feat: M2驱动更新

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杨明 2024-06-11 17:50:10 +08:00
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# Autolabor ROS 驱动模块
## 1. 介绍
Autolabor ROS驱动模块包含**CANBus驱动**和**Autolabor CAN系列(PM1/M2) 底盘驱动**其主要功能包括与Autolabor_CANbus模块通信并通过线速度和角速度控制Autolabor Can系列底盘行驶。
## 1. 介绍
#### 特性
Autolabor ROS驱动模块包括**CANBus驱动**和**Autolabor CAN系列(PM1/M2) 底盘驱动**主要用于实现与Autolabor_CANbus模块的通信并通过线速度和角速度来控制Autolabor CAN系列底盘的行驶。该模块提供了全面的底盘控制策略和状态反馈机制使得底盘的操作既直观又高效。
- 可直接获取CANBus网络内数据并通过CAN指令控制车辆
- 获取动力轮编码器原始数值
- 获取转向轮编码器原始数值
- 分别控制动力轮的转速
- 控制转向轮的绝对转向角度
- 可通过线速度与角速度控制移动底盘,无需单独控制后轮转向
- 提供实时机器人底盘位置信息,方便闭环控制
- 双动力轮电子差速控制,保证机器人在行驶过程中始终满足阿克曼原理
- 根据后轮转向优化车辆运动速度,在保证车辆在行驶精度前提下,确保车辆行驶的流畅性
### 特性
## 2. 节点
- **CANBus数据获取和控制**: 直接从CANBus网络获取数据并通过CAN指令控制车辆。能够获取动力轮和转向轮编码器的原始数值并独立控制动力轮的转速及转向轮的绝对转向角度。
- **高级速度控制**: 通过线速度和角速度直接控制移动底盘,无需单独控制后轮转向。这一特性简化了驱动操作并增强了操作的直观性。
- **实时位置信息**: 提供实时的机器人底盘位置信息,便于进行闭环控制,确保导航和定位的精确性。
- **电子差速控制**: 采用双动力轮电子差速控制,保证机器人在行驶过程中始终满足阿克曼原理,从而提高行驶稳定性和精度。
- **运动优化**: 根据后轮转向动态优化车辆的运动速度,确保在维持行驶精度的前提下,提升车辆行驶的流畅性。
- **驻车和急停控制**: 驱动包括了高级的驻车和急停特性,能够在紧急情况下快速响应,立即停车,保障操作安全。
- **电量反馈和状态监控**: 驱动能够实时监控底盘的电量状态并反馈至ROS系统同时持续监控底盘各部件的状态及时报告任何异常情况确保系统的可靠运行。
大多数情况下,不需要修改驱动参数,只配置底盘所链接的串口即可,可直接按照 章节 3 ROS 使用说明即可
## 2. 编译与安装
### 2.1 canbus_driver
该节点提供与底层AutoCan的通讯将CAN网络中的数据进行解析并发布至canbus_msg话题中并开启canbus_server服务提供其他节点调用用以发送CAN指令到CAN网络中。
该节点的结构如图所示:
<div align=left>
<img src="img/canbus_driver.png" width = 70% height = 70% />
</div>
#### 2.1.1 订阅话题
#### 2.1.2 发布话题
/canbus_msg ([autolabor_canbus_driver/CanBusMessage](doc/CanBusMessage))
~~~
将底层CAN网络中的数据发布在ROS话题中提供其他节点读取
~~~
#### 2.1.3 服务
/canbus_server ([autolabor_canbus_driver/CanBusService](doc/CanBusService))
~~~
提供其他节点调用用于往底层CAN网络中发布指令
~~~
#### 2.1.4 参数
~port_name (str, default: /dev/ttyUSB0)
~~~
CANBus串口端口名
~~~
~baud_rate (int, default: 115200)
~~~
CANBus串口波特率
~~~
~parse_rate (int, default: 100)
~~~
数据解析器从串口获取新数据的频率
~~~
### 2.2 M2底盘驱动
此节点主要用于接收用户发送的速度信息,控制转向轮转动,并根据后轮当前角度结合阿克曼模型优化求解动力轮的转动速度,控制移动底盘进行移动,同时根据动力轮编码器的反馈,输出轮速里程计信息。
该节点结构如下:
<div align=left>
<img src="img/pm1_driver.png" width = 70% height = 70% />
</div>
#### 2.2.1 订阅话题
/cmd_vel ([geometry_msgs/Twist](http://docs.ros.org/api/geometry_msgs/html/msg/Twist.html))
```
外部节点发送的速度信息
