datetime:2025/05/07 11:01
author:nzb

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架构

ros2_control 框架的源代码可以在 ros2_control 和 ros2_controllers GitHub 存储库中找到。下图显示了 ros2_control 框架的体系结构。

控制器管理器

控制器管理器（CM） 连接 ros2_control 框架的控制器和硬件抽象端。它还通过 ROS 服务作为用户的入口点。CM 在没有执行程序的情况下实现节点，以便可以将其集成到自定义设置中。但是，通常建议使用 controller_manager 包中 ros2_control_node 文件中实现的默认 node-setup。本手册假定您使用此默认 node-setup。

一方面，CM 管理（例如加载、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 Resource Manager）访问硬件组件，即它们的接口。Controller Manager 匹配必需的接口和提供的接口，在启用时授予控制器对硬件的访问权限，或者在存在访问冲突时报告错误。

控制循环的执行由 CM 的 update（） 方法管理。它从硬件组件中读取数据，更新所有活动控制器的输出，并将结果写入组件。

资源管理器

Resource Manager （RM） 抽象化了 ros2_control 框架的物理硬件及其驱动程序（称为硬件组件 ）。RM 使用 pluginlib-library 加载组件，管理其生命周期以及组件的状态和命令接口。RM 提供的抽象允许重用已实现的硬件组件，例如机器人和夹持器，无需任何实现，以及用于状态和命令接口的灵活硬件应用程序，例如，用于电机控制和编码器读取的单独硬件/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。

控制器

ros2_control 框架中的控制器基于控制理论。他们将参考值与测量输出进行比较，并根据此误差计算系统的输入。控制器是从 ControllerInterface（ros2_control 中的 controller_interface 包）派生的对象，并使用 pluginlib-library 导出为插件。有关控制器的示例，请查看 ros2_controllers 存储库中的 ForwardCommandController 实现 。控制器生命周期基于 LifecycleNode 类，该类实现 Node 生命周期设计文档中描述的状态机。

执行 control-loop 时，调用 update（） 方法。该方法可以访问最新的硬件状态，并使控制器能够写入硬件命令接口。

用户界面

用户使用 Controller Manager 的服务与 ros2_control 框架进行交互。有关服务及其定义的列表，请检查 controller_manager_msgs 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，但存在一个用户友好的命令行界面 （CLI），它与 ros2 CLI 集成。它支持自动完成，并提供了一系列常用命令。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 。

硬件组件

硬件组件实现与物理硬件的通信，并在 ros2_control 框架中表示其抽象。组件必须使用 pluginlib-library 导出为插件。Resource Manager 动态加载这些插件并管理其生命周期。

有三种基本类型的组件：

  • System

复杂（多自由度）机器人硬件，例如工业机器人。与执行器组件Actuator的主要区别在于，它能够使用复杂的传动装置，例如人形机器人手所需的传动装置。该组件具有读写功能。当只有一个逻辑通信通道连接到硬件（例如 KUKA-RSI）时，可以使用它。

  • Sensor

机器人硬件用于感应其环境。传感器组件与关节（例如编码器）或连杆（例如力扭矩传感器）相关。此组件类型仅具有读取功能。

  • Actuator

简单的 （1 自由度） 机器人硬件，如电机、阀门等。平动电机实现仅与一个关节相关。此组件类型具有读取和写入功能。如果不可能，则读取不是强制性的（例如，使用 Arduino 板进行直流电机控制）。如果其硬件支持模块化设计，例如与每个电机独立进行 CAN 通信，则执行器类型也可以与多自由度机器人一起使用。

硬件组件的详细说明在 Hardware Access through Controllers 设计文档中给出。

在 URDF 中的硬件描述

ros2_control 框架使用机器人 URDF 文件中的 <ros2_control> 标签来描述其组件，即硬件设置。所选结构可以将多个 xacro-macro 一起跟踪到一个中，而无需进行任何更改。以下示例显示了一个位置控制机器人，该机器人具有 2-DOF （RRBot）、外部 1-DOF 力-扭矩传感器和一个外部控制的 1-DOF 平行夹具作为其末端执行器。有关更多示例和详细说明，请查看 ros2_control_demos 站点和 ROS 2 控制组件 URDF 示例设计文档 。

<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>

迁移此框架到你机器人上

要运行 ros2_control 框架，请执行以下作。示例文件可以在 ros2_control_demos 存储库中找到。

  • 使用控制器管理器和两个控制器的配置创建一个 YAML 文件。（RRBot 的示例配置 ）
  • 使用所需的 <ros2_control> 标记扩展机器人的 URDF 描述。建议使用宏文件 （xacro） 而不是纯 URDF。（ RRBot 的 URDF 示例 ）
  • 创建启动文件以使用 Controller Manager 启动节点。您可以使用默认的 ros2_control 节点 （推荐）或将控制器管理器集成到您的软件堆栈中。（ RRBot 的示例启动文件 ）

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