使用 ROS1 驱动程序掌握 ADI Trinamic 电机控制器

[导读]机器人操作系统 ( ROS ) 是一种机器人中间件，包含一组软件库和强大的开发工具，从驱动程序到最先进的算法，可用于开发机器人系统或应用程序。Analog Devices Inc. (ADI) 的 Trinamic 电机控制器支持一种新型智能执行器，随着 ROS 变得越来越流行，尤其是在机器人领域，开发了额外的模块支持(如 ROS 驱动程序)，以扩展制造和工业自动化应用的可用性。

机器人操作系统 ( ROS ) 是一种机器人中间件，包含一组软件库和强大的开发工具，从驱动程序到最先进的算法，可用于开发机器人系统或应用程序。Analog Devices Inc. (ADI) 的 Trinamic 电机控制器支持一种新型智能执行器，随着 ROS 变得越来越流行，尤其是在机器人领域，开发了额外的模块支持(如 ROS 驱动程序)，以扩展制造和工业自动化应用的可用性。

ADI 的 TMC ROS1 驱动程序提供的功能类似于该公司的 Trinamic 电机控制语言集成开发环境 ( TMCL-IDE )，但有一个关键区别：它允许支持 ROS 的系统内的节点使用 TMC，而无需安装额外的驱动程序。此外，adi_tmcl 集成了自己的 TMCL 协议解释器，使其能够解释符合 TMCL 标准的用户请求命令。最后一层 tmcl_ros_node 与 ROS 系统建立直接接口，提供发布者、订阅者和服务等功能。这些功能中的每一个都可以使用一组参数进行定制，这将在以下章节中详细讨论。

支持多种TMC板

TMC ROS 驱动程序或 adi_tmcl 旨在支持所有遵守 TMCL 协议的商用 TMC。截至本文发表时，它目前支持 CAN 接口(特别是 SocketCAN)。但是，目前正在进行开发，以便很快支持其他接口。这些 TMC 包括 ADI Trinamic PANdrive 智能电机和模块，可进一步分为步进电机和无刷直流 ( BLDC ) 电机。使用 ROS 参数使 adi_tmcl 能够无缝支持不同的 TMC 板。这样就可以配置 tmcl_ros_node，而无需重建整个包。

在 adi_tmcl/config 目录中，每个 ADI Trinamic 电机控制器模块 (TMCM) 都与两个 YAML 文件相关联。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：

adi_tmcl/config/自动生成/TMCM-XXXX.yaml

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，因为它可能会导致节点执行不同。

adi_tmcl/配置/TMCM-XXXX_Ext.yaml

该 YAML 文件包含用户可以修改以便与开发板通信的所有参数(例如，接口名称)、启用电机控制和更改 ROS 主题名称。

举例来说，如果您想使用TMCM-1636(图 3)，只需启动图 1 所示的代码，其中 adi_tmcl/launch/tmcm_1636.launch 加载专用于 TMCM-1636 的 YAML 文件。

图 1：启动 TMCM-1636

图 2：使用 TMCM-1636 运行 TMC ROS 驱动程序的代码片段

图 3：TMCM-1636 硬件连接图(顶部);实际设置参考图(底部)

要使用TMCM-1260(图 6)，请启动图 4 所示的代码，其中 adi_tmcl/launch/tmcm_1260.launch 加载专用于 TMCM-1260 的 YAML 文件。

图 4：使用 TMCM-1260 启动 TMC ROS 驱动程序的命令

图 5：使用 TMCM-1260 运行 TMC ROS 驱动程序的代码片段

图 6：TMCM-1260 硬件连接图(顶部);实际设置参考图(底部)

启动目录包括所有受支持的 TMC 板，可以在此处查看。

使用 TMCL-IDE 对 TMC 模块进行一次性配置

在通过 ROS 使用 TMC 板之前，需要使用电机校准板。所有校准都应使用 TMCL-IDE 进行，并应存储在 E 2 PROM 中(否则，电机可能无法正确控制)。

