的IDE可帮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，允许用户设置参数、实时对数据进行可视化处理，并开发/调试独立应用。

　　由于TMC使新型智能执行器成为可能，并且随着ROS日益普及，尤其是在机器人领域，我们针对这些模块开发了额外支持，如ROS驱动程序，从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：

　　▲控制电机的速度、位置或扭矩

　　▲监控电机控制器和电机信息

　　TMC ROS驱动程序与TMCL-IDE提供的功能相似，但它能够让支持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。

　　此处列出了目前支持的ADI Trinamic电机控制器模块（TMCM）。

　　软件架构

　　图7所示为adi_tmcl的简化软件架构。

　　如图7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/接收命令。作为最后一层，tmcl_ros_node以发布者、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，这些功能可使用以下部分详细介绍的一组参数进行配置。

　　图7.adi_tmcl的简化软件架构。

　　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对TMC模块进行一次性配置

　　3.移动/停止电机

　　4.能够获取TMC/电机信息

　　5.执行自定义TMC命令

　　6.能够获取所有轴参数值

　　7.能够获取所有全局参数值

　　8.支持多个TMC板设置

　　9.轻松集成到ROS系统/应用中

　　敬请关注下月《模拟对话》中的文章“掌控搭载ROS1驱动程序的Trinamic电机控制器”，文中将详细探讨这些特性，并举例说明如何使用这些特性。

　　结论

　　利用ADI Trinamic电机控制器可实现新型智能执行器。随着ROS日益普及，尤其是在机器人领域，我们针对这些模块开发了额外支持，如ROS驱动程序，旨在进一步扩展制造业和工业自动化用例。

　　在本文中，我们展示了ROS如何扩展器件，带来以下优势：

　　▲提供附加价值，比如扩展工业应用；

　　▲通过ROS通信框架，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ADI产品；

　　▲快速评估新技术并立即开始使用。

　　参考文献

　　1“用于电机和运动控制的ADI Trinamic硬件。”ADI公司

　　2“ros2/ros2_documentation。” GitHub, Inc.

　　3“了解ROS节点。” ROS.org.

　　4“服务。”ROS.org.

　　5“ROS-Industrial。”ROS.org.

　　“适合运动控制应用的工业通信协议和接口。”ADI公司

更多精彩内容欢迎点击==>>电子技术应用-AET<<