ADI Trinamic電機(jī)控制器ROS1驅(qū)動程序

ROS是一個機(jī)器人系統(tǒng)中間層，包含一組軟件庫和強(qiáng)大的開發(fā)工具，從驅(qū)動程序到最先進(jìn)的算法，可以在此基礎(chǔ)上開發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)或應(yīng)用程序。ADI Trinamic電機(jī)控制器支持新型智能執(zhí)行器，并且隨著ROS變得越來越流行，尤其是在機(jī)器人領(lǐng)域，為了擴(kuò)展在制造和工業(yè)自動化應(yīng)用中的適用性，我們開發(fā)了ROS驅(qū)動程序等附加模塊支持。ADI公司的TMC ROS1驅(qū)動程序提供與Triaminic電機(jī)控制語言集成開發(fā)環(huán)境(TMCL-IDE)類似的功能，但有一個關(guān)鍵區(qū)別：它允許支持ROS的系統(tǒng)中的節(jié)點使用TMC，而無需額外安裝驅(qū)動程序。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(biāo)準(zhǔn)的用戶請求的命令。最后一層是tmcl_ros_node，它建立了與ROS系統(tǒng)的直接接口，提供發(fā)布者、訂閱者和服務(wù)等功能。每一個功能都可以使用一組參數(shù)進(jìn)行自定義，以下部分將詳細(xì)討論這些功能。

功能

1.支持多種TMC模塊

TMC ROS驅(qū)動程序或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）。但開發(fā)工作還在進(jìn)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(jī)和模塊，可以支持步進(jìn)電機(jī)和直流無刷伺服(BLDC)電機(jī)。由于使用ROS參數(shù)，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(gòu)建整個控制包。

在adi_tmcl/config目錄中，每個ADI Trinamic電機(jī)控制器模塊(TMCM)都有兩個相關(guān)的YAML文件。這些文件以人類可讀的數(shù)據(jù)序列化語言編寫，包含ROS參數(shù)，應(yīng)在執(zhí)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(shù)，不建議修改，以免導(dǎo)致節(jié)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(shù)，以便(1)與板通信（例如接口名稱），(2)實現(xiàn)電機(jī)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(qū)動程序的代碼片段

圖3 （上）TMCM-1636硬件連接圖；（下）實際設(shè)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(qū)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(qū)動程序的代碼片段

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

啟動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ROS使用TMC模塊之前，需要根據(jù)所使用的電機(jī)完成配置。所有的配置使用TMCL-IDE完成，并應(yīng)存儲在EEPROM中（否則可能無法正確控制電機(jī)）。

■   BLDC電機(jī)模塊（如TMCM-1636）

■   步進(jìn)電機(jī)模塊（如TMCM-1260）

初始化和調(diào)諧后，務(wù)必將所有參數(shù)存儲在板的EEPROM中。這可以通過如下方法來完成：(1)store參數(shù)，(2)STAP命令，以及/或者(3)創(chuàng)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(shù)選項。

TMC ROS驅(qū)動程序的設(shè)計得到了簡化，在完成TMC模塊和電機(jī)的初始化配置/調(diào)諧后，基于使用TMCL-IDE的一次性配置即可控制電機(jī)。

3.移動/停止電機(jī)

TMC ROS驅(qū)動程序通過在以下任一主題中發(fā)布命令來移動/停止電機(jī)：

■   /cmd_vel(geometry_msgs/Twist)—設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速

■   /cmd_abspos(std_msgs/Int32)—設(shè)置電機(jī)的絕對位置

■   /cmd_relpos(std_msgs/Int32)—設(shè)置電機(jī)的相對位置

■   /cmd_trq(std_msgs/Int32)—設(shè)置電機(jī)扭矩

注：多軸TMC設(shè)置中的不同電機(jī)有不同的地址。

用戶可以連接ROS系統(tǒng)來發(fā)送至這些特定指令，從而控制電機(jī)的運動。指令的選擇取決于具體應(yīng)用、TMC設(shè)置以及所用電機(jī)的類型。例如，對于輪式機(jī)器人，用戶可以選擇設(shè)置速度；而對于夾具，設(shè)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(jī)以順時針和逆時針兩個方向旋轉(zhuǎn)，并且逐漸提高轉(zhuǎn)速。要執(zhí)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(qū)動程序轉(zhuǎn)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(fù)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(jī)是否已移動，圖8顯示了來自TMC (/tmc_info_0)的實際轉(zhuǎn)速反饋圖。

