使用ROS1驅動(dòng)程序來(lái)操控ADI Trinamic電機控制器

ADI Trinamic電機控制器ROS1驅動(dòng)程序

ROS是一個(gè)機器人系統中間層，包含一組軟件庫和強大的開(kāi)發(fā)工具，從驅動(dòng)程序到最先進(jìn)的算法，可以在此基礎上開(kāi)發(fā)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(zhù)ROS變得越來(lái)越流行，尤其是在機器人領(lǐng)域，為了擴展在制造和工業(yè)自動(dòng)化應用中的適用性，我們開(kāi)發(fā)了ROS驅動(dòng)程序等附加模塊支持。ADI公司的TMC ROS1驅動(dòng)程序提供與Triaminic電機控制語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(TMCL-IDE)類(lèi)似的功能，但有一個(gè)關(guān)鍵區別：它允許支持ROS的系統中的節點(diǎn)使用TMC，而無(wú)需額外安裝驅動(dòng)程序。此外，adi_tmcl集成了自己的TMCL協(xié)議解釋器，因此能夠解釋符合TMCL標準的用戶(hù)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(fā)布者、訂閱者和服務(wù)等功能。每一個(gè)功能都可以使用一組參數進(jìn)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(dòng)程序或adi_tmcl旨在支持所有遵守TMCL協(xié)議的商用TMC。截至本文發(fā)布，它目前支持CAN接口（特別是SocketCAN）。但開(kāi)發(fā)工作還在進(jìn)行，不久的將來(lái)會(huì )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(jìn)電機和直流無(wú)刷伺服(BLDC)電機。由于使用ROS參數，adi_tmcl能夠無(wú)縫支持不同的TMC模塊。只需配置tmcl_ros_node而無(wú)需重新構建整個(gè)控制包。

在adi_tmcl/config目錄中，每個(gè)ADI Trinamic電機控制器模塊(TMCM)都有兩個(gè)相關(guān)的YAML文件。這些文件以人類(lèi)可讀的數據序列化語(yǔ)言編寫(xiě)，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(dòng)生成的，包含特定于模塊的參數，不建議修改，以免導致節點(diǎn)行為異常。

■   adi_tmcl/config/TMCM-XXXX_Ext.yaml

此YAML文件包含用戶(hù)可以修改的所有參數，以便(1)與板通信（例如接口名稱(chēng)），(2)實(shí)現電機控制，以及(3)更改ROS主題名稱(chēng)。

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(dòng)TMCM-1636

其中，adi_tmcl/launch/tmcm_1636.launch加載TMCM-1636專(zhuān)用的YAML文件。

圖2 使用TMCM-1636運行TMC ROS驅動(dòng)程序的代碼片段

圖3 （上）TMCM-1636硬件連接圖；（下）實(shí)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(dòng)TMC ROS驅動(dòng)程序的命令

其中，adi_tmcl/launch/tmcm_1260.launch加載TMCM-1260專(zhuān)用的YAML文件。

圖5 使用TMCM-1260運行TMC ROS驅動(dòng)程序的代碼片段

圖6 （上）TMCM-1260硬件連接圖；（下）實(shí)際設置的參考圖片

啟動(dòng)目錄包括所有支持的TMC模塊。

2.使用TMCL-IDE一次性配置TMC模塊

在通過(guò)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(wú)法正確控制電機）。

■   BLDC電機模塊（如TMCM-1636）

■   步進(jìn)電機模塊（如TMCM-1260）

初始化和調諧后，務(wù)必將所有參數存儲在板的EEPROM中。這可以通過(guò)如下方法來(lái)完成：(1)store參數，(2)STAP命令，以及/或者(3)創(chuàng )建和上傳TMCL程序并啟用自動(dòng)啟動(dòng)模式。有些板僅支持其中的少數選項。

TMC ROS驅動(dòng)程序的設計得到了簡(jiǎn)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(dòng)/停止電機

TMC ROS驅動(dòng)程序通過(guò)在以下任一主題中發(fā)布命令來(lái)移動(dòng)/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(hù)可以連接ROS系統來(lái)發(fā)送至這些特定指令，從而控制電機的運動(dòng)。指令的選擇取決于具體應用、TMC設置以及所用電機的類(lèi)型。例如，對于輪式機器人，用戶(hù)可以選擇設置速度；而對于夾具，設置位置會(huì )更合適。

