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ROS机器人Diego 1#制作（二）base controller—rosserial_arduino详解架构师

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ROS机器人要动起来首先需要对底盘的驱动，在ROS的控制模型中，一般会把对底盘的驱动，及马达的PID调节放在一起称之为base controller，ROS社区已经有针对Arduino封装好的Package—rosserial_arduino，wiki地址为：http://wiki.ros.org/rosserial_arduino/Tutorials，接下来我们一步一步来实现一个Arduino Base conroller

1.rosserial_arduino的安装

安装必须在linux下进行，安装好后可以把Library 拷贝到windows，Mac下的arduino libarary下使用。也可以直接到网盘下载https://pan.baidu.com/s/1eS9MiVg

a.下载
进入你的workspace目录下的src目录，catkin_ws是workspace

cd ~/catkin_ws/src 
git clone https://github.com/ros-drivers/rosserial.git

b.编译，在workspace目录编译

cd <catkin_ws> 
catkin_make

c.在Arduino的/libraries目录下生产Ros包
一般情况Arduino的libraries目录是/home/username/sketchbook/libraries ,其中username代表的是登录linux的用户名

cd /home/username/sketchbook/libraries 
rosrun rosserial_arduino make_libraries.py

如果提示找不到rosserial_arduino make_libraries.py，则需要执行如下代码：

rosserial_arduino make_libraries.py

这时候libraries目录下就会有一个ros_lib的目录，重启Arduino IDE既可以看到Ros_lib包了，可以copy出来在其他电脑上使用

2.Arduino上实现ROS Node，订阅Twist msg

a.首先需要包含ros的头文件

#include <PID_v1.h> 
#include <ArduinoHardware.h> 
#include <ros.h> 
#include <geometry_msgs/Twist.h> 
#include <ros/time.h> 
#include <tf/transform_broadcaster.h> 
#include <nav_msgs/Odometry.h>

b. 在声明部分什么node句柄

ros::NodeHandle nh;

c.定义收到Twist msg后的处理函数

void motor_cb(const geometry_msgs::Twist& vel) 
{ 
  linear = vel.linear.x * 100; //ROS中的单位是m/s;这里换算成cm的单位，在Diego机器人中使用CM作为单位 
  angular = vel.angular.z; 
} 
ros::Subscriber<geometry_msgs::Twist> sub("/turtle1/cmd_vel", motor_cb);/////这里先暂时订阅Turtle1 package的Twist消息，后面根据自己的需要可以修改

d .在loog中执行

nh.spinOnce();

到这里Arduino已经可以作为一个Node的节点接收上位机的Twist msg了

3.底盘驱动及PID控制

a. 引脚定义
底盘马达驱动采用了L298P模块

#define E_left 5 //L298P直流电机驱动板的左轮电机使能端口连接到数字接口5 
#define M_left 4 //L298P直流电机驱动板的左轮电机转向端口连接到数字接口4 
#define E_right 6 //连接小车右轮电机的使能端口到数字接口6 
#define M_right 7 //连接小车右轮电机的转向端口到数字接口7

电机马达码盘中断，

#define Pin_left 2 //外部中断0,左轮 
#define Pin_right 3 //外部中断1,右轮

b.底盘前进控制

void advance()//前进 
{ 
  digitalWrite(M_left, HIGH); 
  analogWrite(E_left, val_left); 
  digitalWrite(M_right, HIGH); 
  analogWrite(E_right, val_right); 
} 
void back()//后退 
{ 
  digitalWrite(M_left, LOW); 
  analogWrite(E_left, val_left); 
  digitalWrite(M_right, LOW); 
  analogWrite(E_right, val_right); 
} 
void Stop()//停止 
{ 
  digitalWrite(E_right, LOW); 
  digitalWrite(E_left, LOW); 
}

c.PID控制
采用Ardunio的PID控制包Arduino-PID-Library https://github.com/br3ttb/Arduino-PID-Library/

由于需要分别对两个马达控制所以需要分别设定两个马达的PID控制参数

//////PID 
double left_Setpoint, left_Input, left_Output, left_setpoint; 
double left_kp = 1, left_ki = 0.005, left_kd = 0.0001;  
PID left_PID(&left_Input, &left_Output, &left_Setpoint, left_kp, left_ki, left_kd, DIRECT); 
 
double right_Setpoint, right_Input, right_Output, right_setpoint; 
double right_kp = 0.8, right_ki = 0.005, right_kd = 0.0021;  
PID right_PID(&right_Input, &right_Output, &right_Setpoint, right_kp, right_ki, right_kd, DIRECT);