· 对于 BLDC 电机模块(例如 TMCM-1636)：

· 有关如何通过 TMCL-IDE 的向导池功能进行电机校准的演示/教程，请查看本教程。

· 有关如何通过 TMCL-IDE 中的 PI 调整功能进行比例积分 (PI) 调整的演示/教程，请查看本教程。

· 对于步进电机模块(例如 TMCM-1260)：

· 有关如何通过 TMCL-IDE 的向导池功能进行校准的演示/教程，请查看本教程。

校准和调整后，请确保将所有参数存储在电路板的 E 2 PROM 中。这可以通过存储参数、STAP 命令和/或创建和上传 TMCL 程序并启用自动启动模式来完成。有些电路板仅支持其中几个选项。

在配置/调整 TMC 和电机后，TMC ROS 驱动程序的设计得到简化，以便基于使用 TMCL-IDE 的一次性配置来控制电机。

移动/停止电机

TMC ROS 驱动程序通过发布以下任一主题来移动/停止电机：

· /cmd_vel (geometry_msgs/Twist) 设置电机的速度。

· /cmd_abspos (std_msgs/Int32) 设置电机的绝对位置。

· /cmd_relpos (std_msgs/Int32) 设置电机的相对位置。

· /cmd_trq (std_msgs/Int32) 设置电机的扭矩。

注意：多轴 TMC 设置中，不同电机有单独的主题。

用户可以连接他们的 ROS 系统以发布到这些特定主题，从而使他们能够控制电机的运动。主题的选择取决于应用程序、TMC 设置和所用电机的类型。例如，对于轮式机器人，用户可能选择设置速度，而对于夹持器，设置位置会更合适。

作为一个说明性示例，请考虑脚本 adi_tmcl/scripts/fake_cmd_vel.sh。这个简单的脚本可以控制电机顺时针和逆时针旋转，并逐步增加速度。要执行此操作，请按照图 7 中所示的命令进行操作。

图 7：测试 TMC ROS 驱动程序速度控制的命令

笔记：

· 2 号航站楼和 3 号航站楼并排放置时视野最佳。

· 完成后，您可以在终端 1 中按 Ctrl+C 执行命令，然后在终端 2 中按 Ctrl+C 执行命令。

· 3号航站楼的指令自动停止。

为了验证电机是否移动，图 8 显示了从 TMC(/tmc_info_0)读回的实际速度图。

图 8：使用 RQT 绘制的电机实际速度(以米/秒为单位)

检索 TMC/电机信息

系统可以通过订阅以下主题从 TMC ROS 驱动程序检索信息：

· /tmc_info (adi_tmcl/TmcInfo) 提供电压、TMC 状态、实际速度、实际位置和实际扭矩信息。

注意：多轴 TMC 设置中，不同电机有单独的主题。

用户可以链接他们的 ROS 系统来订阅这些指定主题。这样他们就可以监控参数值并根据参数值采取行动。例如，在特定于应用程序的场景中，人们可以选择在检测到 TMC 状态错误时停止系统，或者在电机到达特定位置后执行预编程操作。

例如，adi_tmcl/scripts/fake_cmd_pos.sh 是一个简单的脚本，它将使电机顺时针旋转，然后逆时针旋转，位置逐渐增加。执行图 9 中所示的命令。

图 9：测试 TMC ROS 驱动程序位置控制的命令

为了验证电机是否移动，图 10 显示了从 TMC(/tmc_info_0)读回的实际位置图表。

图 10：使用 RQT 绘制的电机实际位置(以度为单位)

执行自定义 TMC 命令

系统可以通过执行以下功能来访问和调整TMC参数：

· tmcl_custom_cmd (adi_tmcl/TmcCustomCmd) 获取/设置 TMC 轴参数 (AP) 和全局参数 (GP) 的值。

用户可以选择将此服务集成到他们的 ROS 系统中以满足特定的应用需求。此功能使用户能够直接从 ROS 驱动程序配置 TMC 板。例如，用户可以选择设置最大电流的轴参数，从而调整允许的绝对电流水平。但是，用户必须彻底了解他们通过此功能修改的参数，因为不正确的设置可能会导致 TMC ROS 驱动程序故障。因此，强烈建议通过 TMCL-IDE 执行任何配置。图 11 提供了调用此服务的示例，展示了指令类型为 208 的 DrvStatusFlags 的获取轴参数操作。

