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搭建ROS小车底盘-第六篇ros_arduino_bridge功能包的使用

搭建ROS小车底盘-ros_arduino_bridge功能包的使用

说明

  • 介绍ros_arduino_bridge功能包

ROSArduinoBridge

  • 这个ROS功能包集包括了Arduino库（ROSArduinoBridge）和一系列用来控制基于Arduino的ROS功能包，它使用的是标准的ROS消息和服务。这个功能包集并不依赖于ROS串口
  • 使用这个功能包时，注意选择相应的版本，因为不同的版本之间有些并不能兼容。indigo-devel branch是针对ROS Indigo以及更高版本的，它使用的是Catkin编译系统。
  • 这个功能包集包括一个兼容不同驱动的机器人的基本控制器（base controller），它可以接收ROS Twist类型的消息，可以发布里程数据到个人电脑。这个控制器（base controller）要求使用一个电机控制器和编码器来读取里程数据

特点

  • 可以直接支持ping声呐和Sharp红外线传感器
  • 也可以从通用的模拟和数字信号的传感器读取数据
  • 可以控制数字信号的输出
  • 支持PWM伺服机
  • 如果使用所要求的硬件的话，可以配置基本的控制
  • 如果你的Arduino编程基础好的话，并且具有python基础的话，你就可以很自由的改动代码来满足你的硬件要求

目前indigo-devel版本的功能包集支持下面的控制器硬件

注意：

  • Robogaia Mega Encoder shield 仅适用于Arduino Mega，
  • 板上编码计数器(ARDUINO_ENC_COUNTER)目前仅支持Arduino Uno
  • 上面非硬性规定，有一定的编程基础，你也可以按需更改

系统要求：

  1. 安装python-serial功能包（Ubuntu）

  • 介绍：这个功能包集可以在兼容Arduino的控制器上进行读取传感器上的数据，以及控制PWM伺服机。但是你必须具备上面所说的被支持的硬件（电动机控制器和编码器），你才能使用这个功能包集中的基本控制器（base controller）

  • 安装：

$ sudo apt-get install python-serial

或

$ sudo pip install --upgrade pyserial

或

$ sudo easy_install -U pyserial
  1. 安装电动机控制器和编码器合适的库
  • 对于上面提到过的Pololu VNH5019 Dual Motor Shield，它的相应的库可以在这里找到：访问库
  • 对于Pololu MC33926 Dual Motor Shield，则在这里可以找到对应的库：访问库
  • Robogaia Mega Encoder shield的库可以在这里找到:访问库
  • 这些库应该被安装到你的标准Arduino sketchbook/libraries路径下面
  • 这个功能包集假设你使用的Arduino IDE的版本是1.0或以上。

Linux下连接Arduino

  1. Arduino很可能是通过接口/dev/ttyACM# 或者 /dev/ttyUSB#来连接你的Linux系统的。这里的#可以是0,1,2等数字，当然这根据你连接的设备数量而定。得到这个数字#最简单的方式就是拔掉所有的USB设备，然后插上你的Arduino，然后运行下面这个命令
$ ls /dev/ttyACM*

或

$ ls /dev/ttyUSB*

  1. 上面这两个命令的有一个可以返回你想要的结果（例如/dev/ttyACM0），假设你的Arduino连接的是/dev/ttyACM0

  2. 查看接口的访问权限

$ ls -l /dev/ttyACM0
crw-rw—- 1 root dialout 166, 0 2013-02-24 08:31 /dev/ttyACM0
  • 上面的结果中，只有root和”dialout”组才有读写权限
  • 你需要成为dialout组的一个成员。你仅仅需要马上加入这组中，并且它会对你之后插入的所有的USB设备都起作用。
  1. 运行这个命令来加入dialout组
$ sudo usermod -a -G dialout your_user_name
  • 命令中your_user_name就是你在Linux下登录的用户名。之后你可能需要注销登录，然后再重新登录进去，或者就简单的重启一下电脑
  • 确认已经成功让用户加入组，如果你可以在列出的组中找到dialout，这就说明你已经加入到dialout中了
$ groups

