本文以正運(yùn)動(dòng)技術(shù)EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器ZMC432和ZMC408CE為例，介紹正運(yùn)動(dòng)技術(shù)運(yùn)動(dòng)控制器在ROS上的應(yīng)用開發(fā)。
在正式學(xué)習(xí)之前，我們先了解一下正運(yùn)動(dòng)技術(shù)的EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器ZMC432和ZMC408CE。這兩款產(chǎn)品分別是32軸，8軸EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器。
ZMC432功能簡(jiǎn)介
ZMC432是正運(yùn)動(dòng)推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運(yùn)動(dòng)控制器可應(yīng)用于各種需要脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)行的場(chǎng)合。
ZMC432最多可支持32軸運(yùn)動(dòng)控制，支持直線插補(bǔ)、任意圓弧插補(bǔ)、空間圓弧、螺旋插補(bǔ)、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨等功能。
ZMC432支持32軸脈沖輸入與編碼器反饋，通用IO包含24路輸入口和12個(gè)輸出口；2路AD，2路DA；其中特定輸出口支持高速PWM控制。
ZMC432通過(guò)EtherCAT和CAN總線進(jìn)行硬件資源擴(kuò)展，可擴(kuò)展至4096路輸入和4096路輸出。
ZMC408CE功能簡(jiǎn)介
ZMC408CE是正運(yùn)動(dòng)推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運(yùn)動(dòng)控制器可應(yīng)用于各種需要脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)行的場(chǎng)合。
ZMC408CE支持8軸運(yùn)動(dòng)控制，最多可擴(kuò)展至32軸，支持直線插補(bǔ)、任意圓弧插補(bǔ)、空間圓弧、螺旋插補(bǔ)、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨等功能。
ZMC408CE支持8軸運(yùn)動(dòng)控制，可采用脈沖軸（帶編碼器反饋）或EtherCAT總線軸，通用IO包含24路輸入口和16路輸出口，部分IO為高速IO，模擬量AD/DA各兩路，EtherCAT最快125us的刷新周期。
ZMC408CE支持8個(gè)通道的硬件比較輸出、硬件定時(shí)器、運(yùn)動(dòng)中精準(zhǔn)輸出，還支持8通道PWM輸出，對(duì)應(yīng)的輸出口為OUT0-7，支持8個(gè)通道同時(shí)觸發(fā)硬件比較輸出。
ZMC408CE可靈活進(jìn)行硬件資源擴(kuò)展，通過(guò)CAN或EtherCAT總線可擴(kuò)展至4096個(gè)輸入和4096個(gè)輸出。
→ZMC432，ZMC408CE均使用同一套API函數(shù)，均支持C、C++、C#、LabVIEW、Python、Delphi等開發(fā)語(yǔ)言，支持VC6.0、VB6.0、Qt、.Net等平臺(tái)，支持Windows、Linux、WinCE、iMac等操作系統(tǒng)。
01 ROS應(yīng)用背景
ROS（robot operating system）是用于機(jī)器人的一種開源后操作系統(tǒng)（次級(jí)操作系統(tǒng)）。首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域提高代碼復(fù)用率。
ROS是一種分布式處理框架（又名Nodes）。這使可執(zhí)行文件能被單獨(dú)設(shè)計(jì)，并且在運(yùn)行時(shí)松散耦合。這些過(guò)程可以封裝到數(shù)據(jù)包（Packages）和堆棧（Stacks）中，以便于共享和分發(fā)。
ROS還支持代碼庫(kù)的聯(lián)合系統(tǒng)。使得協(xié)作亦能被分發(fā)。這種從文件系統(tǒng)級(jí)別到社區(qū)一級(jí)的設(shè)計(jì)讓獨(dú)立地決定發(fā)展和實(shí)施工作成為可能。上述所有功能都能由ROS的基礎(chǔ)工具實(shí)現(xiàn)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，ROS作為一個(gè)靈活的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)上的節(jié)點(diǎn)具有很大的隨意性，它們可以位于不同的計(jì)算機(jī)上，甚至可以位于不同的網(wǎng)絡(luò)上。我們可以使用一個(gè)Arduino作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)布信息，使用一臺(tái)筆記本電腦作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)訂閱上述信息以及使用一臺(tái)手機(jī)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。
上述靈活性使得ROS可以適應(yīng)很多不同場(chǎng)合的應(yīng)用。