圖8 使用RQT繪制的電機(jī)實際轉(zhuǎn)速圖（以m/s為單位）

4.TMC/電機(jī)信息檢索

系統(tǒng)可以通過訂閱以下主題，從TMC ROS驅(qū)動程序檢索信息：

■   /tmc_info (adi_tmcl/TmcInfo) - 提供電壓、TMC狀態(tài)、實際轉(zhuǎn)速、實際位置和實際扭矩信息

注：多軸TMC設(shè)置中的不同電機(jī)有不同的主題。

用戶可以鏈接ROS系統(tǒng)來訂閱這些指定的主題。這樣，用戶就可以監(jiān)視參數(shù)值，并根據(jù)參數(shù)值采取行動。例如，在特定于應(yīng)用的場景中，當(dāng)檢測到TMC狀態(tài)出錯時，操作員可能會選擇停止系統(tǒng)，或者在電機(jī)到達(dá)特定位置時執(zhí)行預(yù)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(jī)先順時針旋轉(zhuǎn)，再逆時針旋轉(zhuǎn)，并且不斷提高位置幅度。請執(zhí)行圖9所示的命令。

圖9 用于測試TMC ROS驅(qū)動程序位置控制的命令

為了驗證電機(jī)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(jī)實際位置圖（以度為單位）

5.執(zhí)行自定義TMC命令

系統(tǒng)可以通過執(zhí)行以下功能來訪問和調(diào)整TMC參數(shù)：

■   tmcl_custom_cmd (adi_tmcl/TmcCustomCmd)-獲取/設(shè)置TMC的軸參數(shù)AP和全局參數(shù)(GP)的值

用戶可以選擇將此服務(wù)集成到ROS系統(tǒng)中，以滿足特定應(yīng)用需求。此功能使用戶能夠直接從ROS驅(qū)動程序配置TMC板。例如，用戶可以選擇設(shè)置軸參數(shù)(SAP)以獲得最大電流，從而調(diào)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(shù)，不正確的設(shè)置可能會導(dǎo)致TMC ROS驅(qū)動程序故障。因此，強(qiáng)烈建議任何配置都通過TMCL-IDE執(zhí)行。圖11提供了調(diào)用此服務(wù)的示例，展示了使用指令類型208對DrvStatusFlags進(jìn)行獲取軸參數(shù)(GAP)操作。

圖11 通過RQT觸發(fā)的tmcl_custom_cmd服務(wù)

6. 訪問所有軸參數(shù)值

系統(tǒng)可以通過以下方式訪問TMC軸參數(shù)值：

■   tmcl_gap (adi_tmcl/TmcGapGgpAll) - 獲取指定電機(jī)/軸的所有TMC軸參數(shù)(AP)的值

用戶可以將ROS系統(tǒng)與此功能集成，以滿足特定應(yīng)用的需求。例如，此服務(wù)可以捕獲TMC板的當(dāng)前設(shè)置和狀態(tài)，包括AP（例如編碼器步長、PI調(diào)諧、換向模式等）。

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

圖12 通過RQT觸發(fā)的tmcl_gap_all服務(wù)

7.訪問所有全局參數(shù)值

系統(tǒng)可以通過以下方式訪問TMC全局參數(shù)值：

■   tmcl_ggp (adi_tmcl/TmcGapGgpAll) - 獲取所有TMC全局參數(shù)(GP)的值

此功能可以檢索TMC板的當(dāng)前配置和狀態(tài)?？稍L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(zhí)行此服務(wù)后獲得的部分輸出。此結(jié)果使用戶能夠確認(rèn)一次性配置是否已正確存儲在板的EEPROM中。

圖13 通過RQT觸發(fā)的tmcl_ggp_all

8.多個TMC板設(shè)置

對于可能需要多個TMC模塊的較大系統(tǒng)（如機(jī)械臂），TMC ROS驅(qū)動程序支持多個器件設(shè)置。

a.多個CAN通道中的多個TMC板

如圖14所示，當(dāng)用戶的每個TMC板都有一個CAN-USB時，系統(tǒng)將添加命名空間以區(qū)分每個節(jié)點的實例。在此特定用例中，需要相應(yīng)更新comm_interface_name參數(shù)，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(shè)置此用例的示例啟動文件。在此示例中，電機(jī)A可以通過發(fā)布到/tmcm1/cmd_abspos來控制，電機(jī)B可以通過發(fā)布到/tmcm2/cmd_abspos來控制，電機(jī)C可以通過發(fā)布到/tmcm3/cmd_abspos來控制。

