ROS2 Control分析讲解

ROS2 Control

前言

ros2_control是一个使用（ROS 2）进行机器人（实时）控制的框架。它的软件包重写了 ROS （机器人操作系统）中使用的ros_control软件包。ros2_control的目标是简化新硬件的集成并克服一些缺点。¹

简述

组成

ros2_control框架由以下Github仓库组成：

• ros2_control - 框架的主要接口和组件
• ros2_controllers - 广泛使用的控制器，例如前向命令控制器、关节轨迹控制器、差动驱动控制器
• control_toolbox - 控制器使用的一些广泛使用的控制理论实现（例如PID）
• realtime_tools - 用于实时支持的通用工具包，例如，实时缓冲区和发布器
• control_msgs - 常用消息接口

此外，还有以下（未发布）与入门和项目管理相关的软件包：

• ros2_control_demos - 用于平滑启动的常见用例的示例实现
• roadmap - 项目的规划和设计文档

安装

二进制安装：

sudo apt-get install
ros-$ROS_DISTRO-ros2-control \
ros-$ROS_DISTRO-ros2-controllers \
ros-$ROS_DISTRO-controller-manager

源码编译安装：

mkdir -p ~/ros2_ws/src
mkdir -p ~/ros2_ws/deps
cd ~/ros2_ws/src
git clone https://github.com/ros-controls/ros2_controllers.git -b $ROS_DISTRO
cd ~/ros2_ws
vcs import deps < ros2_controllers.$ROS_DISTRO.reposcolcon build

框架

ros2_control框架的源代码可以在ros2_control和ros2_controllers GitHub存储库中找到。下图显示了ros2_control框架的架构。

Controller Manager

Controller Manager (CM) 连接控制器和ros2_control框架的硬件抽象端。它也是用户通过ROS服务的入口点。CM实现了一个没有执行器的节点，以便可以将其集成到自定义设置中。但是，通常建议使用 controller_manager 包中的ros2_control_node文件中实现的默认节点设置。

一方面，CM管理（例如加载、激活、停用、卸载）控制器及其所需的接口。另一方面，它可以（通过资源管理器）访问硬件组件，即它们的接口。控制器管理器匹配所需接口和提供的接口，在启用时授予控制器对硬件的访问权限，或者在存在访问冲突时报告错误。

控制循环的执行由CM的 update() 方法管理。它从硬件组件读取数据，更新所有活动控制器的输出，并将结果写入组件。

Resource Manager

Resource Manager (RM)为ros2_control框架抽象物理硬件及其驱动程序（称为硬件组件）。RM使用 pluginlib 库加载组件，管理它们的生命周期以及组件的状态和命令接口。由RM提供的抽象允许重用实现的硬件组件，例如，机器人和夹具，没有任何实现，以及用于状态和命令接口的灵活硬件应用，例如，用于电机控制和编码器阅读的单独硬件/通信库。

在控制循环执行中，RM的 read() 和 write() 方法处理与硬件组件的通信。

Controllers

ros2_control框架中的控制器基于控制理论。它们将参考值与测量输出进行比较，并根据此误差计算系统的输入。控制器是从ControllerInterface（ros2_control中的 controller_interface 包）派生的对象，并使用 pluginlib -library导出为插件。有关控制器的示例，请查看ros2_controllers存储库中的ForwardCommandController实现。控制器的生命周期基于LifecycleNode类，它实现了LifecycleNode设计文档中描述的状态机机制。

User Interfaces

用户使用Controller Manager的服务与ros2_control框架进行交互。有关服务及其定义的列表，请查看 controller_manager_msgs 包中的 srv 文件夹。

虽然服务调用可以直接从命令行或通过节点使用，但存在与 ros2 cli 集成的用户友好的 Command Line Interface （CLI）。它支持自动完成，并提供一系列常用命令。基本命令是 ros2 control 。有关CLI功能的描述，请参阅Command Line Interface (CLI) documentation.。

