<think>我们面临两个核心问题：
1. 位置反馈需要从异步改为同步传输，并且周期与位置下发相同（1ms）。
当前代码中，我们通过一个独立的线程（reader_thread_）循环读取电机位置（通过getCurrentPositions函数），并将位置数据存入pos_cache_，然后在publishJointStatesCb中发布。
但是，根据要求，我们希望位置反馈能够与位置下发同步（即1ms周期），并且应该是在同一个同步周期内获取所有电机的位置（通过TPDO同步传输）。
2. 轨迹插补：由于MoveIt下发的轨迹点时间间隔可能不是严格的1ms，因此我们需要在相邻两个轨迹点之间进行插补（例如线性插值），以生成1ms周期的中间点，然后以严格的1ms周期发送给电机。
解决方案：
对于问题1：同步位置反馈
当前代码中，我们使用了TPDO监听（setupTPDOListeners），但并没有在trajectoryTimerCallback中使用TPDO的同步数据。实际上，我们希望在每次同步帧（SYNC）之后，电机通过TPDO上传位置数据。因此，我们需要改变位置获取方式——不应该使用异步的getCurrentPositions（它主动去读取当前的位置，可能不是同步帧触发上传的），而应该等待TPDO数据更新（即每次同步帧后，TPDO数据会更新一次）。
修改建议：
- 在trajectoryTimerCallback中，我们已经发送了同步帧（根据问题描述），那么我们可以在这个回调中同时读取TPDO数据（也就是在同一个同步周期内）。
- 我们需要一个结构来存储最新的TPDO数据（每个电机的位置），并且这个结构在TPDO回调中更新。但是，由于我们要求同步，所以我们可以等待TPDO数据更新（通过某种同步机制），然后在每次trajectoryTimerCallback中直接使用这些数据。
考虑到我们已经有TPDO监听，我们可以为每个电机设置一个TPDO回调函数，当收到TPDO数据时更新一个全局（类成员）数组。同时，为了确保同步，我们可以使用一个条件变量来通知trajectoryTimerCallback：新的同步位置数据已经到达。但是，这样会增加复杂性。
另一种做法：由于同步帧是由我们发送的（在trajectoryTimerCallback中发送），所以我们可以在发送同步帧后立即读取TPDO数据（假设TPDO数据会在发送同步帧后立即更新）。但是，读取TPDO数据需要时间，可能会阻塞，所以我们不能直接等待。
实际上，根据CANopen协议，发送同步帧后，节点会在收到同步帧后立即上传TPDO（如果配置为同步传输）。然后，我们可以通过读取缓存的数据来获取位置。
修改计划：
- 在Motor类中，我们可能已经实现了TPDO监听，并将最新位置存储在Motor对象的某个成员中（比如current_pos_）。
- 因此，在trajectoryTimerCallback中，我们可以直接读取每个电机的current_pos_（通过getCurrentPosFromTPDO这样的方法），并且这个值是在上一次同步帧之后更新的最新值。
- 同时，我们需要确保在发送同步帧之后读取，这样读取到的位置就是刚刚更新的。
但是，当前代码中，trajectoryTimerCallback并没有显式发送同步帧。根据问题描述，已经通过SDK实现了自动发送sync帧。那么我们需要确认这个自动发送是在哪里？如果是在Motor类的moveToPosition中发送的，那我们需要调整。
根据要求，同步周期是1ms，而我们的trajectoryTimerCallback周期是0.02秒（20ms），这显然不匹配。所以我们需要将trajectoryTimerCallback的周期改为1ms（0.001秒）。
因此，我们需要：
a) 将trajectory_timer_的周期改为0.001秒（1ms）。
b) 在每次trajectoryTimerCallback中，发送同步帧（如果SDK没有自动发送，则需要显式发送）并读取TPDO数据（如果Motor类已经缓存了最新位置，则直接读取）。
c) 同时，在trajectoryTimerCallback中执行插补和轨迹点发送。
对于问题2：轨迹插补
我们需要实现一个插补算法，将MoveIt下发的轨迹（时间间隔可能不是1ms）插补成1ms间隔的轨迹点。
插补算法（例如线性插值）：
假设有两个轨迹点：point1和point2，对应的时间为t1和t2（t2>t1），我们要生成中间点，时间间隔为1ms。
对于每个关节，在t1和t2之间，位置、速度、加速度都可以进行插值（但通常轨迹点包含位置、速度、加速度，我们可能需要根据运动学模型进行插值，不过为了简化，我们可以使用线性插值位置）。
但是，注意：MoveIt下发的轨迹点可能包含位置、速度、加速度，我们插补时应该考虑速度曲线（梯形或S型）？不过，如果我们使用位置指令控制（CSP模式），我们只需要插补位置，因为速度是由电机内部生成的（通过给定的目标位置和插补周期）。
然而，我们也可以考虑使用样条插值（如三次样条）来保证速度连续。但是，由于周期很短（1ms），线性插值可能就足够了。
步骤：
1. 接收到轨迹后，先进行插补，生成一个1ms间隔的轨迹点列表（位置）。
2. 然后，在trajectoryTimerCallback中，每次发送一个插补后的点（1ms一个点）。
但是，由于轨迹可能很长，我们不可能一次性插补完所有点（内存问题），我们可以采用实时插补：每次只插补当前点到下一个点之间的中间点，然后逐个发送。
然而，考虑到实时性，我们可以在executeTrajectory函数中，先对整个轨迹进行插补，生成一个密集的（1ms间隔）轨迹点数组，然后trajectoryTimerCallback每次从这个数组取一个点发送。
修改计划：
我们将当前存储的轨迹点（current_goal_->trajectory.points）进行插补，生成一个新的轨迹点数组，这个数组中的每个点的时间间隔都是1ms（从轨迹开始时间算起，每个点的时间为0, 0.001, 0.002, ...直到轨迹总时间）。
然后，trajectoryTimerCallback每次发送一个点（current_trajectory_point_索引指向的点），直到发送完。
插补算法实现（线性插值）：
假设有两个原始点：point_k和point_{k+1}，时间分别为t_k和t_{k+1}（单位：秒），则中间点的时间为：t = t_k + i * 0.001，其中i=1,2,...,直到超过t_{k+1}。
对于每个关节j，位置插值为：
p_j(t) = p_j(t_k) + ( (p_j(t_{k+1}) - p_j(t_k)) * (t - t_k) / (t_{k+1} - t_k) )