安装ros_arduino_bridge功能包集

  1. 安装ros_arduino_bridge
$ cd ~/catkin_workspace/src
$ git clone https://github.com/hbrobotics/ros_arduino_bridge.git
$ cd ~/catkin_workspace
$ catkin_make
  • 这个被提供的Arduino库叫做ROSArduinoBridge，你可以在 ros_arduino_firmware功能包中找到
  1. 安装ROSArduinoBridge库：
  • 进入SKETCHBOOK_PATH是指你的Arduino sketchbook路径
$ cd SKETCHBOOK_PATH
  • CP命令就是把ROSArduinoBridge sketch文件拷贝到你的sketchbook文件夹下面
$ cp -rp `rospack find ros_arduino_firmware`/src/libraries/ROSArduinoBridge ROSArduinoBridge
  • 如果之前已经有先删除
$ cd SKETCHBOOK_PATH
$ rm -R ROSArduinoBridge
  1. 编译上传ROSArduinoBridge的Sketch
  • 打开Arduino IDE找到File->Sketchbook->ROSArduinoBridge
  • 如果你正在使用基础控制器功能包（base controller），那么你必须确保你已经在Arduino sketchbook/libraries文件夹里面安装了合适的电动机控制器和编码器的相关库
  • 你可以通过去掉或保留相关的宏定义声明，来选择你想用的电动机控制器，同时你还要将其他电动机控制器的宏声明注释掉,默认选择的是Pololu VNH5019 driver
  • 你也可以用相同的方法选择你想使用的编码器。默认选择的是Pololu VNH5019 driver
  • 想让你的基础控制器控制PWM伺服机的话,找到代码行：
//#define USE_SERVOS
#undef USE_SERVOS

更改为：

#define USE_SERVOS
//#undef USE_SERVOS
  • 修改头文件servos.h改变其中的N_SERVOS参数，
  • 你还需要根据你的伺服机所接的引脚修改相应的引脚数字
  • 一切都准备好后，你就可以把这个sketch编译并上传到你的Arduino板子

固件测试

  1. 串口监视器
  • 这个ROSArduino库接受单字母命令来轮询传感器、控制伺服机、驱动机器人以及读取编码器。
  • 这些命令可以通过串口接口来发送给Arduino，比如Arduino的串口监视器
  • 把串口监视器的波特率设置为57600然后把行结束符设置为“Carriage return（回车）”和“Both NL & CR”（NL和CR）。这些设置选项在串口监视器右下角的两个下拉菜单中。如下图所示：
    请输入图片描述
  1. 目前的列表包括这些命令(命令列表可以在头文件commands.h中找到)
#define ANALOG_READ    'a'
#define GET_BAUDRATE   'b'
#define PIN_MODE       'c'
#define DIGITAL_READ   'd'
#define READ_ENCODERS  'e'
#define MOTOR_SPEEDS   'm'
#define PING           'p'
#define RESET_ENCODERS 'r'
#define SERVO_WRITE    's'
#define SERVO_READ     't'
#define UPDATE_PID     'u'
#define DIGITAL_WRITE  'w'
#define ANALOG_WRITE   'x'
  1. 命令使用例子
  • 如果你想从模拟引脚pin3读取数据，就发送这个命令： a 3
  • 你想改变数字引脚pin3的模式为OUTPUT，就发送这个命令： c 3 1
  • 得到目前编码器的计数，就发送这个命令：e
  • 让机器人以每秒20个encoder ticks的速度向前移动，就发送这个命令：m 20 20
  • 这些命令有些需要有对应的参数，比如a 3中3代表模拟引脚3

