[ROS 系列学习教程] 建模与仿真

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ROS 系列学习教程(总目录)

本文目录

一、ros_control 架构
- 1.1 hardware_interface
- 1.2 combined_robot_hw
- 1.3 controller_interface
- 1.4 controller_manager
- 1.5 controller_manager_msgs
- 1.6 joint_limits_interface
- 1.7 transmission_interface
- 1.8 realtime_tools
二、ros_controllers
- 2.1 控制器列表
- 2.2 配置控制器
三、命令行工具
- 3.1 controller_manager
- 3.2 spawner
- 3.3 unspawner
- 3.4 controller_group （melodic 新增）
四、加载配置并管理控制器
五、ROS API
- 5.1 controller_manager/load_controller
- 5.2 controller_manager/unload_controller
- 5.3 controller_manager/switch_controller
- 5.4 controller_manager/list_controllers
- 5.5 controller_manager/list_controller_types
- 5.6 controller_manager/reload_controller_libraries

ros_control 是一个 ROS 功能包，是一个通用的机器人控制框架，用于实现机器人硬件接口、控制器管理和控制器接口。它提供了一套用于控制各种类型机器人（如移动机器人、机械臂等）的工具和接口。ros_control 的设计目的是为开发者提供一个灵活且可扩展的框架，使得控制算法能够独立于具体的硬件平台运行，并且可以轻松地在不同的机器人之间移植。

一、ros_control 架构

ros_control 架构图如下：
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ros_control 由以下几个主要组件组成：

hardware_interface：硬件底层接口
combined_robot_hw：硬件包
controller_interface：controller接口
controller_manager：controller管理器
controller_manager_msgs：controller管理器的消息类型
joint_limits_interface：joints限制接口
transmission_interface：传动接口
realtime_tools：实时控制工具

1.1 hardware_interface

hardware_interface 提供了一套硬件抽象接口，使得控制器可以独立于具体的硬件实现。

1.2 combined_robot_hw

combined_robot_hw 由 CombinedRobotHW 类实现，CombinedRobotHW 是一个硬件抽象类，允许将多个硬件接口组合在一起，从而让多个独立的硬件模块作为一个整体被控制器管理器控制。

1.3 controller_interface

controller_interface 提供了定义控制器的基础接口，用于实现具体的控制器。控制器需要继承 controller_interface::Controller 类，并实现控制逻辑。

1.4 controller_manager

controller_manager 负责管理控制器的生命周期，包括加载、启动、停止和卸载控制器。它提供了服务和话题接口，用于与控制器进行交互。

1.5 controller_manager_msgs

controller_manager_msgs 包含了与控制器管理器交互的消息类型和服务类型，例如加载、启动和停止控制器。

1.6 joint_limits_interface

joint_limits_interface 提供了一套接口，用于管理关节的限制条件（例如位置、速度、加速度和力矩限制），以确保关节在安全范围内运行。

1.7 transmission_interface

transmission_interface 提供了传动装置的抽象接口，用于处理关节和电机之间的传动关系。它定义了传动装置的结构和方法，以便在控制器中正确处理关节和电机的转换。

1.8 realtime_tools

realtime_tools 提供了一些实用工具，用于实现实时控制，包括实时缓冲区和周期性任务管理。

二、ros_controllers

ros_controllers 也是一个 ROS 功能包，提供了一组预定义的控制器，这些控制器已经为各种常见的机器人控制任务进行了优化和实现，可以用于控制不同类型的机器人，如移动机器人、机械臂和其他多关节系统。

2.1 控制器列表

目前主要包含以下控制器：

joint_state_controller
- JointStateController：从硬件接口获取关节状态，并将这些状态信息发布到 /joint_states 话题
joint_trajectory_controller
- JointTrajectoryController：接收轨迹信息（即一系列期望的关节位置、速度和加速度），并控制机器人的关节按照这些轨迹运动。该控制器适用于需要精确轨迹跟踪的任务，如路径规划和任务执行。
gripper_action_controller
- GripperActionController：控制机械手夹具的开闭位置
diff_drive_controller
- DiffDriveController：控制差速驱动的机器人
effort_controllers
- JointEffortController：控制单个关节的力/力矩。通过设定期望的力/力矩，使关节达到所需状态。
- JointPositionController：控制单个关节的位置，通过力/力矩控制算法使关节达到设定的位置。
- JointVelocityController：控制单个关节的速度，通过力/力矩控制算法使关节达到设定的速度。
- JointGroupEffortController：控制一组关节的力/力矩。通过设定多个关节的力/力矩，使它们达到所需状态。
- JointGroupPositionController：控制一组关节的位置，通过力/力矩控制算法使这些关节达到设定的位置。
velocity_controllers
- JointVelocityController：用于控制机器人单个关节的速度
- JointPositionController：通过PID控制速度以达到设置的位置
- JointGroupVelocityController：用于控制机器人多个关节的速度
position_controllers
- JointPositionController：直接控制单个关节的位置
- JointGroupPositionController：直接控制一组关节的位置
imu_sensor_controller
- IMUSensorController：发布 IMU 传感器的数据
force_torque_sensor_controller
- ForceTorqueSensorController：发布力矩传感器的数据
forward_command_controller
- ForwardCommandController：用于将单个关节的命令直接传递到硬件接口
- ForwardJointGroupCommandController：用于将一组关节的命令直接传递到硬件接口
ackermann_steering_controller
- AckermannSteeringController：接收线速度和转向角度指令，然后根据 Ackermann 转向几何原理计算并控制各个车轮的转向角和速度，使车辆能够按照预定轨迹运动
four_wheel_steering_controller
- FourWheelSteeringController：接收线速度和转向角度指令，然后根据四轮转向几何原理计算并控制各个车轮的转向角和速度，使车辆能够按照预定轨迹运动