ROS的主要特點(diǎn)可以歸納為以下幾條
1.分布式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)
ROS的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及服務(wù)和節(jié)點(diǎn)管理器等機(jī)制可以分散由計(jì)算機(jī)視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別等功能帶來(lái)的實(shí)時(shí)計(jì)算壓力，能夠適應(yīng)多機(jī)器人遇到的挑戰(zhàn)。
2.多語(yǔ)言支持
ROS支持許多種不同的語(yǔ)言，例如C++、Python、Octave和LISP，也包含其他語(yǔ)言的多種接口實(shí)現(xiàn)。
3.精簡(jiǎn)與集成
ROS建立的系統(tǒng)具有模塊化的特點(diǎn)，各模塊中的代碼可以單獨(dú)編譯，而且編譯使用的CMake工具使它很容易的就實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)的理念。
ROS基本將復(fù)雜的代碼封裝在庫(kù)里，只是創(chuàng)建了一些小的應(yīng)用程序?yàn)镽OS顯示庫(kù)的功能，就允許了對(duì)簡(jiǎn)單的代碼超越原型進(jìn)行移植和重新使用。
4.工具包豐富
為了管理復(fù)雜的ROS軟件框架，我們利用了大量的小工具去編譯和運(yùn)行多種多樣的ROS組建，從而設(shè)計(jì)成了內(nèi)核，而不是構(gòu)建一個(gè)龐大的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。
5.免費(fèi)并且開源
ROS所有的源代碼都是公開發(fā)布的。
ROS在行業(yè)中的一些應(yīng)用
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外機(jī)器人企業(yè)、無(wú)人駕駛企業(yè)，無(wú)人機(jī)企業(yè)（大疆無(wú)人機(jī)）都紛紛加入ROS陣營(yíng)。且在各大招聘中，不管是騰訊、小馬智行、阿里巴巴的菜鳥網(wǎng)絡(luò)、百度Apollo等，招聘無(wú)人駕駛規(guī)劃算法工程師、自主導(dǎo)航工程師、機(jī)器人感知算法工程師、系統(tǒng)平臺(tái)研發(fā)架構(gòu)師等崗位時(shí)，均要求“熟悉ROS”或者“具備ROS開發(fā)經(jīng)驗(yàn)者優(yōu)先”。
從這些我們可以看出來(lái)ROS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，正在機(jī)器人行業(yè)一步一步的主導(dǎo)中國(guó)市場(chǎng)。 以下是一些ROS典型應(yīng)用場(chǎng)景：
1.機(jī)器人控制器中的大佬人物 - KEBA，他們的控制器已經(jīng)支持ROS。
2.美國(guó)NASA基于ROS開發(fā)的Robonaut 2已經(jīng)在國(guó)際空間站里干活了。
3.百度apollo無(wú)人車的底層是基于ROS開發(fā)的，差點(diǎn)改成了ROS 2，可以在github上找到（apollo-platform）。
4.ROS-I最近正準(zhǔn)備和微軟、寶馬合作，開發(fā)一套自動(dòng)化解決方案（參考：A ROS-Industrial Collaboration with Microsoft and BMW）。
5.許多工業(yè)機(jī)械臂已經(jīng)開始使用ROS系統(tǒng)，其中2017年底R(shí)OS-I官方發(fā)布的五周年視頻不乏四大家族中的機(jī)器人。下圖的庫(kù)卡youbot機(jī)器人就是采用ROS系統(tǒng)開發(fā)。
02 軟件安裝過(guò)程
此部分主要講Ubuntu18.04安裝ROS Melodic詳細(xì)過(guò)程（本文以Ubuntu18.04為例，其他同理，并不影響運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)用）。
1.設(shè)置sources.list
2.設(shè)置key（公鑰已更新） 3.更新package（時(shí)間有點(diǎn)長(zhǎng)，耐心等待）
此時(shí)可能會(huì)遇到以下問(wèn)題：
解決辦法如下，在終端輸入：
$sudo apt-key adv --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-key F42ED6FBAB17C654
$ sudo apt-get update
當(dāng)出現(xiàn)Reading package lists… Done說(shuō)明更新完成。
4.安裝ROS melodic完整版
5.初始化rosdep
效果示意圖：
輸入指令sudo rosdep init若遇到以下問(wèn)題：
（1）sudo : rosdep : command not found問(wèn)題
在終端輸入：sudo apt install rospack-tools
（2）ERROR : cannot download default sources list from: https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/rosdep/sources.list.d/20-default.list Website may be down.
