使用ROS1驱动程序来操控ADI Trinamic电机控制器
来源：电能质量优化
发布时间：2024-11-14 19:50:04
“实现机器人操作系统——电机控制器ROS1驱动程序简介”一文中概述了新型ADI Trinamic电机控制器(TMC)驱动程序，并讨论了将电机控制器集成到机器人操作系统(ROS)生态系统中的方法。TMC ROS1驱动程序支持TMC驱动层和应用层之间在ROS框架内无缝通信，且适用于它支持的各种TMC板。本文将深入探讨TMC ROS1驱动程序的功能，包括电机控制、信息检索、命令执行、参数获取以及对多种设置的支持。文中还概述了如何将电机控制器集成到嵌入式系统和应用中，从而利用ROS框架提供的优势。
ROS是一个机器人系统中间层，包含一组软件库和强大的开发工具，从驱动程序到最先进的算法，可以在此基础上开发机器人系统或应用程序。ADI Trinamic电机控制器支持新型智能执行器，并且随着ROS慢慢的变流行，尤其是在机器人领域，为了扩展在制造和工业自动化应用中的适用性，我们开发了ROS驱动程序等附加模块支持。ADI公司的TMC ROS1驱动程序提供与Triaminic电机控制语言集成开发环境(TMCL-IDE)类似的功能，但有一个关键区别：它允许支持ROS的系统中的节点使用TMC，而无需额外安装驱动程序。此外，adi_tmcl集成了自己的TMCL协议解释器，因此能够解释符合TMCL标准的用户请求的命令。最后一层是tmcl_ros_node，它建立了与ROS系统的直接接口，提供发布者、订阅者和服务等功能。每一个功能都能够正常的使用一组参数进行自定义，以下部分将详细讨论这些功能。
TMC ROS驱动程序或adi_tmcl旨在支持所有遵守TMCL协议的商用TMC。截至本文发布，它目前支持CAN接口（特别是SocketCAN）。但开发工作还在进行，不久的将来会支持其他接口。这些TMC包含ADI Trinamic PANdrive智能电机和模块，能支持步进电机和直流无刷伺服(BLDC)电机。由于使用ROS参数，adi_tmcl能够无缝支持不同的TMC模块。只需配置tmcl_ros_node而不需要重新构建整个控制包。
在adi_tmcl/config目录中，每个ADI Trinamic电机控制器模块(TMCM)都有两个相关的YAML文件。这些文件以人类可读的数据序列化语言编写，包含ROS参数，应在执行期间加载：
此YAML文件是自动生成的，包含特定于模块的参数，不建议修改，以免导致节点行为异常。
此YAML文件包含用户都能够修改的所有参数，以便(1)与板通信（例如接口名称），(2)实现电机控制，以及(3)更改ROS主题名称。
在通过ROS使用TMC模块之前，应该要依据所使用的电机完成配置。所有的配置使用TMCL-IDE完成，并应存储在EEPROM中（否则可能没办法正确控制电机）。
有关如何在TMCL-IDE中完成比例积分(PI)调谐功能的流程/教程，请查看此教程。
有关如何在TMCL-IDE中通过Wizard Pool功能完成初始化配置的流程/教程，请查看此教程。
初始化和调谐后，务必将所有参数存储在板的EEPROM中。这可以通过如下方法来完成：(1)store参数，(2)STAP命令，以及/或者(3)创建和上传TMCL程序并启用自动启动模式。有些板仅支持其中的少数选项。
TMC ROS驱动程序的设计得到了简化，在完成TMC模块和电机的初始化配置/调谐后，基于使用TMCL-IDE的一次性配置即可控制电机。
用户都能够连接ROS系统来发送至这些特定指令，从而控制电机的运动。指令的选择取决于具体应用、TMC设置以及所用电机的类型。例如，对于轮式机器人，用户可以再一次进行选择设置速度；而对于夹具，设置位置会更合适。
作为说明性示例，可以了解一下脚本adi_tmcl/scripts/fake_cmd_vel.sh。这个简单的脚本能控制电机以顺时针和逆时针两个方向旋转，并且逐渐提高转速。要执行此脚本，请按照图7所示的命令进行操作。
可以按Ctrl-C复制1号终端窗口中的命令，完成后粘贴到2号终端窗口中。
为了验证电机是否已移动，图8显示了来自TMC (/tmc_info_0)的实际转速反馈图。
用户可以链接ROS系统来订阅这些指定的主题。这样，用户就可以监视参数值，并根据参数值采取行动。例如，在特定于应用的场景中，当检测到TMC状态出错时，操作员可能会选择停止系统，或者在电机到达特定位置时执行预编程的动作。
作为例子，adi_tmcl/scripts/fake_cmd_pos.sh是一个简单的脚本，它让电机先顺时针旋转，再逆时针旋转，并且逐步的提升位置幅度。请执行图9所示的命令。
为了验证电机是否已移动，图10显示了来自TMC (/tmc_info_0)的实际位置回读图。