连线测试

  • 在一个差速轮式机器人上，电动机使用两个极性相反的接头来连接到电动机控制器上的

  • 同样地，连接到编码器上的A/B端也是互斥的。然而，你仍然需要确保这样两个要求：

    • 当给一个正向的速度，轮子向前移动；
    • 而当轮子向前移动时，编码器计数增加。

  • 把机器人的轮子架空，你可以使用串口监视器来测试上述的两个要求。

  • 你可以使用m命令来启动电动机，使用e命令来获取编码器计数，以及使用r命令来将编码器重置为0

  • 在固件层，电动机的速度是按照编码器每秒的tick数来表示的，这样可以使编码器很容易解析（理解）它

  • 假如轮子转速是每秒4000个编码器计数，那么命令m 20 20会以一个非常小的速度移动小车。（默认设置轮子仅仅移动2秒，你可以通过修改源码中的AUTO_STOP_INTERVAL改变这个值），第一个参数是左轮的速度，另一个参数是右轮的速度。

  • 当使用e命令时，第一个被返回的数是左轮的编码器计数，第二个数是右轮的编码器计数。

  • 可以先使用r命令把编码器计数清零，然后通过手动粗略地旋转轮子一整圈，再通过e命令来验证获取到的编码器计数是否为预期的结果

配置ros_arduino_python节点

  1. 编辑ros_arduino_python/config路径下的YAML文件定义的机器人尺寸，PID参数，以及传感器配置信息。
$ roscd ros_arduino_python/config
$ cp arduino_params.yaml my_arduino_params.yaml #复制一个副本
$ vim my_arduino_params.yaml #查看内容
  1. my_arduino_params.yaml代码
# For a direct USB cable connection, the port name is typically
# /dev/ttyACM# where is # is a number such as 0, 1, 2, etc
# For a wireless connection like XBee, the port is typically
# /dev/ttyUSB# where # is a number such as 0, 1, 2, etc.

port: /dev/ttyACM0
baud: 57600
timeout: 0.1

rate: 50
sensorstate_rate: 10

use_base_controller: False
base_controller_rate: 10

# For a robot that uses base_footprint, change base_frame to base_footprint
base_frame: base_link

# === Robot drivetrain parameters
#wheel_diameter: 0.146
#wheel_track: 0.2969
#encoder_resolution: 8384 # from Pololu for 131:1 motors
#gear_reduction: 1.0
#motors_reversed: True

# === PID parameters
#Kp: 10
#Kd: 12
#Ki: 0
#Ko: 50
#accel_limit: 1.0

# === Sensor definitions.  Examples only - edit for your robot.
#     Sensor type can be one of the following:
#     * Ping
#     * GP2D12
#     * Analog
#     * Digital
#     * PololuMotorCurrent
#     * PhidgetsVoltage
#     * PhidgetsCurrent (20 Amp, DC)


sensors: {
  #motor_current_left:   {pin: 0, type: PololuMotorCurrent, rate: 5},
  #motor_current_right:  {pin: 1, type: PololuMotorCurrent, rate: 5},
  #ir_front_center:      {pin: 2, type: GP2D12, rate: 10},
  #sonar_front_center:   {pin: 5, type: Ping, rate: 10},
  onboard_led:           {pin: 13, type: Digital, rate: 5, direction: output}
}

# Joint name and configuration is an example only
joints: {
    head_pan_joint: {pin: 3, init_position: 0, init_speed: 90, neutral: 90, min_position: -90, max_position: 90, invert: False, continuous: False},
    head_tilt_joint: {pin: 5, init_position: 0, init_speed: 90, neutral: 90, min_position: -90, max_position: 90, invert: False, continuous: False}
}
  • 不要在你的.yaml文件里使用tab，否则的话这个语法解析器会无法加载它。如果你要缩进的话必须用空格代替tab键
  • 当定义你的传感器参数时，列表中的最后一个传感器的行尾（花括号后面）后没有逗号，但是其余的行尾必须有逗号。
  1. 解释代码

  • 接口设置

    • 接口要么是/dev/ttyACM0，要么是/dev/ttyUSB0，视情况而定
    • 其中MegaRobogaiaPololu的Arudino sketch默认是以57600的波特率连接的。