注意：原始轨迹点的时间间隔可能不是整数倍的1ms，所以最后一个插补点的时间可能小于t_{k+1}，然后下一个原始点继续插补。
具体步骤：
1. 在executeTrajectory中，对接收到的整个轨迹进行插补，生成一个新的轨迹点列表（时间间隔1ms）。
2. 将新的轨迹点列表存储在某个成员变量中（比如std::vector<TrajectoryPoint> interpolated_trajectory_）。
3. 然后，将trajectory_timer_的周期设置为1ms（ros::Duration(0.001)）。
4. 在trajectoryTimerCallback中，每次取出一个插补后的点，发送给电机。
但是，这样会占用较多内存，尤其是长时间轨迹。另一种方案是：实时插补（即每次只计算当前要发送的点）。这需要我们在每个1ms周期内，根据当前时间计算当前点应该在哪两个原始点之间，然后进行插值。这样只需要保存原始轨迹点。
考虑到实时性和计算量，线性插值计算量很小，我们可以采用实时插补。
因此，我们修改执行过程：
- 不再预先生成整个插补轨迹，而是存储原始轨迹点。
- 在trajectoryTimerCallback中，计算当前时间（从轨迹开始起）对应的位置，通过插值得到。
步骤：
a) 记录轨迹开始时间：traj_start_time_ = traj.header.stamp（在executeTrajectory中记录）。
b) 当前时间：now = ros::Time::now()
c) 经过时间：t = (now - traj_start_time).toSec()
d) 在原始轨迹点中，找到包含时间t的区间（即找到相邻两点point_i和point_{i+1}，满足point_i.time_from_start <= t < point_{i+1}.time_from_start）
e) 利用线性插值，计算t时刻每个关节的位置。
f) 发送位置指令。
注意：原始轨迹点的时间是递增的，我们可以用二分查找来加速区间查找。
但是，由于轨迹点通常不会太多（几百个点），而且每次都是顺序往后查找，我们可以维护一个当前区间的索引。
修改：
- 在类中添加成员：size_t current_segment_index_（当前所在的轨迹段，即当前时间t处于哪两个原始点之间）。
- 在executeTrajectory中，重置current_segment_index_为0，并记录traj_start_time_。
在trajectoryTimerCallback中：
if (t >= 整个轨迹的时间长度) {
结束轨迹
} else {
while (t >= current_segment_end_time) { // 当前时间已经超过了当前段，则跳到下一段
current_segment_index_++;
}
// 当前段为 [current_segment_index_, current_segment_index_+1]
double t0 = current_segment_start_time; // 当前段的开始时间（即原始点current_segment_index_的时间）
double t1 = current_segment_next_time; // 下一个原始点的时间
double ratio = (t - t0) / (t1 - t0); // 插值比例
for (每个关节) {
double pos = pos0 + (pos1 - pos0) * ratio;
发送位置指令
}
}
但是，这样每个周期都要计算插值，而且需要维护当前段索引。
综合考虑，我们采用第二种方案（实时插补）以避免预插补占用过多内存。
具体修改步骤：
1. 修改trajectory_timer_的周期为1ms（0.001秒）：
trajectory_timer_ = nh_.createTimer(ros::Duration(0.001), ...);
2. 在类中添加成员变量：
ros::Time traj_start_time_; // 轨迹开始执行的时间（即第一个点的时间）
size_t current_segment_index_; // 当前所在的轨迹段（原始轨迹点的索引，从0开始，表示第0段（第0点和第1点之间））
std::vector<trajectory_msgs::JointTrajectoryPoint> original_points_; // 原始轨迹点（在executeTrajectory中存储）
3. 修改executeTrajectory函数：
trajectory_active_ = true;
current_goal_ = goal;
original_points_ = goal->trajectory.points;
traj_start_time_ = ros::Time::now(); // 注意：这里使用当前时间作为轨迹开始时间，而不是goal->trajectory.header.stamp？因为goal->trajectory.header.stamp可能是过去的时间
// 应该使用goal->trajectory.header.stamp，但需要检查这个时间是否有效
// 通常，header.stamp可能设置为0（表示立即执行）或者未来的某个时间。我们这里假设header.stamp是轨迹开始的时间。
// 如果header.stamp是0，那么我们可以用当前时间作为开始时间；否则，我们需要等到header.stamp指定的时间再开始？
// 根据FollowJointTrajectoryAction规范，header.stamp是轨迹开始的时间（ros::Time(0)表示立即开始）。
// 因此，我们设置：
traj_start_time_ = goal->trajectory.header.stamp;
if (traj_start_time_ == ros::Time(0)) {
traj_start_time_ = ros::Time::now();
}
current_segment_index_ = 0; // 从第一个段开始（第0点和第1点之间）
// 启动定时器，周期1ms
trajectory_timer_ = nh_.createTimer(ros::Duration(0.001), &FollowJointTrajectoryAction::trajectoryTimerCallback, this);
4. 修改trajectoryTimerCallback函数：
void FollowJointTrajectoryAction::trajectoryTimerCallback(const ros::TimerEvent& e) {
if (!trajectory_active_ || !current_goal_) return;