即使相同型号的电机，其PID的调节参数都可能不一样，需要单独调节，需要反复测试调节，相关调节方法可以到百度

PID处理函数

void PID_left() { 
  Serial.println("********************************begin PID left"); 
 
  left_Input = count_left * 10; 
  left_PID.Compute(); 
 
  val_left = val_left + left_Output; 
  if (val_left > 255) 
    val_left = 255; 
  if (val_left < 0) 
    val_left = 0; 
  if (run_direction == 'f') //根据刚刚调节后的小车电机PWM功率值，及时修正小车前进或者后退状态 
    advance(); 
  if (run_direction == 'b') 
    back(); 
  Serial.println("********************************end PID Left"); 
} 
void PID_right() { 
  Serial.println("********************************begin PID Right"); 
 
  right_Input = count_right * 10; 
  right_PID.Compute(); 
  val_right = val_right + right_Output; 
  if (val_right > 255) 
    val_right = 255; 
  if (val_right < 0) 
    val_right = 0; 
  if (run_direction == 'f') //根据刚刚调节后的小车电机PWM功率值，及时修正小车前进或者后退状态 
    advance(); 
  if (run_direction == 'b') 
    back(); 
  Serial.println("********************************end PID Right"); 
}

在本中PID调节在两个中断处理函数中调用

// 左侧车轮电机的编码器码盘计数中断子程序 
void Code1() 
{ 
  //为了不计入噪音干扰脉冲， 
  //当2次中断之间的时间大于2ms时，计一次有效计数 
  //Serial.println("Code1"); 
  if ((millis() - time1) > 2) { 
    //当编码器码盘的OUT脉冲信号下跳沿每中断一次， 
    count_left++; // 编码器码盘计数加一 
    if ((millis() - left_old_time) > 100) { ////////100ms进行一次PID调节 
      PID_left(); 
      left_old_time = millis(); 
      count_left = 0;//把脉冲计数值清零，以便计算下一秒的脉冲计数 
    } 
    time1 == millis(); 
  } 
} 
// 右侧车轮电机的编码器码盘计数中断子程序 
void Code2() 
{ 
  //Serial.println("Code2"); 
  if ((millis() - time2) > 2) { 
    //当编码器码盘的OUT脉冲信号下跳沿每中断一次， 
    count_right++; // 编码器码盘计数加一 
    if ((millis() - right_old_time) > 100) { ////////100ms进行一次PID调节 
      PID_right(); 
      right_old_time = millis(); 
      count_right = 0; //把脉冲计数值清零，以便计算下一秒的脉冲计数 
    } 
 
    time2 == millis(); 
  } 
}

之所以在中断处理函数中调用，ROS Twist的发布时按照一定的频率不断的发送给下位机的，在主loop中不断的接收Twist消息并设定行驶的线速度，和角速度，而PID调节必须比ROS发布短的周期里面去调节速度，如果不能这样PID调节其实就没什么意义了。