  • 轮询速率

    • 跳出ROS loop运行的速率主要就取决于这个速率参数（默认为50Hz），这个默认值足以满足大多数情况。在任何情况下，它应该至少与你的传感器的最大速率（下面我们会说到）一样快才行
    • sensorstate_rate决定了多久发布一个所有传感器的集合列表，每个传感器也以各自的速率在各自的主题上发布消息。
    • use_base_controller参数默认为False。你可以把它设置为True（假设你有文中所要求的硬件设施）。
    • 设置PID参数base_controller_rate参数决定了多久发布一次里程计读取信息。

  • 定义传感器

    • sensors参数按照定义了传感器的名字和参数的字典（可任意指定，传感器的名字也会成为那个传感器所对应主题的名字）
    • 四个最重要的参数分别是：pin，type，rate，direction。
    • rate定义了你每秒想轮询一次那个传感器多少次。例如，一个电压传感器可能每秒仅仅被轮询一次（或者仅仅每两秒一次），而一个声呐传感器可能每秒被轮询20次。
    • type必须是列表中被列出来的（注意区分大小写！）。
    • direction默认是input，所以如果你想将它定义为output，就将这个direction单独设为output。
    • 在上面的例子中，Arduino LED（pin13）将会以每秒两次的速率被点亮或熄灭。

  • 设置Drivetrain（驱动系统）和PID参数

    • 为了使用基础控制器（base controller），你必须去掉它的注释并且设置机器人的drivetrain和PID参数
    • 示例中drivetrain参数是直径6英寸的驱动轮，距离11.5英寸
    • 注意在ROS中使用米作为距离单位，所以一定要换算单位
    • 示例中的编码器的分辨率（每转的tick数）规格来自于Pololu 131:1电动机。为你的电动机/编码器组合设置合理的数值
    • 如果你的轮子可以向后转，那么就把motors_reversed设置为true，否则的话就设置为False
    • PID参数比较难设置，你可以先按照示例中的值设置。但是在你第一次发送转弯命令的时候，架空小车测试。

启动ros_arduino_python节点

  1. 查看ros_arduino_python/launch下的文件arduino.launch，它指向一个名叫my_arduino_params.yaml的文件
<launch>
   <node name="arduino" pkg="ros_arduino_python" type="arduino_node.py" output="screen" clear_params="true">
      <rosparam file="$(find ros_arduino_python)/config/my_arduino_params.yaml" command="load" />
   </node>
</launch>
  • 如果你的配置文件命名不同，那么就把这里的文件名参数(my_arduino_params.yaml)修改成你的配置文件的名字
  1. 连接好Arduino, 关闭串口监视器，启动 ros_arduino_python node节点
$ roslaunch ros_arduino_python arduino.launch
  • 启动之前，千万不要打开Arduino IDE 的串口监视器，因为串口监视器会与该节点争夺串口资源

出现效果：

process[arduino-1]: started with pid [6098]
Connecting to Arduino on port /dev/ttyUSB0 …
Connected at 57600
Arduino is ready.
[INFO] [WallTime: 1355498525.954491] Connected to Arduino on port / > dev/ttyUSB0 at 57600 baud
[INFO] [WallTime: 1355498525.966825] motor_current_right {‘rate’: 5, > ‘type’: ‘PololuMotorCurrent’, ‘pin’: 1}
[INFO]
etc
  • 如果你在你的机器人上装的有Ping声呐而且你也在配置文件里面定义了它们，它们就会闪一下来告诉你已经连接成功

查看传感器数据

  1. 查看所有传感器的数据
$ rostopic echo /arduino/sensor_state
  1. 查看任何指定的传感器数据
$ rostopic echo /arduino/sensor/sensor_name