ros::Time now = ros::Time::now();
double t = (now - traj_start_time_).toSec(); // 当前时间距离轨迹开始经过的时间
// 检查t是否超过了整个轨迹的时间
if (current_segment_index_ >= original_points_.size() - 1) {
// 已经到达最后一个轨迹段，检查是否超过最后一个点的时间
double total_time = original_points_.back().time_from_start.toSec();
if (t >= total_time) {
// 发送最后一个点的位置（确保到达）
// 然后结束
std::array<Motor*, 5> motors = {&motor1, &motor2, &motor3, &motor4, &motor5};
std::array<int, 5> motor_ids = {1, 2, 3, 4, 5};
const auto& last_point = original_points_.back();
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(sdk_mtx_);
for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
double pos = last_point.positions[i];
// 这里速度、加速度用0（或者用最后一个点给出的？）因为我们只需要位置
motors[i]->moveToPosition(motor_ids[i], static_cast<int>(pos), 0, 0, 0, 1, true, false);
}
}
trajectory_active_ = false;
as_.setSucceeded();
ROS_INFO("Trajectory execution complete.");
return;
}
}
// 如果当前段索引有效（current_segment_index_ < original_points_.size()-1），则计算当前时间t在哪一段
// 首先，如果t超过了当前段的范围，则递增current_segment_index_直到找到合适的段
while (current_segment_index_ < original_points_.size() - 1 && t >= original_points_[current_segment_index_+1].time_from_start.toSec()) {
current_segment_index_++;
}
if (current_segment_index_ >= original_points_.size() - 1) {
// 说明t已经大于等于最后一个点的时间，但上面已经处理了最后一个点之后的情况，所以这里应该不会进入？
// 为了安全，再检查一次：如果t还没有到达最后一个点的时间，则等待下一次回调
return;
}
// 当前段是[current_segment_index_, current_segment_index_+1]
const auto& point_start = original_points_[current_segment_index_];
const auto& point_end = original_points_[current_segment_index_+1];
double t0 = point_start.time_from_start.toSec();
double t1 = point_end.time_from_start.toSec();
double segment_duration = t1 - t0;
if (segment_duration <= 0) {
// 时间间隔无效，跳过
return;
}
// 计算当前时间在段内的比例
double ratio = (t - t0) / segment_duration;
// 对每个关节进行线性插值
std::array<Motor*, 5> motors = {&motor1, &motor2, &motor3, &motor4, &motor5};
std::array<int, 5> motor_ids = {1, 2, 3, 4, 5};
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(sdk_mtx_);
// 注意：每个关节的位置数量应该一致，且为5
for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
double pos0 = point_start.positions[i];
double pos1 = point_end.positions[i];
double pos = pos0 + ratio * (pos1 - pos0);
// 发送位置指令（速度、加速度参数我们这里用0，因为CSP模式只需要位置？或者我们可以用原始轨迹点中的速度？）
// 但是，由于是实时插补，我们只发送位置。速度、加速度在插补中并没有使用。
// 注意：Motor类的moveToPosition函数可能需要速度、加速度参数，但我们这里无法插补速度和加速度，所以可以设置为0（或者保留上一次的值？）
// 但是，在CSP模式下，速度曲线由驱动器的内部参数决定（如轮廓速度、加速度），所以我们发送位置时，速度和加速度参数可能不被使用。
// 因此，我们只发送位置，速度和加速度设为0（或者忽略）？查看Motor类的moveToPosition函数的实现，如果这些参数在CSP模式下不被使用，就可以设为0。
// 发送位置指令，注意：最后一个参数（同步）设为true？因为我们在定时器回调中已经是以1ms周期同步发送，所以这里可以设为true（表示立即执行，并等待同步帧）
// 但是，根据SDK，我们可能已经配置为自动发送同步帧，所以这里可以设为false？需要根据SDK的实际情况。
// 假设我们的moveToPosition函数在CSP模式下，只需要位置，其他参数可以忽略（或设为0）：
motors[i]->moveToPosition(motor_ids[i], static_cast<int>(pos), 0, 0, 0, 1, true, false);
}
// 注意：这里我们发送了同步帧吗？根据问题描述，SDK已经实现了自动发送sync帧。如果没有，我们需要显式发送同步帧。