```
/canbus_msg ([autolabor_canbus_driver/CanBusMessage](doc/CanBusMessage))
```
由canbus_driver发送的底层CANBus消息其中包含转向轮当前绝对编码器以及动力轮的编码器信息
```
#### 2.2.2 发布话题
/odom ([nav_msgs/Odometry](http://docs.ros.org/api/nav_msgs/html/msg/Odometry.html))
```
根据动力轮以及转向轮的编码器信息,依据车辆运动模型,计算出的轮速里程计信息
```
/wheel_angle ([std_msgs/Float64](http://docs.ros.org/api/std_msgs/html/msg/Float64.html))
```
转向轮实时绝对转角单位rad
```
/left_wheel_vel ([std_msgs/Float64](http://docs.ros.org/api/std_msgs/html/msg/Float64.html))
```
左轮转速单位m/s。如果需要获得编码器读取的原始转速只需要将轮速除以车轮半径0.16m即可。
```
/right_wheel_vel ([std_msgs/Float64](http://docs.ros.org/api/std_msgs/html/msg/Float64.html))
```
右轮转速单位m/s。如果需要获得编码器读取的原始转速只需要将轮速除以车轮半径0.16m即可。
```
#### 2.2.3 服务
/reset_odom ([std_srvs::Empty](http://docs.ros.org/api/std_srvs/html/srv/Empty.html))
~~~
里程计清零,将里程计的原点放置在执行指令的位置
~~~
#### 2.2.4 参数
~odom_frame (str, default: odom)
```
里程计坐标系名称
```
~base_frame (str, default: base_link)
```
移动底盘坐标系名称
```
~ecu_left_id (int, default: 0)
```
左侧动力单元的CAN节点编号出厂已设置好无需修改
```
~ecu_right_id (int, default: 1)
```
右侧动力单元的CAN节点编号出厂已设置好无需修改
```
~tcu_id (int, default: 0)
```
转向单元的CAN节点编号出厂已设置好无需修改
```
~rate (int, default: 10)
```
速度控制以及里程计更新频率,单位 Hz
```
~reduction_ratio (double, default: 20.0)
```
动力单元编码器与车轮转速比例(和机械结构相关,无需修改)
```
~encoder_resolution (double, default: 1600.0)
```
动力单元编码器转动一圈产生的脉冲数(与编码器参数相关,无需修改)
```
~wheel_diameter (double, default: 0.211)
```
动力轮车轮直径,单位 m
```
~wheel_spacing (double, default: 0.412)
```
动力轮轮间距(两个动力轮中心之间的距离),单位 m
```
~shaft_spacing (double, default: 0.324)
```
前后轮轴间距(转向轮中心到动力轮连线的距离),单位 m
```
~max_speed (double, default: 2.0)
```
机器人底盘直线行驶最大速度,单位 m/s
```
~twist_timeout (double, default: 1.0)
```
速度控制超时时间,底盘的保护策略,最近一次的速度控制信息距当前时间超过这个时间,则强制移动底盘停止,单位 s
```
~optimize_limit (double, default: 0.785)
```
底盘行驶控制优化参数,用于设置底盘控制流畅程度,可设置范围为[0,PI/2],值越小表示执行越精确,但行驶流畅程度越低;值越大表示执行流畅程度越高,但精确度越低(如果没有特殊需求,一般保持默认值)
```
~smooth_coefficient (double, default: 0.1)
```
底盘行驶控制平滑参数,用于设置底盘速度变化平滑程度,可设置范围为(0,1]其中值越小表示速度变化越平缓反之速度变化越剧烈。值为1时表示对速度信息不进行平滑处理
```
~publish_tf (bool, default: true)
```
设置是否发布odom->base_link的TF转换
```
#### 2.2.5 TF转换信息
odom -> base_link
```
提供车体坐标系与里程计坐标系间转换关系
```
## 3 ROS使用说明
### 3.1 底盘连接
将M2的串口线插入笔记本电脑或工控机打开底盘电源和急停开关
打开Terminal输入
```
ll /dev/ttyUSB*
```
