datetime:2025/06/23 11:50

author:nzb

轮式移动机器人的控制器

差分驱动移动机器人的控制器（diff_drive_controller）

• 它接收机器人身体的速度指令，并将这些指令转换为差分驱动底盘的轮子指令。
• 从硬件反馈计算里程计并发布。

• 对于移动机器人运动学的介绍以及此处使用的术语，请参阅《轮式移动机器人运动学》。

• 其他特性

  • 实时安全实现。
  • 里程计发布
  • 任务空间速度、加速度和加加速度限制
  • 命令超时后自动停止

• 控制器接口的描述

  • 反馈：作为反馈接口类型，使用关节的位置（ hardware_interface::HW_IF_POSITION ）或速度（ hardware_interface::HW_IF_VELOCITY ，如果参数 position_feedback=false 设置）。
  • 输出：关节速度（ hardware_interface::HW_IF_VELOCITY ）被使用。

• ROS2 接口

  • 订阅者
    • ~/cmd_vel [geometry_msgs/msg/TwistStamped]：控制器速度指令，如果 use_stamped_vel=true 。控制器提取线性速度的 x 分量和角速度的 z 分量。其他分量的速度被忽略。
    • ~/cmd_vel_unstamped [geometry_msgs::msg::Twist]：控制器速度指令，如果 use_stamped_vel=false 。控制器提取线性速度的 x 分量和角速度的 z 分量。其他分量的速度被忽略。
  • 发布者
    • ~/odom [nav_msgs::msg::Odometry]：这表示机器人在自由空间中的位置和速度的估计值。
    • /tf [tf2_msgs::msg::TFMessage]：tf 树。仅当 enable_odom_tf=true 存在时发布。
    • ~/cmd_vel_out [geometry_msgs/msg/TwistStamped]：控制器使用的速度指令，其中已应用限制。仅当 publish_limited_velocity=true 时发布。
  • 参数：参考链接

万向轮驱动控制器(mecanum_drive_controller)

用于配备 mecanum 驱动（四个 mecanum 轮）的移动机器人控制器的共享功能库。该库实现了通用的里程计和更新方法，并定义了主要接口。

• 控制器的执行逻辑

  控制器使用速度输入，即带有时间戳的 Twist 消息，其中使用线性组件 x 、 y 和角组件 z 。其他组件的值被忽略。在链模式中，控制器提供三个参考接口，一个用于线速度，一个用于转向角位置。其他相关特性包括：

  • 以 Odometry 和 TF 消息形式发布里程计
  • 基于参数输入命令超时。

关于里程计计算：在 DiffDRiveController 中，速度会被过滤掉，但我们倾向于返回原始数据并让用户自行进行后处理。我们更倾向于这种方式，因为过滤会引入延迟（这使得解释和比较行为曲线变得困难）。

• 控制器接口的描述

  • 参考（来自前一个控制器）
    • 当控制器处于串联模式时，它会暴露以下参考，这些参考可以被前一个控制器命令：
    • <controller_name>/linear/x/velocity, in m/s
    • <controller_name>/linear/y/velocity, in m/s
    • <controller_name>/linear/z/velocity, in rad/s
  • 指令
    • <*_wheel_command_joint_name>/velocity, in rad/s

  • 状态

    • <joint_name>/velocity, in rad/s

  • 订阅者

    • 当控制器不在串联模式时使用（ in_chained_mode == false ）。
    • <controller_name>/reference [ geometry_msgs/msg/TwistStamped ] 控制器的速度指令，如果 use_stamped_vel == true 。
    • <controller_name>/reference_unstamped [ geometry_msgs/msg/Twist ] 控制器的速度指令，如果 use_stamped_vel == false 。
  • 发布者
    • <controller_name>/odometry [nav_msgs/msg/Odometry]
    • <controller_name>/tf_odometry [tf2_msgs/msg/TFMessage]
    • <controller_name>/controller_state [control_msgs/msg/MecanumDriveControllerState]
  • 参数：参考链接

转向控制器库(steering_controllers_library)

• 一个用于具有转向驱动（2 个自由度）的移动机器人控制器的库，具有所谓的非完整约束。
• 该库实现了通用的里程计和更新方法，并定义了主要接口。
• 更新方法仅使用逆运动学，它没有实现任何反馈控制回路，例如路径跟踪控制器等。
• 对于移动机器人运动学的介绍以及此处使用的术语，请参阅《轮式移动机器人运动学》。

