ros2_control 使用教程（一）（上）

系列文章目录

前言

0.1 欢迎阅读 ros2_control 文档！

       ros2_control 是一个使用（ROS 2）对机器人进行（实时）控制的框架。其软件包是对 ROS（机器人操作系统）中使用的 ros_control 软件包的重写。ros2_control 的目标是简化新硬件的集成并克服一些缺点。

       如果您不熟悉控制理论，请先了解一些相关知识（如维基百科），以便熟悉本手册中使用的术语。

0.2 ros2_control 资源库

       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，如正向指令控制器、联合轨迹控制器、差分驱动控制器；
• control_toolbox - 控制器使用的一些广泛使用的控制理论实现（如 PID）；
• realtime_tools - 实时支持的通用工具包，如实时缓冲器和发布器；
• control_msgs - 常用消息；
• kinematics_interface - 用于使用 C++ 运动学框架；

       此外，还有以下（未发布的）软件包与启动和项目管理有关：

• ros2_control_demos - 常见用例的示例实现，以便顺利启动；
• roadmap - 项目规划和设计文档。

0.3 开发组织和交流

0.3.1 问题

       请使用机器人堆栈交换（Robotics Stack Exchange），并将您的问题标记为 ros2_control。

0.3.2 工作组会议

       每隔一周的周三都会召开工作组会议。要参加会议，请查看 ROS Discourse 上的公告。您可以通过谷歌群组或直接在谷歌会议上参加会议（查看公告）。要提出新的讨论点，或查看以前会议的记录，请查看此文档。

0.3.3 项目

       ros-control 组织下的 GitHub 项目用于跟踪工作。

0.3.4 错误报告和功能请求

       使用相应版本库中的问题跟踪器。提供问题的简短摘要 确保提供一份最基本的步骤列表，以便重现您发现的问题 提供操作系统、ROS 发行版等相关信息。

0.3.5 一般讨论

       请使用 ROS Discourse。

一、开始使用

1.1 安装

1.1.1 二进制包

       ros2_control 框架是为 ROS 2 滚动而发布的。要使用它，必须安装 ros-rolling-ros2-control 和 ros-rolling-ros2-controllers 软件包。

1.1.2 从源代码构建

       滚动分支与 Humble 和 Iron ROS 发行版兼容。你可以在本页面的 Humble 和 Iron 版本中找到更多关于兼容性的信息。

       如果你想从源代码安装框架，例如为框架做贡献，请使用以下命令：

• 下载所有软件源

mkdir -p ~/ros2_ws/src
cd ~/ros2_ws/
wget https://raw.githubusercontent.com/ros-controls/ros2_control_ci/master/ros_controls.$ROS_DISTRO.repos
vcs import src < ros_controls.$ROS_DISTRO.repos

• 安装依赖项：

rosdep update --rosdistro=$ROS_DISTRO
sudo apt-get update
rosdep install --from-paths src --ignore-src -r -y

• 构建一切，例如：

. /opt/ros/${ROS_DISTRO}/setup.sh
colcon build --symlink-install

• 不要忘记从安装文件夹中获取 setup.bash 源文件！
  

1.2 架构

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

       下面的 UML 类图描述了 ros2_control 框架的内部实现。

1.2.1 控制器管理器

       控制器管理器（CM）连接着 ros2_control 框架的控制器和硬件抽象。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，因此可以集成到自定义设置中。不过，通常建议使用 controller_manager 软件包中 ros2_control_node 文件实现的默认节点设置。本手册假定您使用该默认节点设置。

       一方面，CM 管理（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。控制器管理器会匹配所需的接口和提供的接口，在启用时允许控制器访问硬件，如果存在访问冲突，则会报错。

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

1.2.2 资源管理器

       资源管理器（RM）为 ros2_control 框架抽象了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，管理其生命周期、组件状态和命令接口。RM 提供的抽象功能允许重用已实施的硬件组件，如机器人和抓手，而无需任何实施，并可灵活应用硬件来实现状态和命令接口，如用于电机控制和编码器读取的独立硬件/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。

1.2.3 控制器

       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，并根据这一误差计算系统的输入。控制器是从 ControllerInterface（ros2_control 中的 controller_interface 包）派生出来的对象，并使用 pluginlib-library 作为插件导出。有关控制器的示例，请查看 ros2_controllers 软件库中的 ForwardCommandController 实现。控制器的生命周期基于 LifecycleNode 类，该类实现了节点生命周期设计文档中描述的状态机。

       执行控制循环时，会调用 update() 方法。该方法可访问最新的硬件状态，并使控制器能够写入硬件命令接口。

1.2.4 用户接口

       用户使用控制器管理器的服务与 ros2_control 框架交互。有关服务及其定义的列表，请查看 controller_manager_msgs 软件包中的 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，但还有一个与 ros2 cli 集成的用户友好型命令行界面（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 功能的说明，请参阅命令行界面 (CLI) 文档。