查看是否有设备列表,如果没有设备,请检查底盘与电脑的连接情况,如果设备多于一个,请通过拔插其他传感器设备,确定底盘的对应的设备节点名,假设节点名为 /dev/ttyUSB0。
### 3.2 源码编译与执行
获取源码
联系商务人员获得底盘源代码
安装编译工具
```
sudo apt-get install python3-catkin-tools
```
引入ROS环境变量
```
### 2.1 引入ROS环境变量
在启动ROS相关程序前确保ROS环境变量已经正确配置。在终端执行以下命令以导入环境变量
```bash
source /opt/ros/noetic/setup.bash
```
将源代码复制到工作空间 src 目录下
包含两个目录
autolabor_m2_ros_driver
autolabor_keyboard_control
进入工作空间源代码目录
修改 launch 文件(autolabor_canbus_driver/launch/m2keyboard.launch )中的底盘串口地址
将 port_name 项的值,修改为您的底盘串口地址。
可通过 ls /dev/ttyUSB* 查找。
建议您设定 udev 规则,将其设定成固定名字,以防止串口地址变化
关于串口 udev 规则的修改,可参考
http://www.autolabor.com.cn/usedoc/navigationKit2/common/q_a/doc1#1
章节 7. (接上问)“ 我就想换台计算机,然后把设备用起来,那我该怎么办?”
确保您的串口已经增加了当前用户的操作权限,可通过以下命令实现。
```
### 2.2 添加串口权限或配置udev规则
为确保程序可以正常访问底盘的串口,需要给予相应的权限。可以通过以下命令临时赋予权限:
```bash
sudo chmod 666 /dev/ttyUSB0
```
或者设置udev规则为串口设定固定的设备名称详情参见[Autolabor官方文档](http://www.autolabor.com.cn/usedoc/navigationKit2/common/q_a/doc1#1)。
```
<launch>
<node name="canbus_driver" pkg="autolabor_canbus_driver" type="canbus_driver" output="screen">
<param name="port_name" value="/dev/ttyUSB0" />
</node>
<node name="m2_driver" pkg="autolabor_canbus_driver" type="m2_driver" output="screen" />
<node name="keyboard_control" pkg="autolabor_keyboard_control" type="keyboard_control_node" output="screen">
<param name="linear_min" value="0.2" />
<param name="linear_max" value="0.75" />
<param name="linear_step" value="0.1" />
<param name="angular_min" value="0.314" />
<param name="angular_max" value="1.57" />
<param name="angular_step" value="0.314" />
</node>
</launch>
### 2.3 修改launch文件
在启动底盘前需要在launch文件中指定正确的串口地址。编辑`m2keyboard.launch`文件,确保`port_name`的值反映了当前设备的串口地址:
```xml
<param name="port_name" value="/dev/ttyUSB0" />
```
cd ~/catkin_ws/src
编译源代码
```
catkin build
```
引入环境变量
```
source ~/catkin_ws/devel/setup.bash
```
启动底盘键盘控制
注意需要在桌面环境下的控制台运行,远程 SSH 没有桌面环境会因无法找到 X11Server 报错
```
### 2.4 启动launch
编译并加载ROS工作环境后使用以下命令启动底盘
```bash
roslaunch autolabor_canbus_driver m2keyboard.launch
```
确保在图形界面的终端运行以避免X11Server相关的错误。
```
## 3. 节点使用详细信息
### 3.1 启动launch
完成配置后,通过`roslaunch`命令启动底盘控制程序。这将激活包括底盘驱动、键盘控制以及其他必要节点。确保在图形用户界面的终端中运行此命令以避免遇到X11Server相关的错误。
### 3.2 控制运动
#### a. 键盘控制
运行键盘控制节点后使用键盘上的指令控制底盘前进、后退、左转和右转。观察RViz中的`base_link`是否根据指令正确移动。此外,监测各轮的运动是否平滑且响应及时。