3.完整代码

#include <PID_v1.h> 
//#include <ArduinoHardware.h> 
#include <ros.h> 
#include <geometry_msgs/Twist.h> 
#include <ros/time.h> 
#include <tf/transform_broadcaster.h> 
#include <nav_msgs/Odometry.h> 
#define Pin_left 2 //外部中断0,左轮 
#define Pin_right 3 //外部中断1,右轮 
#define max_linear  20 //最大线速度cm/秒 
#define max_turn_line 18 //最大转弯线速度 
//#define max_angular 1.45 
#define max_linear_pwd  255 
#define hole_number 2 //码盘孔数 
#define diameter 18.535 //轮cm直径 
#define diamete_ratio 1.12167 //左轮相对于右轮轮径比系数,往左偏,调小,往右偏调大 
#define center_speed 220 //小车电机的PWM功率初始值 
#define gear_ratio 75 //转速比 
#define car_width 27 //小车宽度 
#define car_length 27 //小车长度 
#define E_left 5 //L298P直流电机驱动板的左轮电机使能端口连接到数字接口5 
#define M_left 4 //L298P直流电机驱动板的左轮电机转向端口连接到数字接口4 
#define E_right 6 //连接小车右轮电机的使能端口到数字接口6 
#define M_right 7 //连接小车右轮电机的转向端口到数字接口7 
int val_right_count_target = 0; //小车右轮码盘每秒计数PID调节目标值,根据这个值PID val_rigth; 
int val_right = 0; //小车右轮电机的PWM功率值 
int val_left_count_target = 0; //小车左轮码盘每秒计数PID调节目标值,根据这个值PID val_left; 
int val_left = 0; //左轮电机PWM功率值。以左轮为基速度,PID调节右轮的速度 
int count_left = 0;  //左轮编码器码盘脉冲计数值;用于PID调整 
int count_right = 0; //右轮编码器码盘脉冲计数值;用于PID调整 
///////// 
char run_direction = 'f'; //f:前进;b:后退;s:stop 
int linear = 0;//15; //cm/second线速度 
int angular = 0;//1; //角速度,ros的angular.z 
///转弯半径一定要大于小车宽度的一半,也就是linear / angular一定是大于13.5,也就是最小转弯半径是13.5 
///////// 
unsigned long left_old_time = 0, right_old_time = 0; // 时间标记 
unsigned long time1 = 0, time2 = 0; // 时间标记 
////ros 
ros::NodeHandle nh; 
//geometry_msgs::TransformStamped t; 
//tf::TransformBroadcaster broadcaster; 
//char base_link[] = "/base_link"; 
//char odom[] = "/odom"; 
//nav_msgs::Odometry odom1; 
void motor_cb(const geometry_msgs::Twist& vel) 
{ 
linear = vel.linear.x * 100; //ROS中的单位是m/s;这里换算成cm的单位 
angular = vel.angular.z; 
} 
ros::Subscriber<geometry_msgs::Twist> sub("/turtle1/cmd_vel", motor_cb); 
//////PID 
double left_Setpoint, left_Input, left_Output, left_setpoint; 
double left_kp = 1, left_ki = 0.005, left_kd = 0.0001; //kp = 0.040,ki = 0.0005,kd =0.0011; 
PID left_PID(&left_Input, &left_Output, &left_Setpoint, left_kp, left_ki, left_kd, DIRECT); 
double right_Setpoint, right_Input, right_Output, right_setpoint; 
double right_kp = 0.8, right_ki = 0.005, right_kd = 0.0021; //kp = 0.040,ki = 0.0005,kd =0.0011; 
PID right_PID(&right_Input, &right_Output, &right_Setpoint, right_kp, right_ki, right_kd, DIRECT); 
void setup() { 
// put your setup code here, to run once: 
Serial.begin(9600);    // 启动串口通信，波特率为9600b/s 
// reserve 200 bytes for the inputString 
pinMode(M_left, OUTPUT);   //L298P直流电机驱动板的控制端口设置为输出模式 
pinMode(E_left, OUTPUT); 
pinMode(M_right, OUTPUT); 
pinMode(E_right, OUTPUT); 
//定义外部中断0和1的中断子程序Code(),中断触发为下跳沿触发 
//当编码器码盘的OUT脉冲信号发生下跳沿中断时， 
//将自动调用执行中断子程序Code()。 
left_old_time = millis(); 
right_old_time = millis(); 
attachInterrupt(0, Code1, FALLING);//小车左车轮电机的编码器脉冲中断函数 
attachInterrupt(1, Code2, FALLING);//小车右车轮电机的编码器脉冲中断函数 
nh.initNode(); 
nh.subscribe(sub); 
//broadcaster.init(nh); 
left_PID.SetOutputLimits(-254, 254); 
left_PID.SetSampleTime(500); 
left_PID.SetMode(AUTOMATIC); 
left_PID.SetTunings(left_kp, left_ki, left_kd); 
right_PID.SetOutputLimits(-254, 254); 
right_PID.SetSampleTime(500); 
right_PID.SetMode(AUTOMATIC); 
right_PID.SetTunings(right_kp, right_ki, right_kd); 
} 
//子程序程序段 
void advance()//前进 
{ 
digitalWrite(M_left, HIGH); 