2.2 配置控制器

通过将参数加载到ROS参数服务器来配置控制器，一般先将配置写入 yaml 文件，再通过文件加载到ROS参数服务器，然后 ros_control 会解析特定参数。控制器配置示例如下：

my_robot:
	joint_state_controller:
       type: joint_state_controller/JointStateController
       publish_rate: 50

    position_trajectory_controller:
       type: position_controllers/JointTrajectoryController
       joints:
          - joint1
          - joint2
       constraints:
          goal_time: 5.0
          joint1:
              trajectory: 0.60
              goal:       0.15
          joint2:
              trajectory: 0.60
              goal:       0.15

不同控制器的参数不同，详见 http://wiki.ros.org/ros_controllers

三、命令行工具

3.1 controller_manager

管理控制器生命周期：

rosrun controller_manager controller_manager <command> <name1> <name2> ...

其中，<command> 可选如下：

load：加载控制器（构造和初始化）
unload：卸载控制器（析构）
start：启动控制器
stop：停止控制器
spawn：加载并启动控制器
kill：停止并卸载控制器

<name1> <name2> 为控制器的名称。

获取控制器的状态：

rosrun controller_manager controller_manager <command>

其中，<command> 可选如下：

list：按执行顺序列出所有控制器，并给出每个控制器的状态
list-types：列出控制器管理器知道的所有控制器类型。如果控制器不在此列表中，将无法生成。
reload-libraries：重新加载所有可用作插件的控制器库。当新开发控制器并想要测试新的控制器代码时，这很方便，而无需每次都重新启动机器人。这不会重新启动之前运行的控制器。
reload-libraries --restore：重新加载所有可用作插件的控制器库，并将所有控制器恢复到其原始状态。

3.2 spawner

自动加载并启动一组控制器，并自动停止并卸载相同的控制器：

rosrun controller_manager spawner [--stopped] <name1> <name2> ...

当运行 spawner 时，列出的控制器将被加载并启动，如果加上 --stopped 参数，控制器只会被加载不会被启动。在控制器启动时，spawner 将继续运行，当终止 spawner（如：ctrl-c）时，它将自动停止并卸载它最初启动的所有控制器。

3.3 unspawner

停止控制器，但不卸载

rosrun controller_manager unspawner <name1> <name2> ...

3.4 controller_group （melodic 新增）

controller_manager 允许开发人员在运行时切换控制器，但是当出于某些特殊目的想要从一组控制器切换到另一组控制器时，它就不那么方便了。如果在 ROS 参数 controller_groups 中定义了这样的组，controller_group 脚本就可以让这变得简单。它知道所有涉及的控制器，然后知道在从一个组切换到另一个组时需要停止和启动的控制器。因此，不同的组可以共享一些控制器。

控制器分组配置，和控制器配置一样要先加载到ROS参数服务器：

controller_groups:
  production:
    - prod_controller_1
    - prod_controller_2
  development:
    - devel_controller_1
    - devel_controller_2
    - shared_controller_3
  diagnostics:
    - diag_controller_1
    - diag_controller_2
    - shared_controller_3

运行 controller_group ：

rosrun controller_manager controller_group <command> <args>

其中，<command> 可选如下：

list ：列出在 controller_groups 参数中找到的所有组定义
spawn <group> ：加载并启动名为 <group> 的组中包含的所有控制器。这通常在 ROS 启动文件中使用
switch <group> ：切换到名为 <group> 的组。这将停止那些在其他组中定义但未在本组中运行的控制器，并启动本组中定义的未运行的控制器。

四、加载配置并管理控制器

启动控制器时要注意，运行 controller_manager 来从启动文件中启动控制器时，即使启动文件被删除，控制器也会继续运行。建议使用 spawner 工具从启动文件中自动加载、启动、停止和卸载控制器，当启动 spawner 时，将加载并启动控制器。当停止 spawner 时（启动文件被删除或停止运行），将停止并卸载控制器。

<launch>
   <!-- 加载配置文件 --> 
	<rosparam file="$(find rrbot_control)/config/rrbot_control.yaml" command="load"/>

    <!-- 启动控制器 -->
 	<node name="controller_spawner" pkg="controller_manager" type="spawner" respawn="false" output="screen" ns="/my_robot" args="joint_state_controller position_trajectory_controller"/>
</launch>

图形化管理控制器：

rqt_controller_manager是一个 rqt 插件，允许以图形方式加载、卸载、启动和停止控制器，以及显示有关已加载控制器的信息。

它可以从 rqt 的插件菜单启动，或者作为独立可执行文件启动：

rosrun rqt_controller_manager rqt_controller_manager

五、ROS API

为了与其他 ROS 节点的控制器交互，控制器管理器提供了五个服务供调用：

5.1 controller_manager/load_controller

加载指定控制器

消息体：controller_manager_msgs/LoadController

5.2 controller_manager/unload_controller

卸载控制器，控制器仅在停止状态下才可卸载。

消息体：controller_manager_msgs/UnloadController

5.3 controller_manager/switch_controller

启动/停止控制器

消息体：controller_manager_msgs/SwitchController

5.4 controller_manager/list_controllers

获取当前已加载的所有控制器

消息体：controller_manager_msgs/ListControllers

5.5 controller_manager/list_controller_types

获取已知的所有控制器类型

消息体：controller_manager_msgs/ListControllerTypes

5.6 controller_manager/reload_controller_libraries

重新加载所有可用作插件的控制器库

消息体：controller_manager_msgs/ReloadControllerLibraries