實現機器人作業系統——ADI Trinamic馬達控制器ROS1驅動程式簡介

作者：ADI 軟體系統工程師Krizelle Paulene Apostol，資深軟體系統工程師Jamila Macagba及軟體系統設計工程經理Maggie Maralit

摘要

機器人作業系統(ROS)驅動程式是基於ADI產品而開發，因此可直接在ROS生態系統中使用這些產品。本文將概述如何在應用、產品和系統（例如，自主導航、安全氣泡地圖和資料採集機器人）中使用和整合這些驅動程式；以及如此將如何有助於迅速評估新技術，並避免出現與協力廠商產品的互通性問題。在本文探討的所有產品中，將重點關注最近發表用於ADI Trinamic™馬達控制器的ROS驅動程式，該驅動程式是用於嵌入式運動控制的完整板級模組，融合ADI Trinamic運動控制專業知識，以及ADI的類比技術和電源設計技能。¹

什麼是ROS？

ROS是機器人中介軟體，包含一組軟體庫和強大的開發工具（從驅動程式到先進演算法），可作為機器人系統或應用的開發基礎。ROS涉及多領域（例如，消費性電子、工業、汽車等），支援多個平台（Linux、Windows、MacOS和一些嵌入式平台），而且100%開源，並提供商業選項。得益於來自全球技術社群的專用資源，ROS可獲得豐富的支援，進而幫助用戶簡化其設計和應用。

技術工作原理

ROS始於2007年，已成為自駕車、工業機器人、飛行器等領域備受歡迎的機器人開發原型製作平台。經過不斷發展，該技術現在已經有兩個版本：ROS1和ROS2。

ROS1和ROS2系統必須相互隔離，但通過ROS橋，這兩個系統之間可進行通訊和交換資料。有關更多資訊，請瀏覽 ros2/ros1_bridge頁面。

表1. ROS1和ROS2的主要區別²
因素	ROS1	ROS2
通訊協議	XMLRPC + TCPROS	DDS
構建	ROS 主控制器 + 分散式	完全分散式
構建系統	Catkin (基於cmake)	colcon/ament (基於cmake)
構建輸出	ros_ws/devel	ros_ws/install
參數	全域參數伺服器動態重新配置	每節點參數
發佈	XML	Python (+XML、YAML 替代語言)
命令	roslaunch、rosrun、rostopic等	ros2 launch、 ros2 run、 ros2 topic等
平台	主要是ubuntu	Linux、MacOS、 Windows

ROS支援的平台

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更新發行版本。

如需獲取完整清單，請查看這些連結瞭解ROS1支援的平台和ROS2支援的平台。

ROS基本概念

圖1顯示了ROS的一些基本概念，包括功能包、節點、主題、服務和消息。

Figure 1. A ROS basic data flow. — 圖1. ROS基本資料流程。

注：對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程式或節點的主要組織系統。這是ROS中最核心的構建/發表項。創建ROS功能包時，請務必設定專用的ROS工作空間。該工作空間被稱為catkin工作空間，其中catkin是ROS的官方構建系統。

節點

ROS節點是在ROS中創建的可執行程式。它們是執行特定任務的進程。ROS節點可使用ROS用戶端庫（如Python用戶端庫rospy和C++ 用戶端庫roscpp）相互通訊。節點可以訂閱和/或發表主題，也可以提供或使用服務。³

主題

ROS主題是ROS節點生成（或者發表，以ROS術語而言）的資料通道。

在ROS中，發表者節點是主題的廣播者，而訂閱者節點是主題的收聽者。

在圖2中，generic_motor_control的節點是廣播者。/cmd_vel是velocity_ publisher發表的主題。這表示，velocity_publisher提供基於馬達控制（或命令速度）的速度資訊。

Figure 2. Publisher-subscriber. — 圖2. 發表者-訂閱者。

而ros_application的節點是收聽者，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、適用於不同感測器的格式。

以下是適用於ROS消息格式的示例感測器：

飛時測距(ToF)攝影機：sensor_msgs/Image、sensor_msgs/PointCloud
慣性測量單元(IMU)感測器：sensor_msgs/Imu
馬達控制：geometry_msgs/Twist
車輪編碼器：geometry_msgs/TwistStamped、 geometry_msgs/TwistWithCovarianceStampe

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

例如，在圖2中，來自velocity_publisher節點的速度資訊（命令速度）希望被velocity_subscriber節點存取/使用。如果主題發佈者velocity_publisher使用資料類型geometry_msgs/Twist，則主題訂閱者velocity_subscriber也應使用相同的資料類型。

服務

發表者-訂閱者通訊模式是開放式模式，不適用於分散式系統中通常需要的回復交互。⁴

服務支援節點透過發送請求和接收回應進行通訊。發表者-訂閱者通訊模式使用.srv檔，在這些檔中，指定了請求和回應的消息類型等服務描述。

服務是雙向同步通訊模式，其中包含用戶端和伺服器。伺服器節點提供服務，而用戶端節點發送請求並等待伺服器節點做出回應。

例如，在圖3中，server_node提供服務SetVelocity.srv以更改命令速度vel。該服務接受float32格式的速度值，並以字串格式返回狀態；如果設置了請求的速度，則為"success"；否則，為"FAIL"。