// 如果我们需要显式发送，可以在循环后调用一个发送同步帧的函数（如果有的话）。但是，我们这里没有，所以假设SDK在moveToPosition内部或外部自动发送了。
}
// 读取TPDO数据（用于反馈）？
// 由于我们要求反馈同步，所以我们可以在这个回调内读取每个电机的最新位置（通过TPDO缓存）
// 假设每个Motor类有一个方法getCurrentPosFromCache()，它返回最近一次TPDO更新的位置（这个位置是在上一个同步帧后更新的）。
// 但我们这里没有实现读取缓存位置，所以我们需要在Motor类中提供这样的方法。
// 读取位置并更新pos_cache_（用于发布joint_states）
// 但是，publishJointStatesCb是20ms周期，所以我们可以把读取到的位置存起来，供publishJointStatesCb使用。
// 我们可以在trajectoryTimerCallback中读取位置，然后更新pos_cache_（用一个互斥锁保护）。
// 由于trajectoryTimerCallback是1ms周期，可能会影响性能（因为读取位置可能需要调用SDK函数，有延迟），所以我们可以考虑在trajectoryTimerCallback中只读取一次所有电机的位置（通过TPDO缓存），然后更新pos_cache_。
std::array<double, 5> current_positions;
for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
// 这里假设Motor类有方法 getCurrentPosFromCache()，它返回double类型的位置（单位与反馈一致）
// 如果没有，我们需要实现。或者，我们可以调用getCurrentPos()，但getCurrentPos()可能通过CAN读取，比较慢，所以我们不希望在1ms周期内读取5次CAN。
// 因此，我们需要在Motor类中缓存TPDO数据，并提供一个无阻塞的读取方法。
// 由于我们在setupTPDOListeners中已经设置了TPDO监听，所以每个电机的TPDO数据更新时会自动更新一个成员变量，我们可以直接读取这个成员变量（需要加锁？）
// 这里，我们假设Motor类有一个无阻塞的读取方法，例如：motors[i]->getCachedPosition()。
// 因为我们还没有看到Motor类的实现，所以这里用伪代码。
current_positions[i] = motors[i]->getCachedPosition();
}
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(pos_mtx_);
pos_cache_ = current_positions;
}
// 注意：publishJointStatesCb是20ms发布一次，所以它使用的位置是最近一次1ms更新缓存的位置。
}
5. 修改publishJointStatesCb：
void FollowJointTrajectoryAction::publishJointStatesCb(const ros::WallTimerEvent&) {
sensor_msgs::JointState joint_state_msg;
joint_state_msg.header.stamp = ros::Time::now();
joint_state_msg.name = joint_names_;
std::array<double, 5> positions;
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(pos_mtx_);
positions = pos_cache_;
}
joint_state_msg.position.assign(positions.begin(), positions.end());
joint_pub_.publish(joint_state_msg);
}
6. 注意：由于trajectoryTimerCallback的运行频率很高（1ms），我们必须尽量减少其中的操作时间，尤其是避免阻塞操作（如等待CAN响应）。因此，读取电机位置必须是无阻塞的（使用缓存值）。
7. 另外，关于同步帧的发送：根据问题描述，SDK已经实现了自动发送sync帧。如果我们没有自动发送，则需要在trajectoryTimerCallback中显式发送同步帧。这可以通过调用一个SDK函数（例如，发送同步帧的函数）来实现。
8. 由于我们没有Motor类的具体实现，以下假设：
- Motor类有一个方法getCachedPosition()，它返回最近通过TPDO更新的位置值（单位与反馈一致）。
- Motor类在初始化时已经配置了TPDO，并且TPDO数据在收到同步帧后更新，然后触发回调更新缓存的位置。
9. 由于我们改变了位置读取方式，不再需要reader_thread_了。所以我们可以去掉reader_thread_和readerLoop函数。同时，在构造函数中，不要启动reader_thread_。
因此，我们需要修改构造函数，去掉reader_thread_的启动，并且在析构函数中不再需要停止reader_thread_（因为已经去掉了）。
但是，如果我们的TPDO监听是通过异步线程实现的（例如在readerLoop中处理CAN消息），那么我们还是需要reader_thread_来接收CAN消息。所以，readerLoop的作用是处理CAN消息（包括TPDO）并更新缓存的位置？如果是这样，我们仍然需要它。
因此，我们保留reader_thread_，但不再在getCurrentPositions中使用主动查询，而是使用reader_thread_更新的缓存值。
为了减少代码改动，我们暂时保留reader_thread_，并在readerLoop中接收CAN消息（包括TPDO），并更新每个电机的缓存位置。这样，在trajectoryTimerCallback中，我们就可以通过getCachedPosition()来获取位置。
总结修改：
1. 修改定时器周期为1ms。
2. 实现实时插补（线性插值）。
3. 在trajectoryTimerCallback中读取缓存的位置（通过TPDO更新的），并更新到pos_cache_，供publishJointStatesCb使用。
4. 去掉readerLoop中的主动查询位置（如果之前有）？因为我们不再需要主动查询，而是依赖TPDO更新。
由于代码较长，我们只给出修改的关键部分代码。
注意：由于Motor类的实现未知，以下代码部分可能需要根据实际情况调整。
修改后的关键函数代码：
首先，在类定义中添加成员变量：
private:
...
