【ROS2】驱动开发-通过控制器访问硬件（Hardware Access through Controllers）

本文介绍了控制器如何 独占地使用硬件资源，同时保持尽可能的灵活性，以避免被严格绑定为“位置（position）”、“速度（velocity）”和“力/力矩（effort）”这三种类型的限制（参见 Flexible Joint States Message）。

文章首先描述了硬件资源是如何 分类和加载 的，然后提供了一种 在控制器中安全访问这些资源的实时方法。

硬件资源（Hardware Resources）

硬件资源描述了在 ros2_control 中被管理的 物理组件。

在这里，我们区分三类硬件资源：执行器（Actuators）、传感器（Sensor） 和 系统（System）。每个硬件资源在运行时加载，这使得被控制系统的组成既 灵活又动态。硬件的组成和配置完全通过 URDF 来完成。

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关节（Joint / Interface）

关节被视为一个逻辑组件，由至少一个执行器驱动（根据实际硬件，可能存在欠驱动或过驱动的情况）。

关节的作用是作为 控制器实例与底层硬件之间的抽象层。这种抽象可以屏蔽硬件的复杂性，使控制器只需关注关节的值即可，即使一个关节可能由多个电机通过复杂的传动机构驱动。

关节的配置是与硬件资源（如执行器或系统）配合进行的。关节组件通过 命令接口（command interfaces） 和 状态接口（state interfaces） 使用，这些接口在 URDF 中声明：

• 命令接口（command interfaces）：描述控制关节时可以设置的值类型，例如力/力矩（effort）或速度（velocity）
• 状态接口（state interfaces）：只读接口，用于获取关节反馈信息

接口本身还可以通过传入参数进行进一步配置。

例如，一个 URDF 配置示例如下：

...
<joint name="my_joint"><command_interface name="joint_command_interface"><param name="my_joint_command_param">1.5</param></command_interface><state_interface name="joint_state_interface1" /><state_interface name="joint_state_interface2" />
</joint>
...

传感器（Sensor / Interface）

传感器是另一种逻辑组件，它表示 只读状态反馈的硬件资源接口。

类似于关节接口（Joint Interface），传感器接口也对底层物理硬件进行了抽象，使控制器可以通过统一接口访问硬件状态。

<sensor name="my_sensor"><state_interface name="sensor_state_interface1" /><state_interface name="sensor_state_interface2" /><state_interface name="sensor_state_interface3" />
</sensor>

传感器接口只能在 Sensor 或 System 硬件标签内进行配置。

执行器（硬件）

执行器（Actuator）描述了一个具有最多 1 个自由度（1DoF） 的单一物理执行器实例，并且它与某个 关节（Joint） 严格绑定。
它通常接收一个单一的控制命令值，用于对应的工作模式，例如期望的关节速度（velocity）或力矩/推力（effort）；在少数情况下，执行器也可能直接接收一个精确的关节位置（position）值。

该执行器的实现可能会将这些期望值转换为 PWM 信号 或其他硬件特定的控制命令，从而驱动物理硬件。同样地，执行器也可以提供状态反馈。根据具体设置，电机编码器（motor encoder）可能会提供位置、速度、力矩或电流等反馈信息。

执行器在 URDF 中的定义片段可能如下所示：

<ros2_control name="my_simple_servo_motor" type="actuator"><hardware><class>simple_servo_motor_pkg/SimpleServoMotor</class><param name="serial_port">/dev/tty0</param>...</hardware><joint name="joint1"><command_interface name="position"><param name="min">-1.57</param><param name="max">1.57</param></command><state_interface name="position"/>...</joint>
</ros2_control>

上面的代码片段展示了一个简单的硬件配置：
它包含一个执行器（Actuator），用于控制一个逻辑关节（Joint）。
在这个例子中，关节被配置为使用位置值（position）进行控制命令，同时其状态反馈也是位置（position）。

如果一个关节在配置中声明了某种控制接口或状态接口，而底层硬件并不支持该接口，那么在启动时会触发运行时错误（runtime error）。

相反，如果关节只配置了最基本、必要的接口（例如 position），即使硬件实际上还支持其他接口（例如 “current” 或 “voltage”），这些额外接口也不会被实例化，而是被忽略。

传感器（Sensor，硬件）

传感器是一种仅提供状态反馈的硬件组件。
它可以被视为一种只读的硬件资源，因此不需要独占访问管理——也就是说，多个控制器可以同时共享使用该传感器。

<ros2_control name="my_simple_sensor"><hardware type="sensor"><class>simple_sensor_pkg/SimpleSensor</class><param name="serial_port">/dev/tty0</param>...</hardware><sensor name="my_sensor"><state_interface name="roll" /><state_interface name="pitch" /><state_interface name="yaw" /></sensor>
</ros2_control>