1.3 硬件组件

       硬件组件实现了与物理硬件的通信，并在 ros2_control 框架中代表了物理硬件的抽象。这些组件必须使用 pluginlib-library 作为插件导出。资源管理器动态加载这些插件并管理其生命周期。

       组件有三种基本类型：

系统

       复杂（多自由度）机器人硬件，如工业机器人。执行器组件的主要区别在于可以使用复杂的传动装置，如人形机器人手部所需的传动装置。该组件具有读写功能。当硬件（如 KUKA-RSI）只有一个逻辑通信通道时，就需要使用该组件。

传感器

       机器人硬件用于感知周围环境。传感器组件与关节（如编码器）或链接（如力矩传感器）相关。该组件类型仅具有读取功能。

执行器

       简单（1 DOF）的机器人硬件，如电机、阀门等。执行器只与一个关节相关。该组件类型具有读写功能。如果读取功能不可行（例如使用 Arduino 电路板控制直流电机），则读取功能不是必须的。如果硬件可以进行模块化设计，例如可以与每个电机进行独立的 CAN 通信，那么这种类型的执行器也可以用于多自由度机器人。

       有关硬件组件的详细说明，请参阅 "通过控制器进行硬件访问 "设计文档。

1.3.1 URDF 中的硬件描述

       ros2_control 框架使用机器人 URDF 文件中的  标记来描述其组件，即硬件设置。所选结构可将多个 xacro 宏合并为一个宏，而无需进行任何更改。下面的示例展示了一个具有 2-DOF 的位置控制机器人（RRBot）、一个外部 1-DOF 力矩传感器和一个外部控制的 1-DOF 平行抓手作为其末端执行器。更多示例和详细说明，请查阅 ros2_control_demos 网站和 ROS 2 Control Components URDF Examples 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>

1.3.2 为机器人运行框架

       要运行 ros2_control 框架，请执行以下操作。示例文件可在 ros2_control_demos 资源库中找到。

1. 创建一个 YAML 文件，其中包含控制器管理器和两个控制器的配置。(RRBot 的配置示例）
2. 用所需的  标记扩展机器人的 URDF 描述。建议使用宏文件 (xacro) 代替纯 URDF。(RRBot URDF 示例）
3. 创建一个启动文件，以便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），也可以在软件栈中集成控制器管理器。(RRBot 的启动文件示例）

       注意：您也可以使用我们的维护者提供的脚本来创建 "hardware_interface "软件包的骨架。

二、ros_control

2.1 应用程序接口文档

       API 文档由 doxygen 解析，可在此处找到

2.2 概念

2.2.1 控制器管理器

       控制器管理器是 ros2_control 框架的主要组件。它管理控制器的生命周期、访问硬件接口，并为 ROS-world 提供服务。

2.2.1.1 确定性

       为了在控制硬件时获得最佳性能，我们希望控制器管理器在主控制环路中的抖动越小越好。

       控制器管理器的主线程会尝试配置优先级为 50 的 SCHED_FIFO，这与安装的内核无关。默认情况下，用户无权设置如此高的优先级。要赋予用户此类权限，请添加一个名为 realtime 的组，并将控制机器人的用户添加到该组中：

sudo addgroup realtime
sudo usermod -a -G realtime $(whoami)

       然后，在 /etc/security/limits.conf 中为实时组添加以下限制：

@realtime soft rtprio 99
@realtime soft priority 99
@realtime soft memlock 102400
@realtime hard rtprio 99
@realtime hard priority 99
@realtime hard memlock 102400

       注销并重新登录后，限制将被应用。

       普通 Linux 内核针对计算吞吐量进行了优化，因此不太适合硬件控制。标准内核的替代方案包括

• Ubuntu 22.04 LTS 测试版上的实时内核
• Debian Bullseye 上的 linux-image-rt-amd64
• 任何 Ubuntu 上的 lowlatency 内核（sudo apt install linux-lowlatency）。

       虽然安装实时内核肯定能获得最佳的低抖动效果，但使用低延迟内核也能改善很多，而且安装非常简单。

2.2.1.2 订阅者

~/robot_description [std_msgs::msg::String] (机器人描述)

       带有 URDF xml 的字符串，例如来自 robot_state_publisher。目前还不支持重新加载 URDF。 标记中定义的所有关节都必须存在于 URDF 中。