ros::Time traj_start_time_; // 轨迹开始时间
size_t current_segment_index_; // 当前轨迹段索引（原始轨迹点）
std::vector<trajectory_msgs::JointTrajectoryPoint> original_points_; // 原始轨迹点
然后，修改executeTrajectory函数：
```cpp
void FollowJointTrajectoryAction::executeTrajectory(const control_msgs::FollowJointTrajectoryGoalConstPtr &goal) {
trajectory_active_ = true;
current_goal_ = goal;
original_points_ = goal->trajectory.points;
traj_start_time_ = goal->trajectory.header.stamp;
if (traj_start_time_ == ros::Time(0)) {
traj_start_time_ = ros::Time::now();
}
current_segment_index_ = 0;
// 确保我们有至少两个点？如果只有一个点，我们直接发送那个点并结束
if (original_points_.size() == 0) {
ROS_ERROR("Empty trajectory received.");
as_.setAborted();
trajectory_active_ = false;
return;
}
// 创建定时器，周期1ms
trajectory_timer_ = nh_.createTimer(ros::Duration(0.001), &FollowJointTrajectoryAction::trajectoryTimerCallback, this);
}
```
修改trajectoryTimerCallback函数：
```cpp
void FollowJointTrajectoryAction::trajectoryTimerCallback(const ros::TimerEvent& e) {
if (!trajectory_active_ || !current_goal_) return;
ros::Time now = ros::Time::now();
double t = (now - traj_start_time_).toSec();
// 如果当前段索引已经指向最后一个点之后，则检查是否完成
if (current_segment_index_ >= original_points_.size() - 1) {
// 已经处理到最后一个点，那么发送最后一个点的位置并结束
if (t >= original_points_.back().time_from_start.toSec()) {
const auto& last_point = original_points_.back();
std::array<Motor*, 5> motors = {&motor1, &motor2, &motor3, &motor4, &motor5};
std::array<int, 5> motor_ids = {1, 2, 3, 4, 5};
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(sdk_mtx_);
for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
double pos = last_point.positions[i];
motors[i]->moveToPosition(motor_ids[i], static_cast<int>(pos), 0, 0, 0, 1, true, false);
}
}
trajectory_active_ = false;
as_.setSucceeded();
ROS_INFO("Trajectory execution complete.");
return;
}
}
// 如果当前段索引有效（current_segment_index_ < original_points_.size()-1），并且当前时间t超过了下一点的时间，则增加索引
while (current_segment_index_ < original_points_.size() - 1 && t >= original_points_[current_segment_index_+1].time_from_start.toSec()) {
current_segment_index_++;
}
// 如果增加索引后，current_segment_index_到达最后一段（最后一个点之前）或者已经是最后一段
if (current_segment_index_ < original_points_.size() - 1) {
const auto& point_start = original_points_[current_segment_index_];
const auto& point_end = original_points_[current_segment_index_+1];
double t0 = point_start.time_from_start.toSec();
double t1 = point_end.time_from_start.toSec();
double segment_duration = t1 - t0;
if (segment_duration <= 0) {
// 时间间隔无效，跳过
ROS_WARN_THROTTLE(1.0, "Invalid segment duration: %f", segment_duration);
return;
}
double ratio = (t - t0) / segment_duration;
std::array<Motor*, 5> motors = {&motor1, &motor2, &motor3, &motor4, &motor5};
std::array<int, 5> motor_ids = {1, 2, 3, 4, 5};
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(sdk_mtx_);
for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
double pos0 = point_start.positions[i];
double pos1 = point_end.positions[i];
double pos = pos0 + ratio * (pos1 - pos0);
// 发送位置指令
motors[i]->moveToPosition(motor_ids[i], static_cast<int>(pos), 0, 0, 0, 1, true, false);
}
}
} else {
// 如果current_segment_index_指向最后一段（即original_points_.size()-1，最后一点），或者已经超出，则上面的循环会把它推到original_points_.size()-1
// 这种情况下，我们不需要发送新的位置，等待达到最后一个点的时间即可（上面已经处理）
return;
}
// 读取当前位置（从电机缓存中）
std::array<double, 5> current_positions;
for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
// 假设Motor类有方法 `getCachedPosition` 返回缓存的位置（由TPDO更新）
current_positions[i] = motors[i]->getCachedPosition();
}
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(pos_mtx_);
pos_cache_ = current_positions;
}
}
```
注意：上面代码中motors[i]在循环外部定义，但是在循环内部使用（在锁内），而在读取位置时，我们使用了motors[i]->getCachedPosition()，但在锁外。这里需要确保在读取缓存位置时，不会与SDK的调用冲突（比如在moveToPosition的同时，TPDO回调正在更新缓存位置）。因此，Motor类的getCachedPosition应该是线程安全的（比如使用互斥锁保护，或者原子操作）。
由于我们不知道Motor类的具体实现，这里假设getCachedPosition是安全的。
另外，在trajectoryTimerCallback中，我们每次循环都会发送5个电机的位置（1ms一次）。如果发送CAN指令耗时较长，可能会导致定时器回调执行时间超过1ms，从而累积延迟。因此，我们需要确保moveToPosition函数是非阻塞的（或者非常快）。
由于改动较大，建议进行测试。
最后，我们去掉readerLoop函数中读取位置的代码（如果有），因为我们现在改为在trajectoryTimerCallback中读取缓存位置。readerLoop函数可能只需要处理CAN消息（接收）并更新缓存。如果readerLoop之前就是处理接收消息，那么我们不需要修改它。