圖15 使用多個CAN通道運行多個TMC ROS驅(qū)動程序的代碼片段

b.單個CAN通道中的多個TMC板

TMC ROS驅(qū)動程序支持的另一種設(shè)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(tǒng)引入命名空間來區(qū)分每個節(jié)點實例。所有板的comm_interface_name保持一致。調(diào)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(shè)置此用例的示例啟動文件。在此示例中，電機(jī)A可以通過發(fā)布到/tmcm1/cmd_abspos來控制，電機(jī)B可以通過發(fā)布到/tmcm2/cmd_abspos來控制，電機(jī)C可以通過發(fā)布到/tmcm3/cmd_abspos來控制。

圖17 使用單個CAN通道運行多個TMC ROS驅(qū)動程序的代碼片段

9.輕松集成到ROS系統(tǒng)/應(yīng)用中

借助ROS提供的消息傳遞系統(tǒng)，即便是較大的系統(tǒng)也可以輕松地交換節(jié)點（例如驅(qū)動程序、算法等）。TMC ROS驅(qū)動程序?qū)⑦@一優(yōu)勢擴(kuò)展到了TMC板，允許它無縫集成到ROS系統(tǒng)/應(yīng)用中。

a.集成到AGV/AMR中

圖18說明了navigation_node如何通過發(fā)送geometry_msg/Twist格式的/cmd_vel來控制移動機(jī)器人。然后，motor_controller通過Geometry_msg/ Twist格式的/wheel_velocity發(fā)送反饋，使得navigation_node可以相應(yīng)地重新校準(zhǔn)。

圖18 AGV/AMR的簡化架構(gòu)

通過了解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信息檢索功能類似，adi_tmcl會發(fā)布關(guān)于車輪轉(zhuǎn)速的實時信息，wheel_velocity_node會將車輪轉(zhuǎn)速信息從adi_tmcl/TmcInfo轉(zhuǎn)換為geometry_msg/Twist。由于新架構(gòu)及其集成的TMC板符合正確的數(shù)據(jù)格式，因此移動機(jī)器人預(yù)計以相同方式工作。

圖19 帶有TMC ROS驅(qū)動程序的AGV/AMR簡化架構(gòu)

b.集成到機(jī)械臂中

圖20說明了為將TMC板集成到采用機(jī)械臂的貼片應(yīng)用中，控制機(jī)械臂需要使用多個電機(jī)。與之前的用例類似，用戶需要確保pick_and_place_node會訂閱/發(fā)布所預(yù)期的數(shù)據(jù)格式。

圖20 （上）帶有通用電機(jī)控制器的機(jī)械臂；（下）帶有TMC板的機(jī)械臂

結(jié)論

ADI公司的TMC ROS1驅(qū)動程序支持TMC基礎(chǔ)驅(qū)動層和應(yīng)用層之間在ROS管理的系統(tǒng)內(nèi)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(jī)控制器ROS1驅(qū)動程序提供的功能，包括：

■   電機(jī)運動控制

■   檢索電機(jī)和控制器信息

■   執(zhí)行TMC命令

■   獲取軸和全局參數(shù)值

■   支持多個TMC模塊控制設(shè)置

所有這些功能都是利用ROS的消息傳遞系統(tǒng)實現(xiàn)的，使得電機(jī)控制器可以輕松集成到基于ROS的系統(tǒng)和應(yīng)用中。

關(guān)于作者

Krizelle Paulene Apostol是一名軟件系統(tǒng)工程師，她所在的ADI公司菲律賓開發(fā)中心與智能運動和機(jī)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(yè)于菲律賓信心學(xué)院，獲計算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。她曾參與眾多項目，專注于ROS、Gazebo仿真、固件開發(fā)、通信協(xié)議和算法開發(fā)等領(lǐng)域。

Jamila“Jam”Aria Macagba是一名高級軟件系統(tǒng)工程師，她所在的ADI公司菲律賓開發(fā)中心與智能運動和機(jī)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(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(fù)責(zé)ROS系統(tǒng)中的ROS驅(qū)動程序開發(fā)與集成工作。

Maggie是一名軟件系統(tǒng)設(shè)計工程經(jīng)理，她所在的ADI公司菲律賓開發(fā)中心與工業(yè)運動和機(jī)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(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(jī)科學(xué)學(xué)士學(xué)位。她目前在菲律賓工廠率領(lǐng)工程師小組，為工業(yè)機(jī)器人項目提供支持。從2009年至2010年，Maggie在惠普擔(dān)任應(yīng)用專家；從2010年至2013年，在Canon Information Technologies Phils., Inc.擔(dān)任高級軟件工程師；從2013年至2015年，在Ionics EMS, Inc.擔(dān)任固件開發(fā)工程師；從2015年至2019年，在新加坡大陸汽車公司擔(dān)任高級嵌入式軟件工程師。

（本文來源于《EEPW》202406）