ROS程序是如何控制伺服機(jī)的 所有答案盡在本文
ROS(Robot OperatingSystem)是開源的機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)。使用這個(gè)之后,機(jī)器人就可以看見東西、測(cè)繪、導(dǎo)航,或是以最新的算法作用于周圍的環(huán)境當(dāng)中。假如想要制造復(fù)雜的機(jī)器人,已經(jīng)準(zhǔn)備好的ROS程序代碼就能派上用場(chǎng)。ROS能在最低限度下運(yùn)用。這可以透過Raspberry Pi等級(jí)的計(jì)算機(jī)安裝。
做為ROS的入門篇我們來看看如何控制伺服機(jī)。伺服機(jī)的缺點(diǎn)是會(huì)盡快遵照指令運(yùn)轉(zhuǎn),因此頭部常常會(huì)突然活動(dòng),以至于失去平衡。不過使用ROS之后,就可以進(jìn)行正弦曲線運(yùn)動(dòng),讓機(jī)器人保持穩(wěn)定。由于可以在ROS當(dāng)中進(jìn)行這項(xiàng)操作,因此無須改寫控制用的程序代碼。另外,連接伺服機(jī)和ROS的程序代碼,以及伺服機(jī)的硬件都無須變更。再者,程序代碼還可以任意使用。
ROS很適合用在Ubuntu或Debian上,無須編譯。建置時(shí)要在Linux機(jī)器上執(zhí)行Ubuntu,使用業(yè)余用伺服機(jī)、Arduino和普通的導(dǎo)線。ROS要在Ubuntu機(jī)器上啟動(dòng),訊息則透過USB傳送到Arduino。只要安裝二進(jìn)制的ROS套件,就會(huì)在主控臺(tái)程序(像是gnome-terminal或konsole)追加以下指令,這樣Arduino系統(tǒng)就能辨識(shí)ROS函式庫。
cd~/sketchbook/libraries
rm-rf ros_lib
rosrunrosserial_arduino make_l ibraries.py 。
Arduino的程序
接下來要將程序代碼上傳到Arduino當(dāng)中,執(zhí)行低階的伺服機(jī)控制,以便能從Linux機(jī)器操作。這時(shí)要以限制范圍內(nèi)的百分比(0.0~1.0)指定伺服機(jī)的位置。之所以使用百分比而不是寫明角度,是因?yàn)锳rduino的程序代碼限制了正確的角度,要避免在指定角度時(shí)發(fā)生沖突。
就如各位所見,使用ROS之后,一般的循環(huán)函數(shù)就會(huì)變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。循環(huán)函數(shù)只會(huì)訂閱(subscribe)數(shù)據(jù),任何Arduino循環(huán)都一樣。設(shè)定時(shí)要將ROS初始化,將各個(gè)ROS訊息訂閱者的訂閱叫出來。每個(gè)訂閱者會(huì)占據(jù)Arduino的RAM,數(shù)量取決于要用程序代碼做什么,以6個(gè)到12個(gè)為限。
#include
#include
#include
#include
#define SERVOPIN 3
Servo servo;
void servo_cb( const std_msgs::Float32& msg )
{
const float min = 45;
const float range = 90;
float v = msg.data;
if( v 》 1 ) v = 1;
if( v 《 0 ) v = 0;
float angle = min + (range * v);
servo.write(angle);
}
ros::Subscriber
ros::NodeHandle nh;
void setup()
{
servo.attach(SERVOPIN);
nh.initNode();
nh.subscribe(sub);
}
void loop()
{
nh.spinOnce();
delay(1); }
接下來要設(shè)法透過Arduino在ROS的世界說話。最簡(jiǎn)單的方法是使用機(jī)器人啟動(dòng)檔。雖然以下的檔案內(nèi)容非常簡(jiǎn)單,但是這里要追加啟動(dòng)檔,如此一來即使是非常復(fù)雜的機(jī)器人,也能用一個(gè)指令啟動(dòng)。
$ cat rosservo.launch
$ roslaunch 。/rosservo.lanch
rostopic指令可以看出ROS訊息傳送到機(jī)器人的哪個(gè)部位??戳讼旅娴某绦虼a就會(huì)發(fā)現(xiàn),「/head/TIlt」可以透過Arduino使用。訊息要使用「rostopic」傳送。-1的選項(xiàng)只會(huì)發(fā)布(publish)訊息一次,通知/head/TIlt傳送一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)。
$ rostopic list
/diagnosTIcs
/head/TIlt
/rosout
/rosout_agg
$ rostopic pub -1 /head/tiltstd_msgs/Float32 0.4
$ rostopic pub -1 /head/tilt std_msgs/Float320.9