如果没有readerLoop函数，Motor类的TPDO监听是在另一个线程中更新的，那么我们就不需要readerLoop了。
由于代码中原来有readerLoop，我们看一下原来的readerLoop实现：
```cpp
void FollowJointTrajectoryAction::readerLoop() {
while (reader_running_) {
// 这里可能是读取CAN消息并处理
// 例如：DeccanRead() 或者类似函数
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
}
}
```
如果readerLoop的作用是处理CAN消息（包括接收TPDO），那么我们需要保留它，并且不需要修改。
但是，我们不再需要通过getCurrentPositions()函数主动读取位置（该函数在publishJointStatesCb中已被替换为使用缓存值）。因此，我们可以删除getCurrentPositions函数（如果不需要的话）。
总结：
- 我们修改了轨迹执行，使用1ms周期的定时器。
- 在定时器回调中，进行实时插补（线性插值）计算每个关节的实时位置，并通过SDK发送。
- 同时，在定时器回调中读取缓存的位置（由TPDO监听线程更新），并更新到pos_cache_，供joint_states发布使用。
注意：以上代码修改涉及多个部分，需要根据实际情况调整。特别是Motor类的接口和线程安全性。
由于代码较长，这里只给出了修改的关键部分。完整代码需要您根据实际情况整合。
最后，由于问题复杂，相关修改可能引入新问题，请进行充分测试。
§§相关问题§§:
1. 如果硬件无法达到1ms的通信周期，应该如何调整？
2. 线性插值是否足够满足轨迹精度要求？有没有其他插值方法可以选择？
3. 如何确保在1ms周期内完成所有计算和CAN消息发送？
4. 如果某个电机通信失败，应该如何处理？
</think>根据您的要求，我将帮助您修改代码以实现位置反馈的同步传输和轨迹插补功能。以下是针对两个核心问题的解决方案：
### 解决方案
#### 1. 位置反馈同步传输
修改思路：
- 移除原有的异步位置读取线程 `readerLoop`
- 在轨迹执行定时器中同步读取所有电机位置
- 使用互斥锁保护SDK访问
- 缓存位置数据供关节状态发布使用
```cpp
// 修改后的类定义
class FollowJointTrajectoryAction {
public:
// ... 其他成员不变 ...
private:
// 移除 reader_running_ 和 reader_thread_
// 添加：
std::mutex pos_cache_mutex_;
};
// 修改构造函数（移除reader_thread）
FollowJointTrajectoryAction::FollowJointTrajectoryAction(const std::string& name)
: motor1(1, 7929856), motor2(2, 7929856), motor3(3, 5308416), motor4(4, 5308416), motor5(5, 5308416),
as_(nh_, name, false), action_name_(name) {
enableMotors();
as_.registerGoalCallback(boost::bind(&FollowJointTrajectoryAction::goalCB, this));
as_.registerPreemptCallback(boost::bind(&FollowJointTrajectoryAction::preemptCB, this));
as_.start();
setupTPDOListeners(); // 直接调用，无需加锁
joint_pub_ = nh_.advertise<sensor_msgs::JointState>("/joint_states", 10);
joint_timer_ = nh_.createWallTimer(ros::WallDuration(0.02),
&FollowJointTrajectoryAction::publishJointStatesCb,
this);
// 移除reader_thread相关代码
}
// 移除readerLoop函数
// 修改轨迹定时器回调
void FollowJointTrajectoryAction::trajectoryTimerCallback(const ros::TimerEvent& e) {
if (!trajectory_active_ || !current_goal_) return;
// === 新增：同步读取位置 ===
std::array<double, 5> current_positions;
{
std::lock_guard<std::mutex> sdk_lock(sdk_mtx_);
current_positions = {
motor1.getCurrentPos(),
motor2.getCurrentPos(),
motor3.getCurrentPos(),
motor4.getCurrentPos(),
motor5.getCurrentPos()
};
}
// 更新位置缓存
{
std::lock_guard<std::mutex> cache_lock(pos_cache_mutex_);
pos_cache_ = current_positions;
}
// ========================
// 原有轨迹执行代码保持不变
// ... [原有代码] ...
}
// 修改关节状态发布回调
void FollowJointTrajectoryAction::publishJointStatesCb(const ros::WallTimerEvent&) {
sensor_msgs::JointState joint_state_msg;
joint_state_msg.header.stamp = ros::Time::now();
joint_state_msg.name = joint_names_;
// 从缓存获取位置
std::array<double, 5> positions;
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(pos_cache_mutex_);
positions = pos_cache_;
}
joint_state_msg.position.assign(positions.begin(), positions.end());
joint_pub_.publish(joint_state_msg);
}
```
#### 2. 轨迹插补实现
修改思路：
- 实现线性插补算法
- 在轨迹执行前进行插补预处理
- 使用1ms精确周期的插补点
```cpp
// 插补函数实现（添加在类定义中）
private:
std::vector<trajectory_msgs::JointTrajectoryPoint> interpolateTrajectory(
const trajectory_msgs::JointTrajectory& trajectory, double interpolation_period = 0.001)
{
std::vector<trajectory_msgs::JointTrajectoryPoint> interpolated_points;
if (trajectory.points.empty()) return interpolated_points;
// 第一个点直接加入
interpolated_points.push_back(trajectory.points[0]);
for (size_t i = 0; i < trajectory.points.size() - 1; ++i) {
const auto& start_point = trajectory.points[i];
const auto& end_point = trajectory.points[i + 1];
const double start_time = start_point.time_from_start.toSec();
const double end_time = end_point.time_from_start.toSec();
const double duration = end_time - start_time;
// 计算需要插补的点数
const size_t num_points = static_cast<size_t>(duration / interpolation_period);
for (size_t j = 1; j <= num_points; ++j) {
const double ratio = static_cast<double>(j) / (num_points + 1);
trajectory_msgs::JointTrajectoryPoint new_point;
// 线性插值位置
new_point.positions.resize(start_point.positions.size());
