ROS2 Control controller_interface说明

前言

controller_interface是ROS control控制使用的硬件之上的接口，用来做上层轨迹指令的规划，从硬件接口更新状态并根据状态生成发送命令并发送给硬件接口。该interface最初是来自ros2_control¹，本文将基于博主对源代码的理解完成说明。

controller_interface说明

controller_interface包含如下类，和枚举：

• Struct InterfaceConfiguration

• Class ChainableControllerInterface

• Class ControllerInterface

• Class ControllerInterfaceBase

Class ControllerInterfaceBase

控制器的基接口类。接口不能用于实现控制器。该类提供了 ControllerInterface 和 ChainableControllerInterface 的定义，这些定义应针对特定控制器实现和扩展。

直接子类有这两个controller_interface::ChainableControllerInterface，controller_interface::ControllerInterface

下边几个是比较核心的函数，该类本生继承于public rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface

virtual CONTROLLER_INTERFACE_PUBLIC InterfaceConfiguration command_interface_configuration () const =0;
// controller_manager使用的方法获取控制器使用的命令接口。每个控制器可以使用单独的方法来确定接口名称，在简单的情况下具有以下格式: <joint>/<interface> 。该方法仅在 inactive 或 active 状态下被调用，即首先必须调用 on_configure 。该配置用于检查是否可以激活控制器并从硬件声明接口。声明的接口填充在command_interfaces_成员中。virtual InterfaceConfiguration state_interface_configuration() const = 0;
// controller_manager使用的方法来获取控制器使用的状态接口集。每个控制器可以使用单独的方法来确定接口名称，在简单的情况下具有以下格式: <joint>/<interface> 。该方法仅在 inactive 或 active 状态下被调用，即首先必须调用 on_configure 。该配置用于检查是否可以激活控制器并从硬件声明接口。声明的接口填充在state_interface_成员中。virtual CONTROLLER_INTERFACE_PUBLIC bool is_chainable () const =0
// 获取信息，如果一个控制器是可链的。virtual CONTROLLER_INTERFACE_PUBLIC bool set_chained_mode (bool chained_mode)=0
// 设置可链接控制器的链接模式。此方法触发内部进程将可链接控制器切换到 “链接” 模式，反之亦然。将控制器设置为 “链接” 模式通常涉及禁用subscribers和其他外部interface，以避免输入命令中的潜在并发。virtual CONTROLLER_INTERFACE_PUBLIC bool is_in_chained_mode () const =0
// 获取有关控制器的信息，如果它当前在链接模式下使用。在chained模式下，只有内部接口可用，所有subscribers都应禁用。这可以防止从多个源同时写入控制器。

Class ControllerInterface说明

该类继承于public controller_interface::ControllerInterfaceBase没有做特殊实现，不做进一步说明

Class ChainableControllerInterface说明

public对外接口：

  CONTROLLER_INTERFACE_PUBLICreturn_type update(const rclcpp::Time & time, const rclcpp::Duration & period) final;
// 控制步骤更新。命令接口基于参考输入和当前状态进行更新。在 (实时) 控制循环中被调用。
// time - [in] 此控制循环迭代开始的时间
// period- [in] 最后一次控制循环迭代所花费的测量时间

protected内部接口：

  virtual std::vector<hardware_interface::CommandInterface> on_export_reference_interfaces() = 0;
// 每个可chainable控制器应实现以导出其可chainable接口的虚拟方法。每个chainable控制器实现此方法，其中导出所有输入 (命令) 接口。该方法与hardware_interface::SystemInterface或hardware_interface::ActuatorInterface中的 export_command_interface 方法具有相同的含义。virtual bool on_set_chained_mode(bool chained_mode);
// 每个可链接控制器实现此方法以在 “链接” 和 “外部” 模式之间切换。在 “链接” 模式下，禁用所有外部接口，如subscriber和service的服务器，以避免输入命令中的潜在并发。virtual return_type update_reference_from_subscribers() = 0;
// 每个可链接控制器实现此方法，当不处于链接模式时更新来自订阅者的引用。virtual return_type update_and_write_commands(const rclcpp::Time & time, const rclcpp::Duration & period) = 0;
// 执行控制器的计算并更新命令接口。
// 可链控制器的更新方法。在此方法中，假设 \reference_interfaces_ 保存当前控制步骤中用于计算命令的值是有效的。这意味着如果controller未处于链接模式，则在 \update_reference_from_subscribers之后调用此方法。