控制器的执行逻辑

控制器使用速度输入，即带时间戳或不带时间戳的 twist 消息，其中使用线性 x 和角速度 z 分量。其他分量中的值被忽略。 在链模式中，控制器提供两个参考接口，一个用于线速度，一个用于转向角位置。其他相关功能包括：

• 支持前轮和后轮转向配置；
• 以 Odometry 和 TF 消息形式发布里程计
• 基于参数输入命令超时。

轮子的指令通过 odometry 库计算得出，该库基于具体的运动学模型计算牵引和转向指令。

当前实现的运动学模型

自行车(bicycle_steering_controller)：具有一个转向关节和一个驱动关节；

该控制器实现了具有两个轴和两个轮子的运动学，其中一个轴上的轮子是固定的（牵引/驱动），另一个轴上的轮子是可转向的。

控制器期望有一个用于牵引的指令关节和一个用于转向的指令关节。如果你的阿克曼转向车辆在轴上使用差速器，那么你应该使用这个控制器，因为你可以为轴线中间的虚拟轮命令一个牵引速度和一个转向角。

有关控制器执行和接口的更多详细信息，请查看转向控制器库。

• 参数：参考链接

三轮车(tricycle_steering_controller)：具有一个转向关节和两个驱动关节；

该控制器使用两个轴和三个轮实现运动学，其中每个轴上有两个轮是固定的（牵引/驱动），另一个轴上的轮是可转向的。

控制器期望有两个牵引关节，每个固定轮一个，还有一个转向关节。

有关控制器执行和接口的更多详细信息，请查看转向控制器库。

阿克曼(ackermann_steering_controller)：具有两个转向和两个驱动关节。

该控制器实现了具有两个轴和四个轮子的运动学，其中一个轴上的轮子是固定的（牵引/驱动）轮，另一个轴上的轮子是可转向的。

该控制器期望有两个用于牵引的指令关节，每个固定轮一个，以及两个用于转向的指令关节，每个轮子一个。

有关控制器执行和接口的更多详细信息，请查看转向控制器库。

控制器接口的描述

• 参考（来自前一个控制器）

  • 当控制器处于链式模式（ in_chained_mode == true ）时使用。
    • <controller_name>/linear/velocity double, in m/s
    • <controller_name>/angular/velocity double, in rad/s

• 命令接口

  • 如果参数 front_steering == true
    • <front_wheels_names[i]>/position double, in rad
    • <rear_wheels_names[i]>/velocity double, in rad/s
  • 如果参数 front_steering == false
    • <front_wheels_names[i]>/velocity double, in rad/s
    • <rear_wheels_names[i]>/position double, in rad

• 状态接口

  • 根据 position_feedback ，期望不同的反馈类型
    • position_feedback == true –> TRACTION_FEEDBACK_TYPE = position
    • position_feedback == false –> TRACTION_FEEDBACK_TYPE = velocity
  • 如果参数 front_steering == true
    • <front_wheels_names[i]>/position double, in rad
    • <rear_wheels_names[i]>/<TRACTION_FEEDBACK_TYPE> double, in rad or rad/s
  • 如果参数 front_steering == false
    • <front_wheels_names[i]>/<TRACTION_FEEDBACK_TYPE> double, in rad or rad/s
    • <rear_wheels_names[i]>/position double, in rad
• 订阅者
  • 当控制器不在链式模式下使用（ in_chained_mode == false ）。
    • use_stamped_vel == true -> <controller_name>/reference [geometry_msgs/msg/TwistStamped]
    • use_stamped_vel == false -> <controller_name>/reference_unstamped [geometry_msgs/msg/Twist]
• 发布者
  • <controller_name>/odometry [nav_msgs/msg/Odometry]
  • <controller_name>/tf_odometry [tf2_msgs/msg/TFMessage]
  • <controller_name>/controller_state [control_msgs/msg/SteeringControllerStatus]
• 参数：参考链接

三轮车控制器(tricycle_controller)

适用于单轮双驱动移动机器人的控制器，包括牵引力和转向功能。例如，前轮为驱动轮、后轴上安装两个从动轮的三轮机器人。

控制输入为机器人 base_link 的旋转指令，这些指令被转换为三轮驱动底盘的牵引力和转向指令。里程计根据硬件反馈计算并发布。

对于移动机器人运动学的介绍以及此处使用的术语，请参阅《轮式移动机器人运动学》。

• 其他特性：实时安全实现。里程计发布速度、加速度和加加速度限制。指令超时后自动停止
• ROS 2 接口
  • 订阅者
    • ~/cmd_vel [geometry_msgs/msg/TwistStamped]