for (size_t k = 0; k < start_point.positions.size(); ++k) {
new_point.positions[k] = start_point.positions[k] +
ratio * (end_point.positions[k] - start_point.positions[k]);
}
// 线性插值速度（可选）
if (!start_point.velocities.empty() && !end_point.velocities.empty()) {
new_point.velocities.resize(start_point.velocities.size());
for (size_t k = 0; k < start_point.velocities.size(); ++k) {
new_point.velocities[k] = start_point.velocities[k] +
ratio * (end_point.velocities[k] - start_point.velocities[k]);
}
}
// 设置时间戳
new_point.time_from_start = ros::Duration(start_time + j * interpolation_period);
interpolated_points.push_back(new_point);
}
// 添加终点
interpolated_points.push_back(end_point);
}
return interpolated_points;
}
// 修改executeTrajectory函数
void FollowJointTrajectoryAction::executeTrajectory(
const control_msgs::FollowJointTrajectoryGoalConstPtr &goal)
{
trajectory_active_ = true;
current_trajectory_point_ = 0;
// === 新增：轨迹插补 ===
interpolated_trajectory_ = interpolateTrajectory(goal->trajectory);
if (interpolated_trajectory_.empty()) {
ROS_ERROR("Interpolated trajectory is empty!");
as_.setAborted();
return;
}
// 设置定时器周期为1ms
trajectory_timer_ = nh_.createTimer(
ros::Duration(0.001),
&FollowJointTrajectoryAction::trajectoryTimerCallback,
this
);
}
```
### 完整集成代码
```cpp
// 修改后的类定义
class FollowJointTrajectoryAction {
public:
explicit FollowJointTrajectoryAction(const std::string& name);
~FollowJointTrajectoryAction();
void enableMotors();
void goalCB();
void preemptCB();
void publishJointStatesCb(const ros::WallTimerEvent&);
void setupTPDOListeners();
void executeTrajectory(const control_msgs::FollowJointTrajectoryGoalConstPtr &goal);
void trajectoryTimerCallback(const ros::TimerEvent&);
private:
// 插补函数
std::vector<trajectory_msgs::JointTrajectoryPoint> interpolateTrajectory(
const trajectory_msgs::JointTrajectory& trajectory,
double interpolation_period = 0.001
);
ros::NodeHandle nh_;
actionlib::SimpleActionServer<control_msgs::FollowJointTrajectoryAction> as_;
std::string action_name_;
Motor motor1, motor2, motor3, motor4, motor5;
ros::Publisher joint_pub_;
ros::WallTimer joint_timer_;
std::vector<std::string> joint_names_ = {"joint1", "joint2", "joint3", "joint4", "joint5"};
std::mutex sdk_mtx_;
std::array<double, 5> pos_cache_{{0, 0, 0, 0, 0}};
std::mutex pos_cache_mutex_; // 位置缓存互斥锁
ros::Timer trajectory_timer_;
std::atomic<bool> trajectory_active_{false};
std::atomic<size_t> current_trajectory_point_{0};
control_msgs::FollowJointTrajectoryGoalConstPtr current_goal_;
// 插补轨迹存储
std::vector<trajectory_msgs::JointTrajectoryPoint> interpolated_trajectory_;
};
// 构造函数（移除reader_thread）
FollowJointTrajectoryAction::FollowJointTrajectoryAction(const std::string& name)
: motor1(1, 7929856), motor2(2, 7929856), motor3(3, 5308416), motor4(4, 5308416), motor5(5, 5308416),
as_(nh_, name, false), action_name_(name) {
enableMotors();
as_.registerGoalCallback(boost::bind(&FollowJointTrajectoryAction::goalCB, this));
as_.registerPreemptCallback(boost::bind(&FollowJointTrajectoryAction::preemptCB, this));
as_.start();
setupTPDOListeners();
joint_pub_ = nh_.advertise<sensor_msgs::JointState>("/joint_states", 10);
joint_timer_ = nh_.createWallTimer(ros::WallDuration(0.02),
&FollowJointTrajectoryAction::publishJointStatesCb,
this);
}
// 轨迹插补实现
std::vector<trajectory_msgs::JointTrajectoryPoint>
FollowJointTrajectoryAction::interpolateTrajectory(
const trajectory_msgs::JointTrajectory& trajectory,
double interpolation_period)
{
std::vector<trajectory_msgs::JointTrajectoryPoint> interpolated_points;
if (trajectory.points.empty()) return interpolated_points;
// 添加起始点
interpolated_points.push_back(trajectory.points[0]);
for (size_t i = 0; i < trajectory.points.size() - 1; ++i) {
const auto& start_point = trajectory.points[i];
const auto& end_point = trajectory.points[i + 1];
const double start_time = start_point.time_from_start.toSec();
const double end_time = end_point.time_from_start.toSec();
const double duration = end_time - start_time;
if (duration <= 0) {
ROS_WARN("Invalid trajectory segment duration: %f", duration);
continue;
}
// 计算插补点数
const size_t num_points = static_cast<size_t>(duration / interpolation_period);