這個(gè)階段當(dāng)中,能夠?qū)⑺邪l(fā)布數(shù)值到ROS的已知方法用在控制伺服機(jī)上。假如從0改成1,伺服機(jī)就會(huì)全速運(yùn)行。這本來并沒有問題,但實(shí)際上我們想要逐漸加速以達(dá)到全速,然后再逐漸減速,停在目標(biāo)角度上。假如伺服機(jī)驟然運(yùn)轉(zhuǎn),機(jī)器人的動(dòng)作就會(huì)變得僵硬,讓周圍的人嚇一跳。
用另一個(gè)節(jié)點(diǎn)平滑運(yùn)動(dòng)
Houndbot
Terry
Terry和Houndbot都是ROS機(jī)器人,以6061個(gè)鋁合金零件制造而成。項(xiàng)目的目標(biāo)是要盡量讓這些機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)。
以下的Python腳本程序會(huì)監(jiān)聽「/head/tilt/smooth」的訊息,朝「/head/tilt」發(fā)布許多訊息,好讓伺服機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度之前慢慢加速,再慢慢延遲旋轉(zhuǎn)。當(dāng)訊息抵達(dá)「/head/tilt/smooth」時(shí)一定會(huì)呼叫「moveServo_cb」。這個(gè)回調(diào)函式會(huì)從-90到+90度之間每10度產(chǎn)生1個(gè)數(shù)值,追加到角度數(shù)組當(dāng)中。「sin()」會(huì)取這個(gè)角度,數(shù)值從-1到+1慢慢增加。該數(shù)值加1之后,范圍就會(huì)變成0到+2,再除以2之后, 0到+1的曲線數(shù)值數(shù)組就完成了。然后再看看m數(shù)組當(dāng)中,每當(dāng)發(fā)布訊息時(shí),就會(huì)稍微前進(jìn)一點(diǎn),范圍在r之內(nèi),直到1*r或是全范圍為止。
#!/usr/bin/env python
from time import sleep
import numpy as np
import rospy
from std_msgs.msg import Float32
currentPosition = 0.5
pub = None
def moveServo_cb(data):
global currentPosition, pub
targetPosition = data.data
r = targetPosition - currentPosition
angles = np.array( (range(190)) [0::10]) -90
m = ( np.sin( angles * np.pi/ 180. ) + 1 )/2
for mi in np.nditer(m):
pos = currentPosition + mi*r
print “pos: “, pos
pub.publish(pos)
sleep(0.05)
currentPosition = targetPosition
print “pos-e: “, currentPosition
pub.publish(currentPosition)
def listener():
global pub
rospy.init_node(‘servoencoder’,anonymous=True)
rospy.Subscriber(‘/head/tilt/smooth’,F(xiàn)loat32, moveServo_cb)
pub = rospy.Publisher(‘/head/tilt’,F(xiàn)loat32, queue_size=10)
rospy.spin()
if __name__ == ‘__main__’:
listener()
想要測(cè)試伺服機(jī)順暢的動(dòng)作,就要啟動(dòng)Python腳本,將訊息發(fā)布到「/head/tilt/smooth」,這樣一來即可檢視順暢的動(dòng)作。
$ 。/servoencoder.py
$ rostopic pub -1 /head/tilt/smoothstd_msgs/Float32 1
$ rostopic pub -1 /head/tilt/smoothstd_msgs/Float32 0
ROS當(dāng)中的名稱也可以重新測(cè)繪。只要將「/head/tilt/smooth」重新測(cè)繪為「/head/tilt」,程序就能向伺服機(jī)發(fā)出命令,而不會(huì)意識(shí)到正弦曲線的數(shù)值在變化。
迎向未來
雖然這里只說明了簡(jiǎn)單的伺服機(jī)控制,ROS卻有更多功能。假如想要知道妨礙機(jī)器人的東西是什么,不妨使用已經(jīng)支持ROS的Kinect。就算導(dǎo)航堆棧使用這項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)繪,也可以饋送簡(jiǎn)短的Python腳本,讓伺服機(jī)動(dòng)起來,命令機(jī)器人追蹤附近的物體。沒錯(cuò),眼睛真的會(huì)追逐物體。
Terry是室內(nèi)用機(jī)器人,搭載2個(gè)Kinect。一個(gè)專門用來導(dǎo)航,另一個(gè)則用于深度測(cè)繪。Terry使用6個(gè)Arduinos,能夠從用了ROS的網(wǎng)絡(luò)接口或PS3遙控器直接操作。
Houndbot是設(shè)計(jì)成要在戶外使用。里頭有遙控器、GPS、羅盤和ROS耳形控制器。后續(xù)計(jì)劃要搭載導(dǎo)航用的PS4雙鏡頭攝影機(jī),因?yàn)镵inect不能在陽光下使用。這臺(tái)機(jī)器人重量為20公斤。還可以追加了懸吊系統(tǒng),為此需要自行制造鋁合金客制化零件。