analogWrite(E_left, val_left); 
digitalWrite(M_right, HIGH); 
analogWrite(E_right, val_right); 
} 
void back()//后退 
{ 
digitalWrite(M_left, LOW); 
analogWrite(E_left, val_left); 
digitalWrite(M_right, LOW); 
analogWrite(E_right, val_right); 
} 
void Stop()//停止 
{ 
digitalWrite(E_right, LOW); 
digitalWrite(E_left, LOW); 
} 
void loop() { 
//  Serial.println("*************************************loop"); 
//  t.header.frame_id = odom; 
//  t.child_frame_id = base_link; 
//  t.transform.translation.x = 1.0; 
//  t.transform.rotation.x = 0.0; 
//  t.transform.rotation.y = 0.0; 
//  t.transform.rotation.z = 0.0; 
//  t.transform.rotation.w = 1.0; 
//  t.header.stamp = nh.now(); 
//  broadcaster.sendTransform(t); 
nh.spinOnce(); 
// put your main code here, to run repeatedly: 
if (angular == 0) { //直行 
if (linear > 0) { //前进 
Serial.println("Go Forward!/n"); 
if (linear > max_linear) 
linear = max_linear; 
float linear_left = linear; //左内圈线速度 
float linear_right = linear; //右外圈线速度 
val_right_count_target = linear_right * gear_ratio / (diameter / hole_number); //左内圈线速度对应的孔数 
val_left_count_target = linear_left * gear_ratio / (diameter * diamete_ratio / hole_number); //右外圈线速度对应的孔数 
val_right = linear_right * (max_linear_pwd / max_linear); //根据轮径参数计算出来的线速度对应的PWD值,左轮 
val_left = linear_left * (max_linear_pwd / max_linear); //根据轮径参数计算出来的线速度对应的PWD值,右 
left_Setpoint = val_left_count_target; 
right_Setpoint = val_right_count_target; 
advance(); 
run_direction = 'f'; 
} else if (linear < 0) { //后退 
Serial.println("Go Backward!/n"); 
linear = abs(linear); 
if (linear > max_linear) 
linear = max_linear; 
float linear_left = linear; //左内圈线速度 
float linear_right = linear; //右外圈线速度 
val_right_count_target = linear_right * gear_ratio / (diameter * diamete_ratio / hole_number); //左内圈线速度对应的孔数 
val_left_count_target = linear_left * gear_ratio / (diameter / hole_number); //右外圈线速度对应的孔数 
val_right = linear_right * (max_linear_pwd / max_linear); //根据轮径参数计算出来的线速度对应的PWD值,左轮 
val_left = linear_left * (max_linear_pwd / max_linear); //根据轮径参数计算出来的线速度对应的PWD值,右轮 
left_Setpoint = val_left_count_target; 
right_Setpoint = val_right_count_target; 
back(); 
run_direction = 'b'; 
} 
} else if (angular > 0) { //左转 
Serial.println("Turn Left!/n"); 
if (linear > max_turn_line) //////限制最大转弯线速度 
{ 
angular = angular * max_turn_line / linear; 
linear = max_turn_line; 
} else if (linear == 0) { 
linear = max_turn_line; 
} 
float radius = linear / angular; //计算半径 
if (radius < car_width / 2) ///////如果计算的转弯半径小于最小半径,则设置为最小转弯半径 
radius = car_width / 2; 
float radius_left = radius - car_width / 2; //左内圈半径 
float radius_right = radius + car_width / 2; //右外圈半径 
float linear_left = radius_left * angular; //左内圈线速度 
float linear_right = radius_right * angular; //右外圈线速度 
if (linear == max_turn_line) { 
linear_left = 255 * (linear_left / linear_right); 
linear_right = 255; 
} 
val_right_count_target = linear_right * gear_ratio / (diameter / hole_number); //左内圈线速度对应的孔数 
val_left_count_target = linear_left * gear_ratio / (diameter * diamete_ratio / hole_number); //右外圈线速度对应的孔数 
val_right = linear_right * (max_linear_pwd / max_linear); //根据轮径参数计算出来的线速度对应的PWD值,左轮 
val_left = linear_left * (max_linear_pwd / max_linear); //根据轮径参数计算出来的线速度对应的PWD值,右轮 
left_Setpoint = val_left_count_target; 
right_Setpoint = val_right_count_target; 
run_direction = 'f'; 
advance(); 