作為說(shuō)明性示例，可以看看腳本adi_tmcl/scripts/fake_cmd_vel.sh。這個(gè)簡(jiǎn)單的腳本可以控制電機以順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)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(jìn)行操作。

圖7 用于測試TMC ROS驅動(dòng)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(huì )自行停止。

為了驗證電機是否已移動(dòng)，圖8顯示了來(lái)自TMC (/tmc_info_0)的實(shí)際轉速反饋圖。

圖8 使用RQT繪制的電機實(shí)際轉速圖（以m/s為單位）

4.TMC/電機信息檢索

系統可以通過(guò)訂閱以下主題，從TMC ROS驅動(dòng)程序檢索信息：

■   /tmc_info (adi_tmcl/TmcInfo) - 提供電壓、TMC狀態(tài)、實(shí)際轉速、實(shí)際位置和實(shí)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(hù)可以鏈接ROS系統來(lái)訂閱這些指定的主題。這樣，用戶(hù)就可以監視參數值，并根據參數值采取行動(dòng)。例如，在特定于應用的場(chǎng)景中，當檢測到TMC狀態(tài)出錯時(shí)，操作員可能會(huì )選擇停止系統，或者在電機到達特定位置時(shí)執行預編程的動(dòng)作。

作為例子，adi_tmcl/scripts/fake_cmd_pos.sh是一個(gè)簡(jiǎn)單的腳本，它讓電機先順時(shí)針旋轉，再逆時(shí)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(dòng)程序位置控制的命令

為了驗證電機是否已移動(dòng)，圖10顯示了來(lái)自TMC (/tmc_info_0)的實(shí)際位置回讀圖。

圖10 使用RQT繪制的電機實(shí)際位置圖（以度為單位）

5.執行自定義TMC命令

系統可以通過(guò)執行以下功能來(lái)訪(fǎng)問(wèn)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(hù)可以選擇將此服務(wù)集成到ROS系統中，以滿(mǎn)足特定應用需求。此功能使用戶(hù)能夠直接從ROS驅動(dòng)程序配置TMC板。例如，用戶(hù)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(hù)必須透徹了解他們要通過(guò)此功能修改的參數，不正確的設置可能會(huì )導致TMC ROS驅動(dòng)程序故障。因此，強烈建議任何配置都通過(guò)TMCL-IDE執行。圖11提供了調用此服務(wù)的示例，展示了使用指令類(lèi)型208對DrvStatusFlags進(jìn)行獲取軸參數(GAP)操作。

圖11 通過(guò)RQT觸發(fā)的tmcl_custom_cmd服務(wù)

6. 訪(fǎng)問(wèn)所有軸參數值

系統可以通過(guò)以下方式訪(fǎng)問(wèn)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(hù)可以將ROS系統與此功能集成，以滿(mǎn)足特定應用的需求。例如，此服務(wù)可以捕獲TMC板的當前設置和狀態(tài)，包括AP（例如編碼器步長(cháng)、PI調諧、換向模式等）。

圖12顯示了部分輸出示例。通過(guò)分析該結果，用戶(hù)可以確認一次性配置是否正確保存在板的EEPROM中。

圖12 通過(guò)RQT觸發(fā)的tmcl_gap_all服務(wù)

7.訪(fǎng)問(wèn)所有全局參數值

系統可以通過(guò)以下方式訪(fǎng)問(wèn)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(tài)?？稍L(fǎng)問(wèn)的一些GP包括：CAN比特率、串行波特率、自動(dòng)啟動(dòng)模式等。

圖13顯示了執行此服務(wù)后獲得的部分輸出。此結果使用戶(hù)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(guò)RQT觸發(fā)的tmcl_ggp_all

8.多個(gè)TMC板設置

對于可能需要多個(gè)TMC模塊的較大系統（如機械臂），TMC ROS驅動(dòng)程序支持多個(gè)器件設置。

a.多個(gè)CAN通道中的多個(gè)TMC板

如圖14所示，當用戶(hù)的每個(gè)TMC板都有一個(gè)CAN-USB時(shí)，系統將添加命名空間以區分每個(gè)節點(diǎn)的實(shí)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(gè)CAN通道中的多個(gè)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(dòng)文件。在此示例中，電機A可以通過(guò)發(fā)布到/tmcm1/cmd_abspos來(lái)控制，電機B可以通過(guò)發(fā)布到/tmcm2/cmd_abspos來(lái)控制，電機C可以通過(guò)發(fā)布到/tmcm3/cmd_abspos來(lái)控制。