#### b. cmd_vel vs ackerman_vel
- **`cmd_vel`(标准速度控制)**:
使用`geometry_msgs/Twist`消息类型发送线速度和角速度指令,控制底盘的整体移动方向和速度。
- **`ackerman_vel`(阿克曼转向速度控制)**:
除了标准的线速度和角速度外,额外控制前轮的转角,适用于需要精确转向控制的场景。
### 3.3 使用rqt_gui工具发送指令和服务
#### a. 发送控制指令
通过`rqt_gui`发送以下指令:
- **紧急停车** (`/emergency_stop`): 立即停止底盘运动。
- **刹车** (`/brake_set`): 控制底盘的刹车系统。
- **里程计清零** (`/reset_odom`): 重置底盘的里程计数据。
- **转向中心对齐** (`/steer_center_bias`): 调整转向轮的中心位置。
#### b. 调用服务节点
- **查询底盘参数** (`/chassis_parameter`): 获取或设置底盘的配置参数,如轮间距、轮直径等。
#### c. 绘图监听
使用rqt的绘图功能来实时监控和分析以下数据
- **前轮转角** (`/wheel_angle`): 显示实时转向角度。
- **左右轮速度** (`/left_wheel_vel`, `/right_wheel_vel`): 监控各动力轮的速度。
#### d. 话题查看
关注以下话题以获取底盘状态和电量信息:
- **车辆状态** (`/chassis_info`): 提供底盘的详细状态,如电量、温度等。
- **电量信息** (`/chassis_monitor`): 监测底盘的电池电量和健康状态。
### 3.4 参数说明
在底盘驱动的配置中,可以通过设置以下参数来定制驱动的行为和性能:
- **`odom_frame`**: 用于发布里程计信息的坐标系名称,默认为`"odom"`。这是底盘位置信息的参考坐标系。
- **`base_frame`**: 底盘的基础坐标系名称,默认为`"base_link"`。这是底盘上各个组件和传感器的相对参考点。
- **`poller_rate_hz`**: 设置查询CAN总线信息的频率单位是赫兹Hz默认为1Hz。这影响电量及状态数据更新的实时性。
- **`publish_tf`**: 是否发布TF变换数据布尔值用于控制是否在ROS网络中发布从`odom`到`base_link`的转换,默认关闭。
### 3.5 话题订阅与发布
#### 订阅话题
底盘驱动节点订阅以下话题,以接收外部控制命令和系统指令:
- **`/cmd_vel`** (`geometry_msgs/Twist`): 接收标凈的速度指令,控制底盘的线速度和角速度。
- **`/ackerman_vel`** (`geometry_msgs/Twist`): 接收针对阿克曼转向系统的速度和转向角度指令。
- **`/steer_center_bias`** (`std_msgs/Float64`): 接收用于调整转向中心的偏置值,用于微调转向准确性。
- **`/brake_set`** (`std_msgs/Bool`): 接收制动指令,用于控制底盘的停止和启动。
- **`/reset_odom`** (`std_msgs/Empty`): 接收里程计重置指令,用于归零里程计数据。
- **`/emergency_stop`** (`std_msgs/Bool`): 接收紧急停车指令,用于立即停止所有底盘运动。
#### 发布话题
底盘驱动节点发布以下话题,提供底盘的状态信息和运动反馈:
- **`/odom`** (`nav_msgs/Odometry`): 发布底盘的里程计信息,包括位置和速度。
- **`/chassis_info`** (`autolabor_canbus_driver/ChassisStatusInfo`): 发布底盘的状态信息,如电量、温度等。
- **`/chassis_monitor`** (`autolabor_canbus_driver/ChassisMonitorInfo`): 发布底盘的监控信息,提供实时的健康状况和性能数据。
- **`/wheel_angle`** (`std_msgs/Float64`): 发布当前前轮的转角,单位为弧度。
- **`/left_wheel_vel`** (`std_msgs/Float64`): 发布左轮的速度,单位为米/秒。
- **`/right_wheel_vel`** (`std_msgs/Float64`): 发布右轮的速度,单位为米/秒。
### 3.6 服务节点
底盘驱动提供以下ROS服务以支持参数查询和配置
- **`/chassis_parameter`** (`autolabor_canbus_driver/ChassisParameterServer`): 这个服务端点用于查询或设置底盘的参数。如果参数已经设置,则返回当前参数;如果未设置,则返回失败。这使得用户可以动态地调整底盘配置,以适应不同的工作条件和需求。