ros2_control 中控制器如何和硬件Hardware Interface通信

sunnylinghui

已于 2025-01-02 15:49:49 修改

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文章标签：机器人 c++

于 2025-01-02 15:33:32 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/sunnylinghui/article/details/144832649

版权

控制器管理器（Controller Manager）、YAML配置文件、控制器（Controllers）以及硬件接口（Hardware Interface）lauch之间的关系，它们共同协作以实现对机器人硬件的控制，以下是一些理解和解释。

他们是如何通信，最简单的理解就是控制器要读取的东西放在state_interface指针里，写给底层写的放在command interface里，控制器和底层的hardware interface是同一个变量，硬件里会定时更新和读取数据，控制器也定时读取，底层和控制器操作的是同一个指针所以可以获取消息。

官方源码：https://github.com/ros-controls/ros2_controllers

官方的图是这样的

一、各者之间的流程和介绍

1. 控制器管理器（Controller Manager）

控制器管理器是ROS 2控制系统的核心组件之一，它负责加载、卸载、配置和切换控制器。它充当了控制器与硬件接口之间的中介，确保命令正确地从控制器传递到硬件，并且状态信息从硬件反馈给控制器。

功能：加载/卸载控制器、配置控制器、激活/停用控制器。
启动方式：通常通过launch文件启动，并指定控制器管理器使用的硬件接口和控制器配置。

2. YAML配置文件

YAML配置文件用于定义控制器管理器的行为和参数，包括哪些控制器应该被加载，每个控制器的具体配置参数，以及硬件接口的相关配置。

控制器列表：列出要加载的控制器名称和类型。
控制器参数：为每个控制器提供特定的参数，如关节名称、控制模式等。
硬件接口配置：定义硬件接口的参数，例如通信协议、设备地址等

controller_manager:
  ros__parameters:
    update_rate: 500  # 控制器管理器的更新频率

    joint_state_broadcaster:
      type: joint_state_broadcaster/JointStateBroadcaster

    my_position_controller:
      type: my_position_controller/MyPositionController
      joints:
        - joint1
        - joint2
        - joint3
      state_joints:
        - joint1
        - joint2
        - joint3
      interface_name: position

hardware_interface:
  ros__parameters:
    joints:
      - name: joint1
        command_interface: position
        state_interface: position
      - name: joint2
        command_interface: position
        state_interface: position
      - name: joint3
        command_interface: position
        state_interface: position

3. 控制器（Controllers）

控制器实现了具体的控制逻辑，如位置控制、速度控制或力矩控制。它们通过命令接口向硬件发送命令，并通过状态接口接收硬件的状态信息。

定义：控制器类继承自 controller_interface::ControllerInterface，并实现必要的生命周期方法（如 on_init, on_configure, on_activate, update 等）。
加载：由控制器管理器根据YAML配置文件中的定义加载。

4. 硬件接口（Hardware Interface）

硬件接口负责与物理硬件通信，读取传感器数据并向执行器发送命令。它是控制器与实际硬件之间的桥梁。

定义：硬件接口类继承自 hardware_interface::SystemInterface 或更具体的接口（如 hardware_interface::JointStateInterface），并实现 read 和 write 方法。
配置：硬件接口的参数在YAML配置文件中定义，并在启动时由控制器管理器传递给硬件接口实例。

5. Launch文件

Launch文件用于启动整个系统，包括控制器管理器、控制器和硬件接口

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from launch.actions import DeclareLaunchArgument, IncludeLaunchDescription
from launch.substitutions import Command, FindExecutable, PathJoinSubstitution
from launch.conditions import IfCondition
from launch.launch_description_sources import PythonLaunchDescriptionSource
from launch_ros.substitutions import FindPackageShare

def generate_launch_description():
    # 定义机器人描述参数
    robot_description_content = Command(
        [
            PathJoinSubstitution([FindExecutable(name="xacro")]),
            " ",
            PathJoinSubstitution(
                [FindPackageShare("my_robot"), "urdf", "robot.urdf.xacro"]
            ),
        ]
    )
    robot_description = {"robot_description": robot_description_content}

    # 加载控制器管理器节点
    controller_manager_node = Node(
        package="controller_manager",
        executable="ros2_control_node",
        parameters=[robot_description,
                    PathJoinSubstitution([FindPackageShare("my_robot"), "config", "controllers.yaml"])],
        output="both",
    )

    # 启动关节状态广播器
    joint_state_broadcaster_spawner = Node(
        package="controller_manager",
        executable="spawner",
        arguments=["joint_state_broadcaster", "--controller-manager", "/controller_manager"],
    )

    # 启动位置控制器
    position_controller_spawner = Node(
        package="controller_manager",
        executable="spawner",
        arguments=["my_position_controller", "-c", "/controller_manager"],
    )

    # 返回启动描述
    return LaunchDescription([
        controller_manager_node,
        joint_state_broadcaster_spawner,
        position_controller_spawner,
    ])