本文以正運(yùn)動技術(shù)EtherCAT運(yùn)動控制器ZMC432和ZMC408CE為例，介紹正運(yùn)動技術(shù)運(yùn)動控制器在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)動技術(shù)的EtherCAT運(yùn)動控制器ZMC432和ZMC408CE。這兩款產(chǎn)品分別是32軸，8軸EtherCAT運(yùn)動控制器。

ZMC432功能簡介

ZMC432是正運(yùn)動推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運(yùn)動控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運(yùn)動控制器可應(yīng)用于各種需要脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)行的場合。

ZMC432最多可支持32軸運(yùn)動控制，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功能簡介

ZMC408CE是正運(yùn)動推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運(yùn)動控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運(yùn)動控制器可應(yīng)用于各種需要脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)行的場合。

ZMC408CE支持8軸運(yùn)動控制，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個通道的硬件比較輸出、硬件定時器、運(yùn)動中精準(zhǔn)輸出，還支持8通道PWM輸出，對應(yīng)的輸出口為OUT0-7，支持8個通道同時觸發(fā)硬件比較輸出。

ZMC408CE可靈活進(jìn)行硬件資源擴(kuò)展，通過CAN或EtherCAT總線可擴(kuò)展至4096個輸入和4096個輸出。

→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)語言，支持VC6.0、VB6.0、Qt、.Net等平臺，支持Windows、Linux、WinCE、iMac等操作系統(tǒng)。

01ROS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)行時松散耦合。這些過程可以封裝到數(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)級別到社區(qū)一級的設(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)。

簡單來說，ROS作為一個靈活的操作系統(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Arduino作為一個節(jié)點(diǎn)發(fā)布信息，使用一臺筆記本電腦作為一個節(jié)點(diǎn)訂閱上述信息以及使用一臺手機(jī)作為一個節(jié)點(diǎn)驅(qū)動電機(jī)等。

上述靈活性使得ROS可以適應(yīng)很多不同場合的應(yīng)用。

ROS的主要特點(diǎn)可以歸納為以下幾條

1.分布式點(diǎn)對點(diǎn)設(shè)計(jì)

ROS的點(diǎn)對點(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)視覺和語音識別等功能帶來的實(shí)時計(jì)算壓力，能夠適應(yīng)多機(jī)器人遇到的挑戰(zhàn)。

2.多語言支持

ROS支持許多種不同的語言，例如C++、Python、Octave和LISP，也包含其他語言的多種接口實(shí)現(xiàn)。

3.精簡與集成

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)精簡的理念。

ROS基本將復(fù)雜的代碼封裝在庫里，只是創(chuàng)建了一些小的應(yīng)用程序?yàn)镽OS顯示庫的功能，就允許了對簡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，國內(nèi)外機(jī)器人企業(yè)、無人駕駛企業(yè)，無人機(jī)企業(yè)（大疆無人機(jī)）都紛紛加入ROS陣營。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)平臺研發(fā)架構(gòu)師等崗位時，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ROS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，正在機(jī)器人行業(yè)一步一步的主導(dǎo)中國市場。

以下是一些ROS典型應(yīng)用場景：

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NASA基于ROS開發(fā)的Robonaut 2已經(jīng)在國際空間站里干活了。

3.百度apollo無人車的底層是基于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ROS-I官方發(fā)布的五周年視頻不乏四大家族中的機(jī)器人。下圖的庫卡youbot機(jī)器人就是采用ROS系統(tǒng)開發(fā)。

02 軟件安裝過程

此部分主要講Ubuntu18.04安裝ROS Melodic詳細(xì)過程（本文以Ubuntu18.04為例，其他同理，并不影響運(yùn)動控制器的運(yùn)用）。

1.設(shè)置sources.list

$ sudo sh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb 
http://mirrors.ustc.edu.cn/ros/ubuntu/ $DISTRIB_CODENAME main" > 
/etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

2.設(shè)置key（公鑰已更新）

$ sudo apt-key adv --keyserver hkp://keyserver.ubuntu.com:80 --recv-key 
421C365BD9FF1F717815A3895523BAEEB01FA116

3.更新package（時間有點(diǎn)長，耐心等待）

$ sudo apt-get update

此時可能會遇到以下問題：

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說明更新完成。

4.安裝ROS melodic完整版

$ sudo apt-get install ros-melodic-desktop-full

5.初始化rosdep

$sudo rosdep init
$rosdep update
$echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc
$ source ~/.bashrc