private私有变量：

  bool in_chained_mode_ = false;
// 用来记录当前是否chained模式状态

semantic_components说明

semantic_components包含如下类：

• Class ForceTorqueSensor
• Class IMUSensor
• Class RangeSensor
• Template Class SemanticComponentInterface

Class ForceTorqueSensor

该类继承自public semantic_components::SemanticComponentInterface< geometry_msgs::msg::Wrench >

// 构造函数如下inline ForceTorqueSensor(const std::string &interface_force_x, const std::string &interface_force_y, const std::string &interface_force_z, const std::string &interface_torque_x, const std::string &interface_torque_y, const std::string &interface_torque_z)
// 名称应按以下顺序排列: 力X，力Y，力Z，扭矩X，扭矩Y，扭矩Z。

geometry_msgs::msg::Wrench 是 ROS 2 中的一个消息类型，用于表示作用在一个刚体上的力（force）和力矩（torque）。这个消息类型常用于描述机器人末端执行器所受的外力和力矩，或者用于控制力反馈系统等应用场景。

geometry_msgs::msg::Wrench 消息包含以下字段：

geometry_msgs::msg::Vector3 force：表示作用在刚体上的三个方向（x、y、z）上的力的分量。
geometry_msgs::msg::Vector3 torque：表示作用在刚体上的三个方向（x、y、z）上的力矩（或转矩）的分量。

Class IMUSensor

该类继承自public semantic_components::SemanticComponentInterface< sensor_msgs::msg::Imu >

sensor_msgs::msg::Imu 是 ROS 2 中用于表示惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）数据的消息类型。IMU 通常包含加速度计、陀螺仪和其他传感器，用于测量设备的加速度、角速度以及可能的磁场强度。这种消息类型在机器人导航、姿态估计、运动控制等多个领域都有广泛应用。

sensor_msgs::msg::Imu 消息包含以下字段：

std_msgs::msg::Header header：标准头部信息，包含时间戳和坐标系标识。
geometry_msgs::msg::Quaternion orientation：表示设备的姿态（四元数形式），通常由融合算法计算得出。
sensor_msgs::msg::Covariance3D orientation_covariance：表示姿态估计的不确定性。
geometry_msgs::msg::Vector3 angular_velocity：表示设备的角速度（绕 x、y、z 轴的旋转速度）。
sensor_msgs::msg::Covariance3D angular_velocity_covariance：表示角速度估计的不确定性。
geometry_msgs::msg::Vector3 linear_acceleration：表示设备的线性加速度（沿 x、y、z 方向的加速度）。

Class RangeSensor

该类继承自public semantic_components::SemanticComponentInterface< sensor_msgs::msg::Range >

sensor_msgs::msg::Range 是 ROS 2 中的一个消息类型，用于表示传感器的测量范围数据，如超声波传感器或红外线距离传感器的读数。这个消息类型包含了传感器测量的距离、辐射强度以及其他相关信息。

sensor_msgs::msg::Range 消息包含以下字段：

Header header：包含标准的头部信息，如时间戳和坐标系标识。
float32 radiation_type：辐射类型，通常用于标识传感器的类型（如超声波、红外线等）。ROS 2 中定义了两个常量：
sensor_msgs::msg::Range::ULTRASOUND 表示超声波传感器。
sensor_msgs::msg::Range::INFRARED 表示红外线传感器。
float32 field_of_view：传感器的视场角（Field of View），单位为弧度。
float32 min_range：传感器可以检测到的最小范围。
float32 max_range：传感器可以检测到的最大范围。
float32 range：传感器测量到的距离，单位为米。

参考

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1. GitHub - ros-controls/ros2_control at humble ↩︎