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实现机器人操作系统——ADI Trinamic电机控制器ROS1驱动程序简介

04/17 15:00
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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。

欲了解更多信息,请访问ADI工业机器人页面。

探索永不停息

  • 敬请关注有关ADI Trinamic电机控制器ROS1驱动程序的文章,深入了解相关信息
  • 敬请关注未来发表的有关用于ADI Trinamic电机控制器的ROS2的文章
  • 下载ADI Trinamic电机控制器ROS1和ROS2驱动程序
  • 购买ADI Trinamic电机和电机控制器评估板

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

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亚德诺半导体全称为亚德诺半导体技术有限公司(analog devices,inc.)简称ADI。是一家专营半导体传感器和信号处理ic的卓越的供应商,ADI将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI是业界卓越的半导体公司,在模拟信号、混合信号和数字信号处理的设计与制造领域都发挥着十分重要的作用。

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