教程五 RoArm-M1 ROS2 串口通信节点

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RoArm-M1 ROS2串口通信节点教程

本文档用于RoArm-M1 ROS2串口通信节点教学。

简介

在ROS2中，节点（Node）、话题（Topic）、订阅（Subscription）和发布（Publisher）是核心概念，用于实现分布式系统中的通信。ROS2中的每个节点负责的是一个单一的、模块化的任务，每个节点都可以通过话题、服务等与其他节点发送和接收数据。
在我们的ROS2例程中，提供了两个ROS2包（packages），都位于roarm_ws/src中，其中roarm是URDF模型相关的包，serial_ctrl是串口通信节点相关的包。serial_ctrl节点用于将URDF包发布的姿态信息通过串口发送给机械臂，从而控制机械臂动作，姿态信息指的是机械臂各个舵机的绝对角度度数。在本教程中，我们会介绍这个节点的程序结构，以及这个节点的工作原理。

代码介绍

串口通信节点的主程序位于 serial_ctrl 中，文件名称为 serial_ctrl_py.py，由 python 语言编写，本教程介绍这个文件中的代码。

import rclpy
from rclpy.node import Node
import array

from sensor_msgs.msg import JointState
from std_msgs.msg import Float64

import json
import serial

前三行为负责ROS2的python接口和节点类。
中间两行为姿态信息的数据格式。
最后两行为用于串口通信的库和用于编码解码json数据的库（串口通信采用JSON数据格式通信）。

ser = serial.Serial("/dev/ttyUSB0",115200)

实例化串口通信对象，我们这里使用的串口设备为USB0(此处是数字0），如果你将此程序移植到了其它设备上，需要更改这里的设备以及波特率。

class MinimalSubscriber(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('serial_ctrl')
        
        self.position = []
        
        self.subscription = self.create_subscription(
            JointState,
            'joint_states',
            self.listener_callback,
            10)
        self.subscription  # prevent unused variable warning
    
    def posGet(self, radInput, direcInput, multiInput):
        if radInput == 0:
            return 2047
        else:
            getPos = int(2047 + (direcInput * radInput / 3.1415926 * 2048 * multiInput) + 0.5)
            return getPos
    
    def listener_callback(self, msg):
        a = msg.position
        
        join1 = self.posGet(a[0], -1, 1)
        join2 = self.posGet(a[1], -1, 3)
        join3 = self.posGet(a[2], -1, 1)
        join4 = self.posGet(a[3],  1, 1)
        join5 = self.posGet(a[4], -1, 1)
        
        data = json.dumps({'T':3,'P1':join1,'P2':join2,'P3':join3,'P4':join4,'P5':join5,'S1':0,'S2':0,'S3':0,'S4':0,'S5':0,'A1':60,'A2':60,'A3':60,'A4':60,'A5':60})
        
        ser.write(data.encode())
        
        print(data)

MinimalSubscriber 继承自 Node，用于定义一个 ROS2 节点：
__init__(self) 中定义了节点的名称 serial_ctrl。
create_subscription()：表示创建一个订阅器，订阅器名为“joint_states”的JointState消息，回调函数为listener_callback，消息的队列长度为10；
posGet()函数：用于计算关节位置的函数，输入弧度制的角度、方向，以及减速比的参数后计算关节位置；
listener_callback()函数：订阅器的回调函数，当接收到JointState消息时被调用，从消息中获取弧度制的角度信息，并且将弧度制的角度信息转换成舵机的位置数据，将舵机的位置数据封装成JSON格式并通过串口发送给机械臂

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    minimal_subscriber = MinimalSubscriber()

    rclpy.spin(minimal_subscriber)

    # Destroy the node explicitly
    # (optional - otherwise it will be done automatically
    # when the garbage collector destroys the node object)
    minimal_subscriber.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

main()函数中，首先初始化 rclpy，再创建 MinimalPublisher对象，rclpy.spin()表示进入循环，minimal_subscriber.destroy_node()表示节点被销毁。

编译

如果您在教程三中安装ROS2采用的是方法一，那么接下来终端都是进入roarm_ws文件夹下操作；如果您使用的是方法二，那么终端是进入RoArm-M1文件夹下操作。我这里都是在roarm_ws文件夹下进行操作的。

cd roarm_ws
进入工作空间，此处空间名，根据自己的镜像不同空间名可能不同，若教程三中是根据方法二进行的环境部署此处应为 cd RoArm-m1
colcon build

运行串口通信节点

首先将机械臂接通电源，使用USB线将机械臂与电脑连接。连接后，回到虚拟机，点击“设备”>“USB”，选择自己电脑对应的接口连接，这样机械臂就会连接到虚拟机上了。

打开一个新的终端

sudo chmod 777 /dev/ttyUSB0
如果这里报错，很可能就是您的虚拟机没有与机械臂相连接。
cd roarm_ws
进入工作空间，此处空间名，根据自己的镜像不同空间名可能不同，若教程三中是根据方法二进行的环境部署此处应为 cd RoArm-m1
source install/setup.bash
配置源文件

启动rviz2，请在终端中输入以下命令：

ros2 launch roarm roarm.launch.py

rviz2窗口会出现，显示出这个机械臂的模型。

上述终端不用关闭，打开一个新的终端，运行以下命令：

cd roarm_ws
进入工作空间，此处空间名，根据自己的镜像不同空间名可能不同，若教程三中是根据方法二进行的环境部署此处应为 cd RoArm-m1
source install/setup.bash

使用以下命令来运行串口通信节点，第一个serial_ctrl是roarm/src目录下的包，第二个是serial_ctrl包里面的serial_ctrl节点：

ros2 run serial_ctrl serial_ctrl

此时您应该打开了四个窗口，一个运行roarm.launch.py的终端窗口，一个运行serial_ctrl节点的终端窗口，一个rviz2中的机械臂模型窗口，一个控制面板窗口。调整这些窗口的位置，使您可以看到机械臂模型窗口，并且确保运行serial_ctrl节点的终端处于活动状态，接下来就可以通过拖拽控制面板的滑块来控制rviz2中的机械臂模型运动了，现实中的机械臂产品将跟着一起运动。

再次打开一个新的窗口，运行以下命令来查看所有正在运行的节点列表：

ros2 node list

可以看见系统中正在运行的节点的名称，使用ros2 node info <node_name>命令来获取有关节点的更多信息，它会返回一系列的订阅者、发布者、服务和动作信息。
我们这里查看串口通信节点/serial_ctrl的信息，请运行以下命令：

ros2 node info /serial_ctrl

输出会显示以下内容：

自此，我们可以通过运行串口通信节点来控制机械臂的运动了。接着，我们根据后续的教程做进一步的学习。