for (size_t j = 1; j <= num_points; ++j) {
const double ratio = static_cast<double>(j) / (num_points + 1);
trajectory_msgs::JointTrajectoryPoint new_point;
new_point.positions.resize(5);
// 位置插值
for (size_t k = 0; k < 5; ++k) {
new_point.positions[k] = start_point.positions[k] +
ratio * (end_point.positions[k] - start_point.positions[k]);
}
// 速度插值（可选）
if (start_point.velocities.size() == 5 && end_point.velocities.size() == 5) {
new_point.velocities.resize(5);
for (size_t k = 0; k < 5; ++k) {
new_point.velocities[k] = start_point.velocities[k] +
ratio * (end_point.velocities[k] - start_point.velocities[k]);
}
}
// 设置时间
new_point.time_from_start = ros::Duration(start_time + j * interpolation_period);
interpolated_points.push_back(new_point);
}
// 添加终点
interpolated_points.push_back(end_point);
}
ROS_INFO("Interpolated trajectory points: %zu → %zu",
trajectory.points.size(), interpolated_points.size());
return interpolated_points;
}
// 轨迹执行函数
void FollowJointTrajectoryAction::executeTrajectory(
const control_msgs::FollowJointTrajectoryGoalConstPtr &goal)
{
trajectory_active_ = true;
current_trajectory_point_ = 0;
current_goal_ = goal;
// 执行轨迹插补
interpolated_trajectory_ = interpolateTrajectory(goal->trajectory);
if (interpolated_trajectory_.empty()) {
ROS_ERROR("Interpolated trajectory is empty!");
as_.setAborted();
trajectory_active_ = false;
return;
}
// 创建1ms周期的定时器
trajectory_timer_ = nh_.createTimer(
ros::Duration(0.001),
&FollowJointTrajectoryAction::trajectoryTimerCallback,
this
);
}
// 修改后的轨迹定时器回调
void FollowJointTrajectoryAction::trajectoryTimerCallback(const ros::TimerEvent& e) {
if (!trajectory_active_ || !current_goal_ || interpolated_trajectory_.empty()) return;
// === 同步读取当前位置 ===
std::array<double, 5> current_positions;
{
std::lock_guard<std::mutex> sdk_lock(sdk_mtx_);
current_positions = {
motor1.getCurrentPos(),
motor2.getCurrentPos(),
motor3.getCurrentPos(),
motor4.getCurrentPos(),
motor5.getCurrentPos()
};
}
// 更新位置缓存
{
std::lock_guard<std::mutex> cache_lock(pos_cache_mutex_);
pos_cache_ = current_positions;
}
// ========================
// 处理轨迹点
if (current_trajectory_point_ >= interpolated_trajectory_.size()) {
trajectory_active_ = false;
as_.setSucceeded();
ROS_INFO("Trajectory execution complete.");
return;
}
const auto& point = interpolated_trajectory_[current_trajectory_point_];
std::array<Motor*, 5> motors = {&motor1, &motor2, &motor3, &motor4, &motor5};
std::array<int, 5> motor_ids = {1, 2, 3, 4, 5};
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(sdk_mtx_);
for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
double pos = point.positions[i];
double vel = (i < point.velocities.size()) ? point.velocities[i] : 0;
motors[i]->moveToPosition(
motor_ids[i],
static_cast<int>(pos),
static_cast<int>(vel),
0, 0, // 加速度使用默认值
1, // 插补周期数
true, // 立即执行
false // 非阻塞
);
}
}
current_trajectory_point_++;
}
// 关节状态发布回调
void FollowJointTrajectoryAction::publishJointStatesCb(const ros::WallTimerEvent&) {
sensor_msgs::JointState joint_state_msg;
joint_state_msg.header.stamp = ros::Time::now();
joint_state_msg.name = joint_names_;
// 从缓存获取位置
std::array<double, 5> positions;
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(pos_cache_mutex_);
positions = pos_cache_;
}
joint_state_msg.position.assign(positions.begin(), positions.end());
joint_pub_.publish(joint_state_msg);
}
```
### 关键修改说明
1. **位置反馈同步传输**：
- 移除异步读取线程 `reader_thread_` 和相关变量
- 在1ms轨迹定时器中同步读取所有电机位置
- 使用双缓冲机制（`pos_cache_` + `pos_cache_mutex_`）确保数据一致性
- 关节状态发布使用缓存数据，避免在20ms回调中访问SDK
2. **轨迹插补实现**：
- 添加 `interpolateTrajectory` 线性插补函数
- 在接收新轨迹时进行插补预处理
- 生成1ms精度的插补点序列
- 修改定时器为1ms周期执行插补点
3. **性能优化**：
- 使用 `std::lock_guard` 确保线程安全
- 预计算插补轨迹减少实时计算量
- 批量读取电机位置减少SDK调用次数
### 注意事项
1. **实时性要求**：
- 确保ROS节点使用实时内核（`sudo apt-get install rt-preempt`）
- 设置线程优先级（例如使用 `pthread_setschedparam`）
- 测试实际循环时间是否满足1ms要求
2. **插补算法扩展**：
- 当前使用线性插值，如需更高精度可改为三次样条插值
- 可添加插补容错处理（如点间距过小则跳过插补）
3. **错误处理**：
- 添加电机通信失败重试机制
- 实现轨迹超时中断
- 增加位置误差检查
本文介绍了C++中利用boost库的current_exception_cast函数进行异常转换的方法，提供了示例代码展示如何在异常处理中转换异常类型。通过该函数，可以在不同类型的异常之间灵活转换，增强代码的健壮性。
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