用户可以再一次进行选择将此服务集成到ROS系统中，以满足特定应用需求。此功能使用户能直接从ROS驱动程序配置TMC板。例如，用户都能够选择设置轴参数(SAP)以获得最大电流，从而调整允许的绝对电流水平。但是，用户必须透彻明白他们要通过此功能修改的参数，不正确的设置有几率会使TMC ROS驱动程序故障。因此，强烈建议任何配置都通过TMCL-IDE执行。图11提供了调用此服务的示例，展示了使用指令类型208对DrvStatusFlags进行获取轴参数(GAP)操作。
用户可以将ROS系统与此功能集成，以满足特定应用的需求。例如，此服务可以捕获TMC板的当前设置和状态，包括AP（例如编码器步长、PI调谐、换向模式等）。
图12显示了部分输出示例。通过一系列分析该结果，用户都能够确认一次性配置是否正确保存在板的EEPROM中。
此功能可以检索TMC板的当前配置和状态。可访问的一些GP包括：CAN比特率、串行波特率、自动启动模式等。
图13显示了执行此服务后获得的部分输出。此结果使用户能确认一次性配置是否已正确存储在板的EEPROM中。
对于在大多数情况下要多个TMC模块的较大系统（如机械臂），TMC ROS驱动程序支持多个器件设置。
如图14所示，当用户的每个TMC板都有一个CAN-USB时，系统将添加命名空间以区分每个节点的实例。在此特定用例中，需要相应更新comm_interface_name参数，以确保与板正确通信。
图15中的代码是用于设置此用例的示例启动文件。在此示例中，电机A能够最终靠发布到/tmcm1/cmd_abspos来控制，电机B能够最终靠发布到/tmcm2/cmd_abspos来控制，电机C能够最终靠发布到/tmcm3/cmd_abspos来控制。
TMC ROS驱动程序支持的另一种设置是单个CAN通道中有多个TMC板，如图16所示。与上文所述的对多个TMC板的支持非常相似，系统引入命名空间来区分每个节点实例。所有板的comm_interface_name保持一致。调整comm_tx_id和comm_rx_id以确保与各板正确通信。
图17显示了用于设置此用例的示例启动文件。在此示例中，电机A能够最终靠发布到/tmcm1/cmd_abspos来控制，电机B能够最终靠发布到/tmcm2/cmd_abspos来控制，电机C能够最终靠发布到/tmcm3/cmd_abspos来控制。
借助ROS提供的消息传递系统，即便是较大的系统也能轻松地交换节点（例如驱动程序、算法等）。TMC ROS驱动程序将这一优势扩展到了TMC板，允许它无缝集成到ROS系统/应用中。
图20说明了为将TMC板集成到采用机械臂的贴片应用中，控制机械臂需要用多个电机。与之前的用例类似，用户要确保pick_and_place_node会订阅/发布所预期的数据格式。
有关将TMC板集成到ROS系统的分步指南以及如何利用所述的功能，请点击此处。
ADI公司的TMC ROS1驱动程序支持TMC基础驱动层和应用层之间在ROS管理的系统内无缝通信，且适用于它支持的各种TMC模块。
本文深入探讨了ADI Trinamic电机控制器ROS1驱动程序提供的功能，包括：
所有这些功能都是利用ROS的消息传递系统实现的，使得电机控制器可以轻松集成到基于ROS的系统和应用中。
Krizelle Paulene Apostol是一名软件系统工程师，她所在的ADI公司菲律宾开发中心与智能运动和机器人部门展开合作。她于2019年12月加入ADI公司，工作地点位于菲律宾甲米地。她毕业于菲律宾信心学院，获计算机工程学士学位。她曾参与众多项目，专注于ROS、Gazebo仿真、固件开发、通信协议和算法开发等领域。
Jamila“Jam”Aria Macagba是一名高级软件系统工程师，她所在的ADI公司菲律宾开发中心与智能运动和机器人部门展开合作。她于2018年7月加入ADI公司，工作地点位于菲律宾甲米地。她毕业于菲律宾大学洛斯巴洛斯分校，获电气工程学士学位。她主要负责ROS系统中的ROS驱动程序开发与集成工作。
Maggie是一名软件系统模块设计工程经理，她所在的ADI公司菲律宾开发中心与工业运动和机器人部门展开合作。她于2019年4月加入ADI公司，工作地点位于菲律宾甲米地。她毕业于菲律宾大学洛斯巴洛斯分校（位于菲律宾拉古纳），获计算机科学学士学位。她目前在菲律宾工厂率领工程师小组，为工业机器人项目提供支持。从2009年至2010年，Maggie在惠普担任应用专家；从2010年至2013年，在Canon Information Technologies Phils., Inc.担任高级软件工程师；从2013年至2015年，在Ionics EMS, Inc.担任固件开发工程师；从2015年至2019年，在新加坡大陆汽车公司担任高级嵌入式软件工程师。
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