Figure 3. Sample use of service. — 圖3. 使用服務示例

client_node發送請求，將命令速度設定為2.5 mbps。server_node收到請求後，立即發送"success"回應。

將ADI解決方案整合到ROS生態系統中

ADI是ROS-Industrial聯盟的正式成員，ROS-Industrial是一個開源專案，旨在將ROS軟體的先進功能擴展到與工業相關的硬體與應用中。 ⁵作為該技術社群的一份子，ADI最初的目標是針對工業領域開發專用模組。

ADI針對不同的專用模組開發了ROS驅動程式。為了展示所開發的驅動程式並利用ROS的功能，ADI也開發了ADI自主移動機器人(ADAM)作為內部自主移動平台（參見圖4）。

ADAM：ADI自主移動機器人

ADAM由ROS提供支援，並搭載ROS支援的不同元件。該平台展示了ADI的ROS驅動程式如何整合到移動機器人應用中，特別是自主導航應用。

圖5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 感測器採用精密陀螺儀、加速度計、磁力計和壓力感測器的多軸組合，這些元件主要用作檢測回饋，用於改善位置/方向估算。
ADBMS6948是一款多單元電池監控器，可測量多達16個串聯連接的電芯，在整個溫度範圍內具有較高的測量精度。
EVAL-ADTF3175D-NXZ 或 CMOS ToF提供出色的高解析度，與深度運算和處理、鐳射驅動器、電源管理以及具有參考韌體/軟體的開發工具相輔相成，可帶來更多優勢。
ADI Trinamic馬達控制器是用於嵌入式運動控制的完整板級解決方案，融合ADI Trinamic運動控制專業知識，以及ADI的模擬工藝技術和電源設計技能。¹

Figure 5. A high level hardware diagram of the ADAM. — 圖5. ADAM硬體圖

圖6所示為ADAM的簡化ROS架構，該ADAM使用ROS驅動程式和自主導航所需的多個應用/演算法節點。IMU資料 (/imu/data_raw)和ADI Trinamic馬達控制器回饋 (/tmc_info) 用作姿態估算的輸入，從而得到機器人的里程測量結果 (/odom)。雷射雷達資料(/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節點將等待使用者發出任何目標姿態，並向ADI Trinamic馬達控制器發送速度指令 (/cmd_vel) ，使機器人能夠移動。

Figure 6. A high level ROS architecture of the ADAM’s navigation stack. — 圖6. ADAM導航堆疊的簡化ROS架構。

ADI Trinamic馬達控制器ROS驅動程式

ADI Trinamic馬達控制器(TMC)是用於嵌入式運動控制的完整板級解決方案，融合ADI Trinamic運動控制專業知識，以及ADI的類比技術和電源設計技能。¹支援單軸/多軸步進馬達、無刷直流馬達(BLDC)等各類馬達，可用介面包括 CAN、 EtherCAT^®、RS-232、RS-485 和USB，支援的協定涵蓋Trinamic運動控制語言(TMCL^™)、CANopen^®、 over EtherCAT (CoE)、 CANopen 或 Modbus。¹

名為 TMCL-IDE的IDE可協助用戶開發應用並對這些模組輕鬆重新編程。該IDE使用TMCL實現獨立操作，或使用標準化 CANopen^®協議，允許使用者設定參數、即時針對資料進行視覺化處理，並開發/調試獨立應用。

由於TMC使新型智慧執行器成為可能，並且隨著ROS而日益普及，尤其是在機器人領域中，我們針對這些模組開發了額外的支援，如ROS驅動程式，進而進一步擴展製造業和工業自動化的用例。具體來說，預計這些ROS驅動程式將能夠：

控制馬達的速度、位置或扭矩
監控馬達控制器和馬達資訊

TMC ROS驅動程式與TMCL-IDE提供的功能相似，但其能夠讓支援ROS的系統節點輕鬆使用這些TMC，無需安裝任何其他驅動程式。截至本文發表之時，該驅動程式僅支援CAN介面（特別是SocketCAN），其他介面正在開發中，很快也將提供支援。

此處列出了目前支援的ADI Trinamic馬達控制器模組(TMCM)。

軟體架構

圖7所示為adi_tmcl的簡化軟體架構。

Figure 7. A high level software architecture of adi_tmcl. — 圖7. adi_tmcl的簡化軟體架構。

如圖7所示，由於adi_tmcl使用大多數Linux系統預設支援的SocketCAN 驅動程式，所以不需要任何額外的驅動程式。此外，adi_tmcl具有自己的TMCL協議解析器，因而能夠理解用戶請求的符合TMCL的發送/接收指令。作為最後一層，tmcl_ros_node以發表者、訂閱者和服務的形式在ROS系統上提供直接介面。每種形式均提供特定的功能，這些功能可使用以下部分詳細介紹的一組參數進行配置。