} else if (angular < 0) { //右转 
Serial.println("Turn Right!"); 
if (linear > max_turn_line) //////限制最大转弯线速度 
{ 
angular = angular * max_turn_line / linear; 
linear = max_turn_line; 
} else if (linear == 0) { 
linear = max_turn_line; 
} 
float radius = linear / angular; 
if (radius < car_width / 2) ///////如果计算的转弯半径小于最小半径,则设置为最小转弯半径 
radius = car_width / 2; 
float radius_left = radius + car_width / 2; 
float radius_right = radius - car_width / 2; 
float linear_left = radius_left * angular; 
float linear_right = radius_right * angular; 
if (linear == max_turn_line) { 
linear_right = 255 * (linear_right / linear_left); 
linear_left = 255; 
} 
val_right_count_target = linear_right * gear_ratio / (diameter / hole_number); //左内圈线速度对应的孔数 
val_left_count_target = linear_left * gear_ratio / (diameter * diamete_ratio / hole_number); //右外圈线速度对应的孔数 
val_right = linear_right * (max_linear_pwd / max_linear); //根据轮径参数计算出来的线速度对应的PWD值,左轮 
val_left = linear_left * (max_linear_pwd / max_linear); //根据轮径参数计算出来的线速度对应的PWD值,右轮 
left_Setpoint = val_left_count_target; 
right_Setpoint = val_right_count_target; 
advance(); 
run_direction = 'f'; 
} 
delay(1000); 
val_left_count_target = 0; 
left_Setpoint = 0; 
val_right_count_target = 0; 
right_Setpoint = 0; 
linear = 0; 
angular = 0; 
Stop(); 
run_direction = 's'; 
} 
// 左侧车轮电机的编码器码盘计数中断子程序 
void Code1() 
{ 
//为了不计入噪音干扰脉冲， 
//当2次中断之间的时间大于2ms时，计一次有效计数 
//Serial.println("Code1"); 
if ((millis() - time1) > 2) { 
//当编码器码盘的OUT脉冲信号下跳沿每中断一次， 
count_left++; // 编码器码盘计数加一 
if ((millis() - left_old_time) > 100) { ////////100ms进行一次PID调节 
if (run_direction != 's') 
PID_left(); 
left_old_time = millis(); 
count_left = 0;//把脉冲计数值清零，以便计算下一秒的脉冲计数 
} 
time1 == millis(); 
} 
} 
// 右侧车轮电机的编码器码盘计数中断子程序 
void Code2() 
{ 
//Serial.println("Code2"); 
if ((millis() - time2) > 2) { 
//当编码器码盘的OUT脉冲信号下跳沿每中断一次， 
count_right++; // 编码器码盘计数加一 
if ((millis() - right_old_time) > 100) { ////////100ms进行一次PID调节 
if (run_direction != 's') 
PID_right(); 
right_old_time = millis(); 
count_right = 0; //把脉冲计数值清零，以便计算下一秒的脉冲计数 
} 
time2 == millis(); 
} 
} 
void PID_left() { 
Serial.println("********************************begin PID left"); 
left_Input = count_left * 10; 
left_PID.Compute(); 
val_left = val_left + left_Output; 
if (val_left > 255) 
val_left = 255; 
if (val_left < 0) 
val_left = 0; 
if (run_direction == 'f') //根据刚刚调节后的小车电机PWM功率值，及时修正小车前进或者后退状态 
advance(); 
if (run_direction == 'b') 
back(); 
Serial.println("********************************end PID Left"); 
} 
void PID_right() { 
Serial.println("********************************begin PID Right"); 
right_Input = count_right * 10; 
right_PID.Compute(); 
val_right = val_right + right_Output; 
if (val_right > 255) 
val_right = 255; 
if (val_right < 0) 
val_right = 0; 
if (run_direction == 'f') //根据刚刚调节后的小车电机PWM功率值，及时修正小车前进或者后退状态 
advance(); 
if (run_direction == 'b') 
back(); 
Serial.println("********************************end PID Right"); 
}

实践证明ROS_lib是非常占用arduino资源的，如果要订阅Twist，同时发布TF，Odometry消息则至少需要3k的SRAM, Arduino UNO只能作为接收Twist消息，来控制底盘，如果用rosserial_arduino做到完整的Base Controller就只能上Arduino Mega2560了，这无疑会增加不少成本，所以笔者认为又更好的选择，那就是使用ros_arduino_bridge作为Base Controller，把逻辑的运算放在上位机上运行，Arduino单纯的作为硬件的控制器，在下一篇，将为大家讲解如何用ros_arduino_bridge作为base controller。

这里写图片描述

原创文章，作者：奋斗，如若转载，请注明出处：https://blog.ytso.com/6911.html

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