2.2.1.3 参数

hardware_components_initial_state （硬件组件初始状态）

       用于硬件组件受控生命周期管理的参数图。组件名称定义为机器人描述（robot_description）中  标签的属性。在机器人描述中找到的硬件组件，如果没有明确的状态定义，将立即被激活。各参数的详细说明如下。下面的示例给出了地图的完整结构：

hardware_components_initial_state:
  unconfigured:
    - "arm1"
    - "arm2"
  inactive:
    - "base3"

hardware_components_initial_state.unconfigured （可选；list；默认为空）

       定义控制器管理器启动时，哪些硬件组件只能立即加载。

hardware_components_initial_state.inactive （可选；list；默认值：空）

       定义哪些硬件组件将在控制器管理器启动时立即配置。

update_rate （必选项；整数）

       控制器管理器实时更新循环的频率。该循环从硬件读取状态、更新控制器并向硬件写入命令。

.type

       使用 pluginlib 导出的控制器插件名称。这是一个类，从中创建名称为 "controller_name "的控制器实例。

2.2.1.3.1 处理多个控制器管理器

       在处理多个控制器管理器时，您有两种选择来管理不同的机器人描述：

1. 使用命名空间： 您可以将 robot_state_publisher 节点和 controller_manager 节点放在同一个命名空间中。

control_node = Node(
    package="controller_manager",
    executable="ros2_control_node",
    parameters=[robot_controllers],
    output="both",
    namespace="rrbot",
)
robot_state_pub_node = Node(
    package="robot_state_publisher",
    executable="robot_state_publisher",
    output="both",
    parameters=[robot_description],
    namespace="rrbot",
)

1. 使用重映射： 您可以使用重映射来处理不同的机器人描述。这包括使用重映射标签转发主题，允许您为每个控制器管理器指定自定义主题。

control_node = Node(
    package="controller_manager",
    executable="ros2_control_node",
    parameters=[robot_controllers],
    output="both",
    remappings=[('robot_description', '/rrbot/robot_description')]
)
robot_state_pub_node = Node(
    package="robot_state_publisher",
    executable="robot_state_publisher",
    output="both",
    parameters=[robot_description],
    namespace="rrbot",
)

2.2.1.4 辅助脚本

       有两个脚本可通过启动文件与控制器管理器交互：

1. spawner - 加载、配置和启动控制器。
2. unspawner - 停止并卸载控制器。

spawner

$ ros2 run controller_manager spawner -h
usage: spawner [-h] [-c CONTROLLER_MANAGER] [-p PARAM_FILE] [-n NAMESPACE] [--load-only] [--inactive] [-t CONTROLLER_TYPE] [-u]
                  [--controller-manager-timeout CONTROLLER_MANAGER_TIMEOUT]
                  controller_name
positional arguments:
  controller_name       Name of the controller
options:
  -h, --help            show this help message and exit
  -c CONTROLLER_MANAGER, --controller-manager CONTROLLER_MANAGER
                        Name of the controller manager ROS node
  -p PARAM_FILE, --param-file PARAM_FILE
                        Controller param file to be loaded into controller node before configure
  -n NAMESPACE, --namespace NAMESPACE
                        Namespace for the controller
  --load-only           Only load the controller and leave unconfigured.
  --inactive            Load and configure the controller, however do not activate them
  -t CONTROLLER_TYPE, --controller-type CONTROLLER_TYPE
                        If not provided it should exist in the controller manager namespace
  -u, --unload-on-kill  Wait until this application is interrupted and unload controller
  --controller-manager-timeout CONTROLLER_MANAGER_TIMEOUT
                        Time to wait for the controller manager

unspawner

$ ros2 run controller_manager unspawner -h
usage: unspawner [-h] [-c CONTROLLER_MANAGER] controller_name
positional arguments:
  controller_name       Name of the controller
optional arguments:
  -h, --help            show this help message and exit
  -c CONTROLLER_MANAGER, --controller-manager CONTROLLER_MANAGER
                        Name of the controller manager ROS node

2.2.1.5 在进程中使用控制器管理器

       ControllerManager 也可以作为一个类在进程中实例化，但这样做时必须小心谨慎。原因是 ControllerManager 类继承自 rclcpp::Node。

       如果进程中有多个 Node，全局节点名称重映射规则会强行更改 ControllerManager 的节点名称，从而导致节点名称重复。无论节点是同级节点还是存在于层次结构中，都会出现这种情况。

       解决这一问题的办法是在传递给 ControllerManager 节点的 NodeOptions 中指定另一个节点名称重映射规则（使其忽略全局规则），或确保任何重映射规则都针对特定节点。

auto options = controller_manager::get_cm_node_options();
  options.arguments({
    "--ros-args",
    "--remap", "_target_node_name:__node:=dst_node_name",
    "--log-level", "info"});
  auto cm = std::make_shared<controller_manager::ControllerManager>(
    executor, "_target_node_name", "some_optional_namespace", options);

2.2.1.6 概念

重启所有控制器

       重启所有控制器的最简单方法是使用 switch_controllers 服务或 CLI，并将所有控制器添加到启动和停止列表中。请注意，并非所有控制器都必须重启，例如广播器。

重启硬件

       如果硬件被重启，则应再次经历其生命周期，以便重新配置和导出接口

硬件和控制器错误

       如果硬件在读取或写入方法中返回 return_type::ERROR，控制器管理器将停止使用该硬件命令和状态接口的所有控制器。同样，如果控制器的更新方法返回 return_type::ERROR，控制器管理器将停用相应的控制器。今后，控制器管理器将尝试启动任何可用的后备控制器。

ros2_control 使用教程（一）（下）+https://developer.aliyun.com/article/1585401