機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)（ROS）驅(qū)動(dòng)程式是基於ADI產(chǎn)品而開發(fā)，因此可直接在ROS生態(tài)系統(tǒng)中使用這些產(chǎn)品。本文概述如何在應(yīng)用、產(chǎn)品和系統(tǒng)（例如自主導(dǎo)航、安全氣泡地圖和資料採集機(jī)器人）中使用和整合這些驅(qū)動(dòng)程式；以及如此將如何有助於迅速評(píng)估新技術(shù)，並避免出現(xiàn)與協(xié)力廠商產(chǎn)品的互通性問題。

在本文探討的所有產(chǎn)品中，將重點(diǎn)關(guān)注用於ADI Trinamic馬達(dá)控制器的ROS驅(qū)動(dòng)程式，該驅(qū)動(dòng)程式是用於嵌入式運(yùn)動(dòng)控制的完整板級(jí)模組，融合ADI Trinamic運(yùn)動(dòng)控制專業(yè)知識(shí)，以及ADI的類比技術(shù)和電源設(shè)計(jì)技能。

什麼是ROS？

ROS是機(jī)器人中介軟體，包含一組軟體庫和強(qiáng)大的開發(fā)工具（從驅(qū)動(dòng)程式到先進(jìn)演算法），可作為機(jī)器人系統(tǒng)或應(yīng)用的開發(fā)基礎(chǔ)。ROS涉及多領(lǐng)域（例如消費(fèi)性電子、工業(yè)、汽車等），支援多個(gè)平臺(tái)（Linux、Windows、MacOS和一些嵌入式平臺(tái)），而且100%開源。得益於來自全球技術(shù)社群的專用資源，ROS可獲得豐富的支援，進(jìn)而幫助用戶簡化其設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

技術(shù)工作原理

ROS始於2007年，已成為自駕車、工業(yè)機(jī)器人、飛行器等領(lǐng)域備受歡迎的機(jī)器人開發(fā)原型製作平臺(tái)。經(jīng)過不斷發(fā)展，該技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)有兩個(gè)版本：ROS1和ROS2。ROS1和ROS2系統(tǒng)必須相互隔離，但通過ROS橋，這兩個(gè)系統(tǒng)之間可進(jìn)行通訊和交換資料。

ROS支援的平臺(tái)

ROS Noetic是ROS1的最終版本，將於2025年5月終止支援，而ROS2自2020年6月推出以來則不斷滾動(dòng)更新發(fā)行版本。

ROS基本概念

圖一顯示了ROS的一些基本概念，包括功能包、節(jié)點(diǎn)、主題、服務(wù)和消息。

圖一 : ROS基本資料流程。

註：對(duì)ROS1和ROS2而言，下文討論的ROS基本概念相似。

功能包

ROS功能包是ROS程式或節(jié)點(diǎn)的主要組織系統(tǒng)。這是ROS中最核心的構(gòu)建/發(fā)表項(xiàng)。創(chuàng)建ROS功能包時(shí)，請(qǐng)務(wù)必設(shè)定專用的ROS工作空間。該工作空間被稱為catkin工作空間，其中catkin是ROS的官方構(gòu)建系統(tǒng)。

節(jié)點(diǎn)

ROS節(jié)點(diǎn)是在ROS中創(chuàng)建的可執(zhí)行程式。它們是執(zhí)行特定任務(wù)的進(jìn)程。ROS節(jié)點(diǎn)可使用ROS用戶端庫（如Python用戶端庫rospy和C++ 用戶端庫roscpp）相互通訊。節(jié)點(diǎn)可以訂閱和/或發(fā)表主題，也可以提供或使用服務(wù)。3

主題

ROS主題是ROS節(jié)點(diǎn)生成（或者發(fā)表，以ROS術(shù)語而言）的資料通道。

在ROS中，發(fā)表者節(jié)點(diǎn)是主題的廣播者，而訂閱者節(jié)點(diǎn)是主題的收聽者。

在圖二中，generic_motor_control的節(jié)點(diǎn)是廣播者。/cmd_vel是velocity_ publisher發(fā)表的主題。這表示，velocity_publisher提供基於馬達(dá)控制（或命令速度）的速度資訊。

圖二 : 發(fā)表者-訂閱者

而ros_application的節(jié)點(diǎn)是收聽者，velocity_subscriber訂閱主題/cmd_vel。這表示，velocity_subscriber存取或使用velocity_publisher提供的速度資訊。