①在終端輸入：sudo gedit / etc / hosts，打開hosts文件，內(nèi)容如下；
②將：199.232.28.133 raw.githubusercontent.com添加在文件中，添加后的文件如下；
③然后保存文件后退出；
④在終端執(zhí)行：sudo rosdep init，問(wèn)題解決。
6.測(cè)試ROS是否安裝成功
成功打開如下圖所示：
03 ROS編程案例
這部分主要講“消息發(fā)布”和“訂閱”兩個(gè)ROS編程案例。
1.創(chuàng)建一個(gè)ROS工作空間。
2.創(chuàng)建ROS程序包（ zmotion為程序包名，也可以定義為其他 ）。
3.在創(chuàng)建完程序包后，每次運(yùn)行需要source ~ / catkin_ws / devel / setup.bash，否則無(wú)法找到文件。
解決每次都要source方法：
4.新建節(jié)點(diǎn)文件。
在zmotion包目錄中創(chuàng)建一個(gè)src目錄:
5.撰寫發(fā)布節(jié)點(diǎn)（talker.cpp）。
實(shí)現(xiàn)功能：
（1）初始化ROS系統(tǒng)；
（2）在chatter topic上發(fā)布std_msgs/Float64消息；
（3）以每秒10次頻率發(fā)布消息。
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/Float64.h"
#include int main(int argc, char **argv)
{
//初始化ROS，名稱重映射（唯一），必須為base name，不含/
ros::init(argc, argv, "talker");
//為進(jìn)程的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)句柄，第一個(gè)創(chuàng)建的NodeHandle初始化節(jié)點(diǎn)
ros::NodeHandle n;
//告訴主機(jī)要在chatter topic上發(fā)布一個(gè)std_msgs消息
//主機(jī)會(huì)訂閱所有chatter topic節(jié)點(diǎn)，參數(shù)表示發(fā)布隊(duì)列的大小（先進(jìn)先出）
ros::Publisher chatter_pub = n.advertise("chatter", 1000);
ros::Rate loop_rate(10); //自循環(huán)頻率
int count = 0;
while (ros::ok())
{
std_msgs::Float64 msg;
msg.data = count*1.0;
//輸出，用來(lái)替代prinf/cout
ROS_INFO("Position is: %f", msg.data);
chatter_pub.publish(msg);
ros::spinOnce();
//休眠，來(lái)使發(fā)布頻率為10Hz
loop_rate.sleep();
++count;
}
return 0;
}
6.撰寫訂閱節(jié)點(diǎn)（listener.cpp）。
實(shí)現(xiàn)功能：
（1）初始化ROS系統(tǒng)；
（2）訂閱chatter topic消息；
（3）進(jìn)入自循環(huán)，等待消息到達(dá)；
（4）消息到達(dá)，調(diào)用chatterCallback()函數(shù)。
7.修改CMakeLists.txt。
（1）打開程序包zmotion（catkin_ws / src / zmotion）路徑，找到CMakeLists.txt文件。
(2) 最低版本修改為2.8.3。
(3) 找到find_package，添加依賴包message_generation。
(4)確保generate_message被調(diào)用。
（5）確保在運(yùn)行時(shí)依賴中也添加了該消息的依賴。
（6）修改build下的設(shè)置
①將include_directories中include解注釋。
②在指定位置添加下列代碼下面的代碼 可以任意添加在build中，我為了美觀所以添加在相應(yīng)位置的，只要在build中添加都生效。
（7）最后，列出完整的CMakeLists.txt。
cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)
project(zmotion)
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
roscpp
std_msgs
message_generation
)
## Generate added messages and services with any dependencies listed here
generate_messages(
DEPENDENCIES
std_msgs
)
###################################
