【世说芯品】ROS TMC4671实现机器人控制系统快速开发

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[导读]开发机器人硬件时面临的挑战之一是处理与电机的通信，以及根据实时生成的轨迹向其发送命令。由于接受轨迹的电机应遵守时间限制，所以电机驱动器和控制器之间的无缝通信变得至关重要。此外，控制器还应从电机接收最新的关节状态(位置、速度、力)信息，从而能够验证轨迹执行情况。然后剩下的最后一项挑...

开发机器人硬件时面临的挑战之一是处理与电机的通信，以及根据实时生成的轨迹向其发送命令。由于接受轨迹的电机应遵守时间限制，所以电机驱动器和控制器之间的无缝通信变得至关重要。此外，控制器还应从电机接收最新的关节状态(位置、速度、力)信息，从而能够验证轨迹执行情况。然后剩下的最后一项挑战是实际生成轨迹并将其发送给电机驱动器。

为了满足这些要求，ROS(机器人操作系统)框架为我们提供了ROS-control和ROS-Moveit等多款工具。ROS (机器人操作系统)是一种软件框架，实施了最先进的算法和工具，能够以最低的工作量简化机器人硬件和软件开发。
控制关节作动器的方法可能有多种，例如指定关节位置、关节速度或关节作用力，完全依赖于应用所需的控制水平。由于速度和扭矩控制环路等所有低级处理都是在驱动硬件内执行的，如果关节位置直接用于命令执行器，事情就变得比较简单。但是，如果使用关节或关节作用力命令执行器，那么就必须通过运行命令设备上的控制环路来生成位置接口，在我们的例子中为运行ROS control实例的linux机器。

ROS-CONTROL

ROS-control是一个ROS package，能够与以上所述的多种硬件实例对接。为了实现以上目的，ROS-control提供对控制环路实现的抽象表示，从而可以控制任意电机或执行器，而不必考虑其硬件接口。
根据官方文件，ROS-control可原生支持4种类型的硬件接口：1.关节命令接口

作用力关节接口
速度关节接口
位置关节接口

2.关节状态接口

通过下图能够很好地理解该接口。

【ROS硬件接口存储器概念图。来源：ros_control】
从图中可以看出，ROS control使用存储器位置与执行器及电机通信。例如，如果必须使用位置接口命令电机，ROS control只需在存储器位置“pos_cmd_”写入位置要求值，该值将被通过电机的通信接口传输到电机。以带有Landungsbrücke的TMC4671评估套件为例，这些接口可以是RS232、USB串口或RN171XV/RN42XV无线模块。类似地，对于速度和作用力接口，要求值也被写入到预先定义的相应存储器位置。现在，剩下的问题是，如何从电机读取关节状态。与关节命令接口类似，关节值被读入到存储器位置“pos_”、“vel_”和“eff_”。现在，只需以一定的间隔更新这些存储器位置，即可命令和读取关节接口。利用以下的代码片段很容易解释这一过程：
class trinamic: public hardware_interface::RobotHW{ public: trinamic(); void read(); void write();};
这里，可利用构造函数初始化，比如，通信接口(在我们使用Landungsbrücke的实现中为串口)。更进一步，在循环中定期调用trinamic::read()和trinamic::write()函数，从而以固定间隔更新存储器位置。
ROS控制器

硬件接口启动并运行后，我们可以生成许多控制器之一，例如position_controllers、velocity_controllers、joint_state_controller、joint_trajectory_controller。这些控制器仅仅是硬件接口作为ROS topics的抽象表示。如上所述，这里可以使用速度关节接口启动position_controller，使控制环路在主机上运行。此外，joint_trajectory_controller兼容所有类型的关节命令接口。值得注意的是，我们应始终检查冲突，确保没有两个控制器同时访问相同的硬件接口。
建立ROS CONTROL和TMC4671之间的通信

得益于TMCL API，利用Landungsbrücke可以毫不费力地建立ROS和TMC4671之间的通信。如上所述，通过USB串口建立通信，支持命令位置(因为我们正在建立硬件接口)和传输关节位置。Landungsbrücke接收到该命令位置后，通过SPI将该值写入到寄存器0x68, PID_POSITION_TARGET。此外，从寄存器0x6B, PID_POSITION_ACTUAL获取当前位置并通过USB串口传输。由于所有这些值都是32位有符号整数，数据被编组为4个单字节无符号整数进行发送和接收。

如何设置

【视频硬件伺服控制芯片TMC4671配置过程指导】
最初利用TMCL-IDE根据电机设置TMC4671，具体过程说明请观看硬件伺服控制芯片TMC4671配置过程指导视频。更新在ROS_control.c中的init_motor()函数中从IDE接收的寄存器设置。现在，在任意工作区下载ROSpackage，并利用启动文件启动硬件接口。可以随启动文件中的ROS control节点生成任意兼容的ROS控制器。可在controller.yaml中配置控制器。
使用TMC4671进行位置控制时，最重要的部分是调节速度和位置控制环路的PI增益。可使用寄存器0x58和0x5A手动调节这些环路。但强烈建议不要这么做。

参考

1. S.Chitta, E. Marder-Eppstein, W. Meeussen, V. Pradeep, A. RodríguezTsouroukdissian, J. Bohren, D. Coleman, B. Magyar, G. Raiola, M. Lüdtke and E. Fernandez Perdomo