图11：通过RQT触发tmcl_custom_cmd服务

访问所有 AP 值

系统可以通过以下方式访问 TMC AP 的值：

· tmcl_gap (adi_tmcl/TmcGapGgpAll) 获取指定电机/轴的所有 TMC AP 的值。

用户可以将他们的 ROS 系统与此功能集成，以满足其特定应用的需求。例如，此服务可以捕获 TMC 板的当前设置和状态，包括编码器步骤、PI 调谐、换向模式等 AP。

图 12 显示了部分输出示例。通过分析此结果，用户可以确认一次性配置是否正确保存在板的 E2PROM中。

图 13 显示了执行该服务后获得的部分输出。该结果可让用户确认一次性配置是否已准确存储在电路板的 E2PROM中。

图12：通过RQT触发tmcl_gap_all服务

访问所有 GP 值

系统可以通过以下方式访问 TMC GP 的值：

· tmcl_ggp (adi_tmcl/TmcGapGgpAll) 获取所有 TMC GP 的值。

此功能可以检索 TMC 板的当前配置和状态。可以访问的一些 GP 包括 CAN 比特率、串行波特率和自动启动模式。

图13：通过RQT触发tmcl_ggp_all

多个 TMC 板设置

对于可能需要多个 TMC 板的大型系统(例如机械臂)，TMC ROS 驱动程序允许多个设备设置。

多个 CAN 通道中的多个 TMC 板

如图 14 所示，当用户每个 TMC 板都有一个 CAN-USB 时，会添加命名空间来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14：多个 CAN 通道中的多个 TMC 板的示例图

图 15：使用多个 CAN 通道运行多个 TMC ROS 驱动程序的代码片段

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，可以通过发布到/tmcm1/cmd_abspos来控制电机 A ，通过发布到/tmcm2/cmd_abspos来控制电机 B，通过发布到/tmcm3/cmd_abspos来控制电机C。

单个 CAN 通道中有多个 TMC 板

TMC ROS 驱动程序支持的另一种设置是单个 CAN 通道中的多个 TMC 板，如图 16 所示。与描述的对多个 TMC 板的支持非常相似，引入了命名空间来区分每个节点实例。保持所有板的comm_interface_name一致。调整comm_tx_id和comm_rx_id以确保与每个板准确通信。

图 17 显示了用于设置此用例的示例启动文件。在此示例中，可以通过发布到/tmcm1/cmd_abspos来控制电机 A ，通过发布到/tmcm2/cmd_abspos来控制电机 B，通过发布到 /tmcm3/ cmd_abspos来控制电机C。

轻松集成到 ROS 系统/应用程序

借助 ROS 提供的消息传递系统，大型系统可以轻松交换节点(例如驱动程序和算法)。TMC ROS 驱动程序的开发将这一优势扩展到 TMC 板，从而可以无缝集成到 ROS 系统/应用程序中。

图 16：单个 CAN 通道中多个 TMC 板的示例图

图 17：使用单个 CAN 通道运行多个 TMC ROS 驱动程序的代码片段

集成至 AGV/AMR

图 18 说明了navigation_node如何通过发送 geometry_msg/Twist 格式的 / cmd_vel来控制移动机器人。然后， motor_controller将通过geometry_msg/Twist 格式的/wheel_velocity发送反馈，以便navigation_node可以相应地重新校准。

图 18：AGV/AMR 的简化架构

通过了解navigation_node发布和订阅的位置，tmcl_ros_node可以轻松更改motor_controller(图 19)。与 TMC 信息检索功能类似，adi_tmcl 发布有关车轮速度的实时信息，wheel_velocity_node将车轮速度信息从 adi_tmcl/TmcInfo 转换为 geometry_msg/Twist。由于新架构及其集成的 TMC 板符合正确的数据格式，因此移动机器人有望以相同的方式工作。