## catkin specific configuration ##
###################################
catkin_package(
# INCLUDE_DIRS include
# LIBRARIES zmotion
# CATKIN_DEPENDS roscpp std_msgs
# DEPENDS system_lib
CATKIN_DEPENDS message_runtime
)
###########
## Build ##
###########
## Specify additional locations of header files
## Your package locations should be listed before other locations
include_directories(
include
${catkin_INCLUDE_DIRS}
)
## Declare a C++ executable
## With catkin_make all packages are built within a single CMake context
## The recommended prefix ensures that target names across packages don't collide
add_executable(talker src/talker.cpp)
add_executable(listener src/listener.cpp)
## Rename C++ executable without prefix
add_dependencies(talker $zmotion_generate_messages_cpp)
## Specify libraries to link a library or executable target against
target_link_libraries(talker
${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(listener
${catkin_LIBRARIES}
)
8.修改package.xml文件。
9.編譯。
10.運(yùn)行程序。
（1）打開一個(gè)新終端，啟動(dòng)ROS系統(tǒng)；
(2)打開一個(gè)新終端，運(yùn)行發(fā)布節(jié)點(diǎn)；
(3)打開一個(gè)新終端，運(yùn)行訂閱節(jié)點(diǎn)；
(4)結(jié)果。
運(yùn)行發(fā)布節(jié)點(diǎn)程序的結(jié)果：
運(yùn)行訂閱節(jié)點(diǎn)程序的結(jié)果：
本次，正運(yùn)動(dòng)技術(shù)EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器在ROS上的應(yīng)用（上） ，就分享到這里。
更多精彩內(nèi)容請(qǐng)關(guān)注“ 正運(yùn)動(dòng)小助手 ”公眾號(hào)，需要相關(guān)開發(fā)環(huán)境與例程代碼，請(qǐng)咨詢正運(yùn)動(dòng)技術(shù)銷售工程師：400-089-8936。
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正運(yùn)動(dòng)技術(shù)專注于運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究和通用運(yùn)動(dòng)控制軟硬件產(chǎn)品的研發(fā)，是國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)。正運(yùn)動(dòng)技術(shù)匯集了來(lái)自華為、中興等公司的優(yōu)秀人才，在堅(jiān)持自主創(chuàng)新的同時(shí)，積極聯(lián)合各大高校協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)技術(shù)的研究，是國(guó)內(nèi)工控領(lǐng)域發(fā)展最快的企業(yè)之一，也是國(guó)內(nèi)少有、完整掌握運(yùn)動(dòng)控制核心技術(shù)和實(shí)時(shí)工控軟件平臺(tái)技術(shù)的企業(yè)。主要業(yè)務(wù)有： 運(yùn)動(dòng)控制卡_運(yùn)動(dòng)控制器_EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制卡_EtherCAT控制器_運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)_視覺(jué)控制器__運(yùn)動(dòng)控制PLC_運(yùn)動(dòng)控制_機(jī)器人控制器_視覺(jué)定位_XPCIe/XPCI系列運(yùn)動(dòng)控制卡等等。