消息

主題是資料通道，而消息是資料，採用與ROS相容、適用於不同感測(cè)器的格式。

以下是適用於ROS消息格式的示例感測(cè)器：

? 飛時(shí)測(cè)距（ToF）攝影機(jī)：sensor_msgs/Image、sensor_msgs/PointCloud

? 慣性測(cè)量單元（IMU）感測(cè)器：sensor_msgs/Imu

? 馬達(dá)控制：geometry_msgs/Twist

? 車輪編碼器：geometry_msgs/TwistStamped、geometry_msgs/TwistWithCovarianceStampe

ROS主題透過發(fā)送消息（主題發(fā)佈者）或接收消息（主題訂閱者）進(jìn)行通訊，並且必須採用匹配的資料類型。

例如，在圖二中，來自velocity_publisher節(jié)點(diǎn)的速度資訊（命令速度）希望被velocity_subscriber節(jié)點(diǎn)存取/使用。如果主題發(fā)佈者velocity_publisher使用資料類型geometry_msgs/Twist，則主題訂閱者velocity_subscriber也應(yīng)使用相同的資料類型。

服務(wù)

發(fā)表者-訂閱者通訊模式是開放式模式，不適用於分散式系統(tǒng)中通常需要的回復(fù)交互。服務(wù)支援節(jié)點(diǎn)透過發(fā)送請(qǐng)求和接收回應(yīng)進(jìn)行通訊。發(fā)表者-訂閱者通訊模式使用.srv檔，在這些檔中，指定了請(qǐng)求和回應(yīng)的消息類型等服務(wù)描述。

服務(wù)是雙向同步通訊模式，其中包含用戶端和伺服器。伺服器節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，而用戶端節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求並等待伺服器節(jié)點(diǎn)做出回應(yīng)。

例如，在圖三中，server_node提供服務(wù)SetVelocity.srv以更改命令速度vel。該服務(wù)接受float32格式的速度值，並以字串格式返回狀態(tài)；如果設(shè)置了請(qǐng)求的速度，則為"success"；否則，為"FAIL"。

圖三 : 使用服務(wù)示例

client_node發(fā)送請(qǐng)求，將命令速度設(shè)定為2.5 mbps。server_node收到請(qǐng)求後，立即發(fā)送"success"回應(yīng)。

將解決方案整合至ROS生態(tài)系統(tǒng)

ADI是ROS-Industrial聯(lián)盟的正式成員，ROS-Industrial是一個(gè)開源專案，旨在將ROS軟體的先進(jìn)功能擴(kuò)展到與工業(yè)相關(guān)的硬體與應(yīng)用中。作為該技術(shù)社群的一份子，ADI最初的目標(biāo)是針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域開發(fā)專用模組。

ADI針對(duì)不同的專用模組開發(fā)了ROS驅(qū)動(dòng)程式。為了展示所開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程式並利用ROS的功能，ADI也開發(fā)了ADI自主移動(dòng)機(jī)器人（ADAM）作為內(nèi)部自主移動(dòng)平臺(tái)（參見圖四）。

圖四 : ADAM

ADAM：ADI自主移動(dòng)機(jī)器人

ADAM由ROS提供支援，並搭載ROS支援的不同元件。該平臺(tái)展示了ADI的ROS驅(qū)動(dòng)程式如何整合到移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用中，特別是自主導(dǎo)航應(yīng)用。

圖五所示為具有不同模組的ADAM的簡化硬體圖。該ADAM主要連接以下元件：

? ADIS16470或IMU感測(cè)器採用精密陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)和壓力感測(cè)器的多軸組合，這些元件主要用作檢測(cè)回饋，用 於改善位置/方向估算。

? ADBMS6948是一款多單元電池監(jiān)控器，可測(cè)量多達(dá)16個(gè)串聯(lián)連接的電芯，在整個(gè)溫度範(fàn)圍內(nèi)具有較高的測(cè)量精度。

? EVAL-ADTF3175D-NXZ或 CMOS ToF提供出色的高解析度，與深度運(yùn)算和處理、鐳射驅(qū)動(dòng)器、電源管理以及具有參考韌體/軟體的開發(fā)工具相輔相成，可帶來更多優(yōu)勢(shì)。

? ADI Trinamic馬達(dá)控制器是用於嵌入式運(yùn)動(dòng)控制的完整板級(jí)解決方案，融合ADI Trinamic運(yùn)動(dòng)控制專業(yè)知識(shí)，以及ADI的模擬工藝技術(shù)和電源設(shè)計(jì)技能。1

圖五 : ADAM硬體圖

圖六所示為ADAM的簡化ROS架構(gòu)，該ADAM使用ROS驅(qū)動(dòng)程式和自主導(dǎo)航所需的多個(gè)應(yīng)用/演算法節(jié)點(diǎn)。IMU資料（/imu/data_raw）和ADI Trinamic馬達(dá)控制器回饋（/tmc_info）用作姿態(tài)估算的輸入，從而得到機(jī)器人的里程測(cè)量結(jié)果（/odom）。雷射雷達(dá)資料（/scan） 是用於生成地圖的同步定位與地圖繪製（SLAM）演算法的主要輸入；ToF資料（/image_raw） 還可用作其他SLAM演算法的輸入。然後，move_base節(jié)點(diǎn) 將等待使用者發(fā)出任何目標(biāo)姿態(tài)，並向ADI Trinamic馬達(dá)控制器發(fā)送速度指令（/cmd_vel），使機(jī)器人能夠移動(dòng)。