圖15 使用多個(gè)CAN通道運行多個(gè)TMC ROS驅動(dòng)程序的代碼片段

b.單個(gè)CAN通道中的多個(gè)TMC板

TMC ROS驅動(dòng)程序支持的另一種設置是單個(gè)CAN通道中有多個(gè)TMC板，如圖16所示。與上文所述的對多個(gè)TMC板的支持非常相似，系統引入命名空間來(lái)區分每個(gè)節點(diǎn)實(shí)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(gè)TMC板的示例圖

圖17顯示了用于設置此用例的示例啟動(dòng)文件。在此示例中，電機A可以通過(guò)發(fā)布到/tmcm1/cmd_abspos來(lái)控制，電機B可以通過(guò)發(fā)布到/tmcm2/cmd_abspos來(lái)控制，電機C可以通過(guò)發(fā)布到/tmcm3/cmd_abspos來(lái)控制。

圖17 使用單個(gè)CAN通道運行多個(gè)TMC ROS驅動(dòng)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(diǎn)（例如驅動(dòng)程序、算法等）。TMC ROS驅動(dòng)程序將這一優(yōu)勢擴展到了TMC板，允許它無(wú)縫集成到ROS系統/應用中。

a.集成到AGV/AMR中

圖18說(shuō)明了navigation_node如何通過(guò)發(fā)送geometry_msg/Twist格式的/cmd_vel來(lái)控制移動(dòng)機器人。然后，motor_controller通過(guò)Geometry_msg/ Twist格式的/wheel_velocity發(fā)送反饋，使得navigation_node可以相應地重新校準。

圖18 AGV/AMR的簡(jiǎn)化架構

通過(guò)了解navigation_node發(fā)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(lèi)似，adi_tmcl會(huì )發(fā)布關(guān)于車(chē)輪轉速的實(shí)時(shí)信息，wheel_velocity_node會(huì )將車(chē)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(dòng)機器人預計以相同方式工作。

圖19 帶有TMC ROS驅動(dòng)程序的AGV/AMR簡(jiǎn)化架構

b.集成到機械臂中

圖20說(shuō)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(gè)電機。與之前的用例類(lèi)似，用戶(hù)需要確保pick_and_place_node會(huì )訂閱/發(fā)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

結論

ADI公司的TMC ROS1驅動(dòng)程序支持TMC基礎驅動(dòng)層和應用層之間在ROS管理的系統內無(wú)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(dòng)程序提供的功能，包括：

■   電機運動(dòng)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(gè)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(shí)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。

關(guān)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(kāi)發(fā)中心與智能運動(dòng)和機器人部門(mén)展開(kāi)合作。她于2019年12月加入ADI公司，工作地點(diǎn)位于菲律賓甲米地。她畢業(yè)于菲律賓信心學(xué)院，獲計算機工程學(xué)士學(xué)位。她曾參與眾多項目，專(zhuān)注于ROS、Gazebo仿真、固件開(kāi)發(fā)、通信協(xié)議和算法開(kāi)發(fā)等領(lǐng)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(kāi)發(fā)中心與智能運動(dòng)和機器人部門(mén)展開(kāi)合作。她于2018年7月加入ADI公司，工作地點(diǎn)位于菲律賓甲米地。她畢業(yè)于菲律賓大學(xué)洛斯巴洛斯分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。她主要負責ROS系統中的ROS驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)與集成工作。

Maggie是一名軟件系統設計工程經(jīng)理，她所在的ADI公司菲律賓開(kāi)發(fā)中心與工業(yè)運動(dòng)和機器人部門(mén)展開(kāi)合作。她于2019年4月加入ADI公司，工作地點(diǎn)位于菲律賓甲米地。她畢業(yè)于菲律賓大學(xué)洛斯巴洛斯分校（位于菲律賓拉古納），獲計算機科學(xué)學(xué)士學(xué)位。她目前在菲律賓工廠(chǎng)率領(lǐng)工程師小組，為工業(yè)機器人項目提供支持。從2009年至2010年，Maggie在惠普擔任應用專(zhuān)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(kāi)發(fā)工程師；從2015年至2019年，在新加坡大陸汽車(chē)公司擔任高級嵌入式軟件工程師。

（本文來(lái)源于《EEPW》202406）