例如：有一个叫做ir_front_center的传感器，查看相应的数据

$ rostopic echo /arduino/sensor/ir_front_center

  1. 使用rxqrt来将这系列数据用图像的形式表示出来

    $ rxplot -p 60 /arduino/sensor/ir_front_center/range

发送Twist命令与查看里程计数据

  1. 把你的机器人放到块上使轮子悬空，然后发布一个Twist命令
$ rostopic pub -1 /cmd_vel geometry_msgs/Twist '{ angular: {z: 0.5} }'
  • 两个轮子的转动方向应该是一致的，都是逆时针转动(右轮前进，左轮后退)。如果它们转动方向相反，那么就将motors_reversed 参数改为与之前相反的值，然后用ctrl+c 停止该节点，然后重新启动arduino.launch文件。
  1. 使用下面的命令可以使机器人停止
$ rostopic pub -1 /cmd_vel geometry_msgs/Twist '{}'
  1. 查看里程数据可以运行
$ rostopic echo /odom

或者使用图形界面显示：

$ rxplot -p 60 /odom/pose/pose/position/x:y, /odom/twist/twist/linear/x, /odom/twist/twist/angular/z

ROS服务

  1. digital_set_direction-设置数字引脚的方向
$ rosservice call /arduino/digital_set_direction pin direction
  • 这里pin是引脚数字，direction为0代表输入，1代表输出。
  1. digital_write-给数字引脚发送高低电平（LOW为0，HIGH为1）
$ rosservice call /arduino/digital_write pin value
  • 同样，这里pin是引脚数字，value是电平高低（LOW为0，HIGH为1）。
  1. servo_write-设置伺服机位置
$ rosservice call /arduino/servo_write id pos
  • 这里id是伺服机的索引号（定义在Arduino sketch中的servos.h）并且pos是以弧度为单位（0-3.14），头文件servos.h中具体是这样写的：
byte servoInitPosition [N_SERVOS] = { 90, 90 }; // [0, 180] degrees
  1. servo_read -读取伺服机的位置
$ rosservice call /arduino/servo_read id

使用板上编码器计数（仅支持ArduinoUno）

  • 对于Arduino Uno，这个固件程序支持板上的编码器计数。这样的话，编码器就直接可以连接到Arduino板上，而不用借助任何额外的编码器设备（例如RoboGaia encoder shield）

  • 对于速度，这个代码可以直接找到Atmega328p的接口和中断管脚，而这一功能的实现必须依赖Atmega328p（Arduino Uno）。（尽管它也可能兼容其他电路板或AVR单片机芯片）

  • 为了使用这个板上编码器计数，按照下面的要求来将编码器连接到Arduino Uno：

Left wheel encoder A output -- Arduino UNO pin 2
Left wheel encoder B output -- Arduino UNO pin 3

Right wheel encoder A output -- Arduino UNO pin A4
Right wheel encoder B output -- Arduino UNO pin A5
  • 这时你需要在Arduino sketch中做相应的修改，通过下面的方式来取消使用RoboGaia encoder shield的代码，启用板上编码器的代码。
/* The RoboGaia encoder shield */
//#define ROBOGAIA
/* Encoders directly attached to Arduino board */
#define ARDUINO_ENC_COUNTER
  • 这时你就可以编译并上传到Arduino上了。

补充

  1. 如果你没有文档中所要求的硬件来运行这个基础控制器，但是你仍然想使用其他兼容Arduino的控制器来读取传感器以及控制PWM伺服机，那么请按照下面的步骤：
  • 首先，你需要编辑你的ROSArduinoBridge sketch，在文件的最前面，将这两行：
#define USE_BASE
//#undef USE_BASE

改成这样:

//#define USE_BASE
#undef USE_BASE
  • 你还需要将文件encoder_driver.ino中的这一行注释掉：
#include "MegaEncoderCounter.h"

  • 你就可以编译并上传你的代码

  • 然后，编辑你的 my_arduino_params.yaml文件，确保参数use_base_controller被设为False。这样你就完成了

参考：

  • https://github.com/hbrobotics/ros_arduino_bridge
  • 机械工业出版社，ROS机器人程序设计
  • http://answers.ros.org/question/233848/polling-rates/
  • http://blog.csdn.net/github_30605157/article/details/51344150

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标签: 搭建ros小车底盘