圖六 : ADAM導(dǎo)航堆疊的簡化ROS架構(gòu)。

ADI Trinamic馬達(dá)控制器ROS驅(qū)動(dòng)程式

ADI Trinamic馬達(dá)控制器（TMC）是用於嵌入式運(yùn)動(dòng)控制的完整板級(jí)解決方案，融合ADI Trinamic運(yùn)動(dòng)控制專業(yè)知識(shí)，以及ADI的類比技術(shù)和電源設(shè)計(jì)技能。支援單軸/多軸步進(jìn)馬達(dá)、無刷直流馬達(dá)（BLDC）等各類馬達(dá)，可用介面包括 CAN、 EtherCAT、RS-232、RS-485 和USB，支援的協(xié)定涵蓋Trinamic運(yùn)動(dòng)控制語言（TMCL）、CANopen、 over EtherCAT （CoE）、 CANopen 或 Modbus。

名為TMCL-IDE的IDE可協(xié)助用戶開發(fā)應(yīng)用並對(duì)這些模組輕鬆重新編程。該IDE使用TMCL實(shí)現(xiàn)獨(dú)立操作，或使用標(biāo)準(zhǔn)化CANopen協(xié)議，允許使用者設(shè)定參數(shù)、即時(shí)針對(duì)資料進(jìn)行視覺化處理，並開發(fā)/調(diào)試獨(dú)立應(yīng)用。

由於TMC使新型智慧執(zhí)行器成為可能，並且隨著ROS而日益普及，尤其是在機(jī)器人領(lǐng)域中，我們針對(duì)這些模組開發(fā)了額外的支援，如ROS驅(qū)動(dòng)程式，進(jìn)而進(jìn)一步擴(kuò)展製造業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化的用例。具體來說，預(yù)計(jì)這些ROS驅(qū)動(dòng)程式將能夠控制馬達(dá)的速度、位置或扭矩，以及監(jiān)控馬達(dá)控制器和馬達(dá)資訊。

TMC ROS驅(qū)動(dòng)程式與TMCL-IDE提供的功能相似，但其能夠讓支援ROS的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)輕鬆使用這些TMC，無需安裝任何其他驅(qū)動(dòng)程式。截至本文發(fā)表之時(shí)，該驅(qū)動(dòng)程式僅支援CAN介面（特別是SocketCAN），其他介面正在開發(fā)中，很快也將提供支援。此處列出目前支援的ADI Trinamic馬達(dá)控制器模組（TMCM）。

軟體架構(gòu)

圖七所示為adi_tmcl的簡化軟體架構(gòu)。

圖七 : adi_tmcl的簡化軟體架構(gòu)

如圖七所示，由於adi_tmcl使用大多數(shù)Linux系統(tǒng)預(yù)設(shè)支援的SocketCAN 驅(qū)動(dòng)程式，所以不需要任何額外的驅(qū)動(dòng)程式。此外，adi_tmcl具有自己的TMCL協(xié)議解析器，因而能夠理解用戶請(qǐng)求的符合TMCL的發(fā)送/接收指令。作為最後一層，tmcl_ros_node以發(fā)表者、訂閱者和服務(wù)的形式在ROS系統(tǒng)上提供直接介面。每種形式均提供特定的功能，這些功能可選擇使用一組參數(shù)進(jìn)行配置。

結(jié)論

運(yùn)用ADI Trinamic馬達(dá)控制器可實(shí)現(xiàn)新型智慧執(zhí)行器。隨著ROS日益普及，尤其是在機(jī)器人領(lǐng)域，針對(duì)這些模組開發(fā)額外支援，如ROS驅(qū)動(dòng)程式，旨在進(jìn)一步擴(kuò)展製造業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化用例。

本文展示ROS如何擴(kuò)展元件，其帶來的優(yōu)勢(shì)為提供附加價(jià)值，例如擴(kuò)展工業(yè)應(yīng)用；透過ROS通訊框架，與協(xié)力廠商產(chǎn)品可輕鬆實(shí)現(xiàn)交互操作；提供更廣泛的選項(xiàng)，方便客戶在其系統(tǒng)中選用產(chǎn)品；快速評(píng)估新技術(shù)並立即開始使用。

（本文作者為ADI軟體系統(tǒng)工程師Krizelle Paulene Apostol，資深軟體系統(tǒng)工程師Jamila Macagba及軟體系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程經(jīng)理Maggie Maralit）