Hardware Components

硬件组件实现与物理硬件的通信，并在ros2_control框架中表示其抽象。组件必须使用 pluginlib-library导出为插件。资源管理器动态加载这些插件并管理它们的生命周期。

有三种基本类型的组件：

System

复杂（多自由度）机器人硬件，如工业机器人。致动器组件之间的主要区别是可以使用复杂的传输，如人形机器人的手所需。此组件具有阅读和写入功能。当只有一个到硬件的逻辑通信信道时使用它（例如，KUKA-RSI）。

Sensor

机器人硬件用于感知其环境。传感器部件与关节（例如，编码器）或链路（例如，力-扭矩传感器）。此组件类型仅具有阅读功能。

Actuator

简单的（1自由度）机器人硬件，如电机，阀门等。执行器的实现仅与一个关节相关。此组件类型具有阅读和写功能。阅读如果不可能，则不是强制性的（例如，直流电机控制与Arduino板）。致动器类型也可以用于多自由度机器人，如果其硬件允许模块化设计，例如，与每个电机独立进行CAN通信。

URDF中的硬件描述

ros2_control框架在机器人的URDF文件中使用 <ros2_control> -标签来描述其组件，即，硬件设置。选择的结构允许将多个 xacro -宏一起跟踪到一个宏中而不进行任何更改。下面的示例显示了具有2-DOF（RRBot）、外部1-DOF力-扭矩传感器和外部控制的1-DOF并联夹持器作为其末端执行器的位置控制机器人。有关更多示例和详细说明，请查看ros2_control_demos site 与ROS 2 Control Components URDF Examples design document设计文档。

<ros2_control name="RRBotSystemPositionOnly" type="system"><hardware><plugin>ros2_control_demo_hardware/RRBotSystemPositionOnlyHardware</plugin><param name="example_param_write_for_sec">2</param><param name="example_param_read_for_sec">2</param></hardware><joint name="joint1"><command_interface name="position"><param name="min">-1</param><param name="max">1</param></command_interface><state_interface name="position"/></joint><joint name="joint2"><command_interface name="position"><param name="min">-1</param><param name="max">1</param></command_interface><state_interface name="position"/></joint>
</ros2_control>
<ros2_control name="RRBotForceTorqueSensor1D" type="sensor"><hardware><plugin>ros2_control_demo_hardware/ForceTorqueSensor1DHardware</plugin><param name="example_param_read_for_sec">0.43</param></hardware><sensor name="tcp_fts_sensor"><state_interface name="force"/><param name="frame_id">rrbot_tcp</param><param name="min_force">-100</param><param name="max_force">100</param></sensor>
</ros2_control>
<ros2_control name="RRBotGripper" type="actuator"><hardware><plugin>ros2_control_demo_hardware/PositionActuatorHardware</plugin><param name="example_param_write_for_sec">1.23</param><param name="example_param_read_for_sec">3</param></hardware><joint name="gripper_joint "><command_interface name="position"><param name="min">0</param><param name="max">50</param></command_interface><state_interface name="position"/><state_interface name="velocity"/></joint>
</ros2_control>

机器人运行框架

要运行ros2_control框架，请执行以下操作。示例文件可以在ros2_control_demos 仓库中找到。

1. 使用控制器管理器和两个控制器的配置创建一个YAML文件。(Example configuration for RRBot)
2. 使用所需的 <ros2_control> 标签扩展机器人的URDF描述。建议使用宏文件（xacro）而不是纯URDF。(Example URDF for RRBot)
3. 创建一个启动文件以使用控制器管理器启动节点。您可以使用默认的ros2_control节点（推荐）或将控制器管理器集成到软件堆栈中。(Example launch file for RRBot)

总结

本文对于ros2_control做了总体的介绍，后续会做一个真实机器人controller driver的实现，用于针对不同的硬件做控制驱动。

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1. Ros2 control Getting Started ros.org ↩︎