ROS基础系列(七)：机器人的建模与仿真（中）

大大源码 • 2023年3月12日 am12:25 • 其他

第七章建模与仿真分为上、中、下三节。

上节讲解机器人相关建模语言URDF和xacro，并用丰富的案例做实践
中节讲解控制器，重点是ros_control
下节主要介绍gazebo，讲解机器人如何在仿真环境中的运动
第七章：机器人的建模与仿真（中）

一、ROS_Control

针对不同机器人，ros_control提供多种类型控制器。控制器接口不相同，所以ros_control提供一个硬件抽象层，专门管理机器人硬件资源。control从抽象层请求资源，并不直接与硬件打交道。

1. 概念

在这里插入图片描述

Controller Manager

提供通用接口来管理不同的控制器。

Controller

使用控制器(比如PID)完成对每个关节的控制。他读取硬件资源接口中的真实状态，再发布控制命令。形成闭环控制。

RobotHW
机器人硬件抽象，通过读写方法直接与机器人硬件打交道。

Real robot

真实机器人上的嵌入式控制器，将接受到的命令传递到执行器。同时机器人身体上的传感器(编码器)将机器人当前状态传递回RobotHW

2. 控制器

在这里插入图片描述

目前功能包提供的控制器包括：

effort_controllers: 控制关节的力或者力矩
- joint_effort_controller：输入为力，输出为力
- joint_position_controller：输入为位置，输出为力（PID）
- joint_velocity_controller：输入为速度，输出为力（PID）
joint_state_controller: 发布所有注册在RobotHW上的硬件关节状态. 数据格式如下图
position_controllers: 一次性设置一到多个关节位置
- joint_position_controller
- joint_group_position_controller
velocity_controllers: 一次性设置一到多个关节的速度
- joint_velocity_controller
- joint_group_velocity_controller
joint_trajectory_controllers：控制整条轨迹
- position_controller
- velocity_controller
- effort_controller
- position_velocity_controller
- position_velocity_acceleration_controller

上述官方提供的控制器不合你意的话，可以自己通过Control manager实现自己的控制器。

3. 硬件接口

在这里插入图片描述

以上说的控制器，在收发命令的时候，需要用到与之对应的硬件接口。通过硬件接口来与RobotHW打交道。官方提供的接口有如下几种，具体就不再细说，🔗。
在这里插入图片描述

4. 传动装置

在这里插入图片描述

将对关节的指令转换为控制信号，实现具体的控制。

我们在撰写urdf的时候，每个不是fixed的关节，都需要指定对应的传动系统。

<transmission name="simple_trans">
  <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
  <joint name="foo_joint">
    <hardwareInterface>EffortJointInterface</hardwareInterface>
  </joint>
  <actuator name="foo_motor">
    <mechanicalReduction>50</mechanicalReduction>
    <hardwareInterface>EffortJointInterface</hardwareInterface>
  </actuator>
</transmission>

5. 关节限制

在这里插入图片描述对各个关节进行各种限制：位置速度，力，加速度，jerk等等

不止有硬约束，还有各种软约束：比如位置范围，速度范围。

加载的时候有两种途径：

第一：通过urdf文件的<limit>标签
第二：写成yaml文件，直接用参数服务器load进来

6. controller manager

在这里插入图片描述
可以实现控制器的加载，运行，卸载等操作。就是用来管理上面提到的一大堆控制器。

在这里插入图片描述

我们在实现的时候，不需要跟每个控制器打交道。直接在manager上指定load对象即可。这大大方便我们的使用。

最常见的启动方法，就是集成在launch文件中，作为node节点来启动，指定arg参数即可将想要传入的控制器load进来。

举例：


 <launch>
   <node pkg="controller_manager"
         type="spawner"
         args="controller_name1 controller_name2" />
 </launch>

在第七章下篇中，我们还有更多丰富的案例。

二、ArbotiX差分控制器

在一些简单场景，我们通常使用rviz + ArbotiX构建运动仿真器，使用rviz作为仿真场景就够用了。

本小节我们来实现依赖ArbotiX的机器人仿真。

注意

这个仿真只是模拟了机器人的base_link 相对于odom的tf变换，并没有实际控制轮子转动。

1. 安装

sudo apt-get install ros-melodic-arbotix

笔者的ros系统为melodic，各位看官根据自己环境安装对应功能包。
在这里插入图片描述
安装成功后如上图所示，五个相关功能包会被安装。

2. 关键功能包

arbotix_python是关键功能包，提供与ros相关的接口。功能包中的节点arbotix_driver做详细解释。（笔者的ros系统为melodic）

对diff_controller控制器类型：

节点订阅：

/cmd_vel (geometry_msgs/Twist)
move_base发布的速度指令

节点发布：

/odom (nav_msgs/Odometry)
navigation stack 需要的TF坐标变换：odom → base_link，可以用来说明当前坐标位置。

节点参数配置：

参数比较多，通常使用yaml文件直接对节点进行配置，然后用launch文件批量load。

常见的配置参数如下

port: /dev/ttyUSB0
baud: 115200
rate: 20
sync_write: True
sync_read: True
read_rate: 20
write_rate: 20

controllers: {
   #  Pololu motors: 1856 cpr = 0.3888105m travel = 4773 ticks per meter (empirical: 4100)
   base_controller: {type: diff_controller, base_frame_id: base_footprint, base_width: 0.26, ticks_meter: 4100, Kp: 12, Kd: 12, Ki: 0, Ko: 50, accel_limit: 1.0 }
}

前面端口收发等参数是面对真实控制器而言，如果是仿真环境，直接配置参数 sim = true 即可

关键参数controllers解释：

控制器名称：base_constoller
控制类型：diff_controller差速控制器，对应差速运动的双轮机器人
参考坐标系：base_footprint(根据自己情况更改)
编码器编码次数/m： ticks_meter
机器人底盘宽度：base_width
pid 以及加速度限制

节点launch文件：

<launch>
  <node name="arbotix" pkg="arbotix_python" type="arbotix_driver" output="screen">
    <rosparam file="$(find your_package)/default.yaml" command="load" />
    <param name="sim" value="true"/>
  </node>
</launch>