需要注意的是，从技术上讲，物理硬件资源（<hardware type="sensor">）与逻辑组件（<sensor name="my_sensor">）在概念上是分开的，虽然它们都被称为 Sensor（传感器）。
不过，在本文档中我们不会对它们进行进一步区分，因为对于用户而言，这种区分没有太大的语义意义。

系统（System，硬件）

System 用于表示一种更复杂的硬件结构，它包含多个关节（joints）和传感器（sensors）。
这种类型通常用于第三方机器人系统，例如机械臂或工业自动化设备，这些设备通常拥有自有（专有）的 API 接口。

System 类型硬件资源的实现，起到一个中间层接口的作用——它连接底层物理硬件与上层控制器（controller），以便控制器能够通过该接口访问和操作硬件提供的 API。

<ros2_control name="MyComplexRobot" type="system"><hardware><class>complex_robot_pkg/ComplexRobot</class>...</hardware><joint name="joint1"><command_interface name="velocity" /><command_interface name="effort" /><state_interface name="position" /><state_interface name="velocity" /><state_interface name="effort" /></joint><joint name="joint2"><command_interface name="velocity" /><command_interface name="effort" /><state_interface name="position" /><state_interface name="velocity" /><state_interface name="effort" /></joint>
</ros2_control>

资源管理器（Resource Manager）

资源管理器负责 解析 URDF 文件 并实例化相应的硬件资源（hardware resources）和逻辑组件（logical components）。
它管理这些硬件资源及其关联逻辑关节的生命周期，并作为控制器管理器（Controller Manager）的存储后端，为控制器提供硬件资源的使用权限。

资源管理器会维护一个控制器与其所占用资源的账本。

• 当控制器不再需要某个资源时，该资源会被释放并返回给资源管理器（Resource Manager），可以提供给其他控制器使用。
  在内部，资源管理器会维护每个硬件资源及其接口的映射关系。

• 这个映射可以通过简单的 逻辑组件名 / 接口名 查找。

• 资源管理器将物理硬件资源与逻辑组件进行抽象分离，使控制器无需知道具体哪个硬件负责控制哪条关节（joint）。

在之前的例子中：

• 执行器（Actuator）的控制接口被映射到 joint1/position，状态接口同样映射到 joint1/position。
• 对于传感器（Sensor），它的接口被映射到 my_sensor/roll、my_sensor/pitch、my_sensor/yaw。

控制器接口（Controller Interface）

系统启动并加载控制器后，控制器可以**声明逻辑组件（logical components）**并访问它们的接口。

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通用访问（Generic Access）

控制器可以通过向资源管理器（Resource Manager）查询对应的键（key）来访问单个接口的值，例如 joint1/effort。

• 如果该接口可用，控制器就会获得一个 handle，可以在控制器执行过程中设置 joint1 的力矩（effort）值。

示例代码：

void MyController::init(... resource_manager)
{InterfaceCommandHandle joint1_effort_cmd = resource_manager->claim_command_interface("joint1/effort");InterfaceStateHandle joint1_position_state = resource_manager->claim_state_interface("joint1/position");
}

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语义组件（Semantic Components）

上面的例子对于简单系统可能已经足够，但在处理复杂传感器（如 6D 力/扭矩传感器、IMU 等）时，会积累大量的 handle。
因此，引入了 语义组件（Semantic Components），它们可以封装多个键（keys），并在此基础上提供更有意义的 API，方便控制器调用和操作。

void MyController::init(... resource_manager)
{FTSensor6D ft_sensor(resource_manager,"sensor1/fx", "sensor1/fy", "sensor1/fz",  // force values"sensor1/tx", "sensor1/ty", "sensor1/tz"); // torque valuesstd::vector<double> torque = ft_sensor.get_torque_values();geometry_msgs::msg::Wrench wrench_msg = ft_sensor.as_wrench_msg();
}

作为展望（Outlook），可以考虑让 语义组件（Semantic Components） 为硬件资源提供更多有意义的信息。

例如，对于一个摄像头传感器（Camera Sensor），为每个像素提供一个键（key）几乎没有实际意义。
一种解决方案是提供能够充分描述摄像头的键，例如 通用数据键（generic data key） 和 尺寸键（size key）。

在这种情况下，Camera 类的实现需要知道如何解释 camera1/data 指针：

• 不能把它当作单个 double 值处理，
• 而应当将其视为一个指针地址或类似的数据结构，从而正确访问整个图像数据。

Camera cam(resource_manager, "camera1/data", "camera1/size");
cv::Mat img = cam.get_image();