效果示意圖：

輸入指令sudo rosdep init若遇到以下問題：

（1）sudo : rosdep : command not found問題

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，問題解決。

6.測試ROS是否安裝成功

$ roscore

成功打開如下圖所示：

03ROS編程案例

這部分主要講“消息發(fā)布”和“訂閱”兩個ROS編程案例。

1.創(chuàng)建一個ROS工作空間。

$mkdir -p ~/catkin_ws/src
$cd ~/catkin_ws/
$ catkin_make

2.創(chuàng)建ROS程序包（zmotion為程序包名，也可以定義為其他）。

$cd ~/catkin_ws/src
$catkin_create_pkg zmotion std_msgs roscpp
$cd ~/catkin_ws
$ catkin_make

3.在創(chuàng)建完程序包后，每次運(yùn)行需要source ~ / catkin_ws / devel / setup.bash，否則無法找到文件。

解決每次都要source方法：

在終端輸入：
$gedit ~/.bashrc
在文件末尾添加并保存：
$ source ~/catkin_ws/devel/setup.bash

4.新建節(jié)點(diǎn)文件。

在zmotion包目錄中創(chuàng)建一個src目錄:

$cd ~/catkin_ws/src/zmotion //進(jìn)入zmotion程序包路徑下
$mkdir -p src    //新建src文件夾，用來存放c++程序
$cd src/    //進(jìn)入src文件夾路徑下
$touch talker.cpp   //新建發(fā)布消息節(jié)點(diǎn)cpp文件
$ touch listener.cpp //新建訂閱消息節(jié)點(diǎn)cpp文件

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)建一個句柄，第一個創(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std_msgs消息
 //主機(jī)會訂閱所有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，用來替代prinf/cout
   ROS_INFO("Position is: %f", msg.data); 
chatter_pub.publish(msg);
   ros::spinOnce();
   //休眠，來使發(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)。

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/Float64.h"
//回調(diào)函數(shù)
void chatterCallback(const std_msgs::Float64::ConstPtr& msg)
{
 ROS_INFO("I heard: %f", msg->data);
}
int main(int argc, char **argv)
{
 ros::init(argc, argv, "listener");
 ros::NodeHandle n;
 //告訴master需要訂閱chatter topic消息
 ros::Subscriber sub = n.subscribe("chatter", 1000, chatterCallback);
 ros::spin(); //自循環(huán)
 return 0;
}

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。

cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)

(3) 找到find_package，添加依賴包message_generation。

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  std_msgs
  message_generation
)

(4)確保generate_message被調(diào)用。

generate_messages(
  DEPENDENCIES
  std_msgs
)

（5）確保在運(yùn)行時依賴中也添加了該消息的依賴。

catkin_package(
# INCLUDE_DIRS include
# LIBRARIES beginner_tutorials
# CATKIN_DEPENDS roscpp std_msgs
# DEPENDS system_lib
 CATKIN_DEPENDS message_runtime
)

（6）修改build下的設(shè)置

①將include_directories中include解注釋。

include_directories(
 include
 ${catkin_INCLUDE_DIRS}
)

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。

add_executable(talker src/talker.cpp)
add_executable(listener src/listener.cpp)
add_dependencies(talker $zmotion_generate_messages_cpp)//zmotion為程序包名
target_link_libraries(talker
  ${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(listener
  ${catkin_LIBRARIES}
)

（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。

message_generation
message_generation

message_runtime

9.編譯。

$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make

10.運(yùn)行程序。

（1）打開一個新終端，啟動ROS系統(tǒng)；

$ roscore

(2)打開一個新終端，運(yùn)行發(fā)布節(jié)點(diǎn)；

$ cd ~/catkin_ws //進(jìn)入工作控件目錄下
$ rosrun zmotion talker //運(yùn)行發(fā)布節(jié)點(diǎn)程序

(3)打開一個新終端，運(yùn)行訂閱節(jié)點(diǎn)；

$ cd ~/catkin_ws
$ rosrun zmotion listener

(4)結(jié)果。

運(yùn)行發(fā)布節(jié)點(diǎn)程序的結(jié)果：

[INFO] [WallTime: 1314931831.774057] Position is: 1.000000
[INFO] [WallTime: 1314931832.775497] Position is: 2.000000
[INFO] [WallTime: 1314931833.778937] Position is: 3.000000
[INFO] [WallTime: 1314931834.782059] Position is: 4.000000
[INFO] [WallTime: 1314931835.784853] Position is: 5.000000

運(yùn)行訂閱節(jié)點(diǎn)程序的結(jié)果：

[INFO] [WallTime: 1314931970.262246] I heard: 1.000000
[INFO] [WallTime: 1314931971.266348] I heard: 2.000000
[INFO] [WallTime: 1314931972.270429] I heard: 3.000000
[INFO] [WallTime: 1314931973.274382] I heard: 4.000000
[INFO] [WallTime: 1314931974.277694] I heard: 5.000000

本次，正運(yùn)動技術(shù)EtherCAT運(yùn)動控制器在ROS上的應(yīng)用（上），就分享到這里。

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審核編輯 黃宇