ROS 2 Control (通常簡稱為 ros2_control)。

 

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ROS 2 Control (通常簡稱為 ros2_control)。

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什麼是 ROS 2 Control？

ROS 2 Control 是一個為機器人控制系統設計的框架，它提供了一個標準化的介面，讓您可以輕鬆地連接不同類型的硬體（如馬達、感測器、機器手臂）到您的 ROS 2 應用程式。

想像一下，您正在開發一個新的機器人，它可能使用各種品牌的馬達和驅動器。如果沒有 ros2_control，您每次換硬體，就得重寫一大堆程式碼來和這些新的硬體溝通。ros2_control 的目的就是為了解決這個問題，它在硬體和高階控制演算法之間建立了一個抽象層。

為什麼需要 ROS 2 Control？

1. 硬體抽象化： 不管底層的馬達驅動器、感測器或 I/O 板是哪家製造商的，ros2_control 都提供了一致的介面讓您的控制器程式去操作它們。這大大簡化了硬體替換和新機器人開發的流程。

2. 即時 (Real-time) 性能： ros2_control 設計時就考慮到了即時控制的需求。它將控制迴圈的關鍵部分與非即時的 ROS 2 基礎設施分開，讓您可以實現高頻率、低延遲的控制。

3. 模組化和可重複使用： 您可以為不同的硬體或控制器開發獨立的模組，並在不同的機器人專案中重複使用這些模組。

4. 社群和生態系統： 它是 ROS 2 的官方控制框架，擁有活躍的社群支援和豐富的工具鏈，例如：

   • 控制器 (Controllers)： 已經有很多預建的控制器，例如差速驅動控制器 (differential_drive_controller)、關節軌跡控制器 (joint_trajectory_controller) 等，可以直接使用。

   • 硬體介面 (Hardware Interfaces)： 提供了與不同硬體類型交互的標準方式。

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ROS 2 Control 的核心組件

ros2_control 框架主要由以下幾個關鍵組件構成：

1. 硬體介面 (Hardware Interface)：

   • 這是 ros2_control 與實際機器人硬體互動的部分。每個硬體介面都負責將機器人的物理硬體（如馬達、編碼器、力感測器）的讀數轉換為 ros2_control 能理解的標準格式，並將控制指令（如設定馬達速度、位置）從 ros2_control 轉換為硬體能理解的格式。

   • 您需要為您的特定硬體實作 (implement) 一個硬體介面。

   • 它負責處理狀態 (states) 的讀取（例如：馬達目前的位置、速度、力矩）和指令 (commands) 的寫入（例如：設定馬達的目標位置、速度、力矩）。

2. 控制器管理器 (Controller Manager)：

   • 控制器管理器是 ros2_control 的核心，它是一個ROS 2 節點。

   • 它負責載入、啟動、停止和卸載各種控制器 (Controllers)。

   • 它也是控制器與硬體介面之間的橋樑，協調數據流動。

   • 控制器管理器本身是一個生命週期節點 (Lifecycle Node)，這意味著它可以被程式化地控制其狀態，方便在機器人系統中進行管理。

3. 控制器 (Controllers)：

   • 控制器是執行特定控制邏輯的模組，也是 ROS 2 節點。它們從 ROS 2 Topic 接收高階指令（例如：讓機器人移動到特定位置，或讓機器手臂跟隨某個軌跡），然後將這些指令轉換為低階的硬體指令（例如：設定每個關節的目標角度）。

   • 控制器透過控制器管理器與硬體介面通訊，獲取硬體狀態並發送指令。

   • ros2_control 提供了許多標準控制器，例如：

     • joint_state_broadcaster：將硬體介面讀取的關節狀態發布到 ROS 2 話題。

     • joint_trajectory_controller：控制多個關節跟隨一個軌跡。

     • diff_drive_controller：用於差速驅動機器人。

     • force_torque_sensor_broadcaster：發布力/扭矩感測器的讀數。

   • 您也可以根據自己的需求開發自定義控制器。

4. URDF/Xacro 中的 ros2_control 標籤：

   • 在機器人的 URDF 或 Xacro 描述檔中，您會看到特殊的 <ros2_control> 標籤。

   • 這些標籤用於定義機器人有哪些硬體介面（例如：hardware_interface/JointStateInterface、hardware_interface/VelocityJointInterface），以及它們對應到 URDF 中的哪些關節。

   • 它們還定義了機器人的傳動裝置 (Transmissions)，說明了關節如何與電機和感測器連接。

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ROS 2 Control 的工作流程簡化

1. URDF 定義： 在機器人的 URDF/Xacro 檔案中，除了定義機器人的幾何形狀和運動學，還會添加 <ros2_control> 標籤，宣告哪些關節可以被控制，以及它們提供哪些狀態和接受哪些指令。

2. 硬體介面實作： 開發者為實際的硬體編寫程式碼，實作 hardware_interface，將硬體讀數（如編碼器值）轉換為關節位置/速度狀態，並將關節指令（如目標速度）轉換為馬達驅動器指令。

3. 啟動 Launch 檔案： 啟動一個 Launch 檔案，它會：

   • 載入機器人的 URDF 描述。

   • 啟動 controller_manager 節點。

   • 載入並啟動您所需的控制器（例如 joint_trajectory_controller）。

4. 控制器運作：

   • 控制器從 ROS 2 Topic 接收高階指令。

   • 控制器向控制器管理器請求硬體狀態（例如當前關節位置）。

   • 控制器執行其控制演算法（例如 PID 控制）。

   • 控制器將計算出的低階指令傳遞給控制器管理器。

   • 控制器管理器將指令轉發給對應的硬體介面。

   • 硬體介面將指令轉換為硬體訊號，驅動馬達。

   • 硬體介面讀取新的硬體狀態，再傳回給控制器管理器，完成控制迴圈。

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總之，ROS 2 Control 提供了一個強大且彈性的框架，讓您可以高效地開發和部署複雜的機