T-Robot

B站链接：T-Robot v0.1版本发布！开源全向移动机器人(Based on Micro-ROS)

• T-Robot是一个DIY的移动机器人

• 全面拥抱ROS2生态，可实现2D激光雷达地图重建和自主导航

• 纯兴趣向，可作为ROS2入门参考使用

• 底层采用micro-ros，彻底拥抱ROS2生态

• 上层应用ROS2进行各个功能模块的快速开发

• 本项目借鉴和学习了以下仓库：linorobot2 fishbot turtlebot3

• 注意：仅在ros2-foxy下进行了测试

0 仓库资料说明

• images：一些照片
• firmware：底层固件
• ros2_packages：ros功能包
• 3D-models：三维模型

1 机器人硬件部分

均为淘宝采购，为避免广告嫌疑，不放链接~

• 机器人底盘布局

• 主控：esp32 (ESP-WROOM-32)+旭日x3派(2GB)

• 激光雷达：LD14

• IMU：MPU9250

• 电机： WGA12-N20直流减速电机 (12V, 1:50减速比)

• 电机驱动芯片：4颗RZ7889

• 编码器：AB双相增量式磁性霍尔编码器

• 电源：12V锂电池；

  • 12V驱动电机；外置12V转5V模块提供DC-5V输出(最大电流4A)；

• 轮子：4麦轮，直径48mm

• 结构件：切割亚克力板、3D打印

2 底层固件部分

2.0 固件说明

• 此固件基于Arduino框架，适用于esp32系列；不推荐使用ArduinoIDE进行编译(可能报错)；

• 推荐使用VScode+platformio，固件相关依赖可通过platformio.ini自动安装；

• 基于micro_ros_arduino#v2.0.5foxy,可自行更改为其他版本，如galactic,humble等(可能需要极少的修改)；

• 由于micro_ros_arduino并不是原生支持platformio，因此在platformio.ini中需要手动指定相应硬件平台的libmicroros.a，使用如下命令(以esp32为例)：

  build_flags = 
    -L $PROJECT_DIR/lib/micro_ros_arduino/src/esp32/ -l libmicroros
  

对官方micro_ros_arduino库进行了rebuild，因此不可以直接使用官方的库

• 若要使用官方micro_ros_arduino，需要更改odomertry message的Qos为default：

  • 改为default会导致发布频率降低；

    //!!! 更改rclc_publisher_init_best_effort为rclc_publisher_init_default !!!
  RCCHECK(rclc_publisher_init_best_effort(
  ​    &odom_publisher,
  ​    &node,
  ​    ROSIDL_GET_MSG_TYPE_SUPPORT(nav_msgs, msg, Odometry),
  ​    "odom"));
  

• 使用wifi与上位机进行通讯；

• 若使用串口，确保串口波特率在480600bps以上，并修改src/main.cpp：

  set_microros_transports();
  //set_microros_wifi_transports("WIFI名称", "密码", "上位机IP", 8888);
  

2.1 各模块说明

2.1.1 lib/config

包含大部分宏定义，引脚定义等。

2.1.2 lib/encoder

c++封装的适用于esp32的编码器库，原作者仓库地址：ESP32encoder

• 本项目对其进行了必要修改，增加了getRPM()函数，以直接获取转速信息。

  float ESP32Encoder::getRPM(int counts_per_rev)  //counts_per_rev：每转一圈的编码器计数
  {
    counts_per_rev_ = counts_per_rev;
    int64_t encoder_ticks = getCount();
    // this function calculates the motor's RPM based on encoder ticks and delta time
    unsigned long current_time = micros();
    unsigned long dt = current_time - prev_update_time_;
    // convert the time from milliseconds to minutes
    double dtm = (double)dt / 60000000;
    double delta_ticks = encoder_ticks - prev_encoder_ticks_;
    // calculate wheel's speed (RPM)
    prev_update_time_ = current_time;
    prev_encoder_ticks_ = encoder_ticks;
    return ((delta_ticks / counts_per_rev_) / dtm);
  }
  

• 可配置实现不同的编码器计数方式：

//file: ESP32encoder.h
void attachSingleEdge(int aPintNumber, int bPinNumber); //1倍
void attachHalfQuad(int aPintNumber, int bPinNumber);  //2倍
void attachFullQuad(int aPintNumber, int bPinNumber);  //4倍

2.1.3 lib/imu

• imu_interface.h

  • 定义了IMU的ros2 imu message格式，可直接发送给ROS/ROS2使用；

  • IMUInterface()构造函数中初始化了imu_msg.header相关信息，不同版本写法略有不同；

  • 抽象了4个虚函数，方便适配不同类型的IMU；

    //file: imu_interface.h
    virtual geometry_msgs__msg__Vector3 readAccelerometer() = 0;
    virtual geometry_msgs__msg__Vector3 readGyroscope() = 0;
    virtual bool startSensor() = 0;
    virtual void calibrateGyro()=0;
    

• default_imu.h

  • 依赖MPU9250库，该库可通过platformio.ini文件进行自动安装，也可以手动下载添加；
  • 对imu_interface.h中的4个虚函数进行了实现；

2.1.4 lib/kinematics

c++封装的适用于求解小车底盘正逆运动学的库。适用于两轮差分、阿克曼、麦轮等。该库原地址：kinematics

小车轮距、轮径、转速等信息在lib/config中定义；

• 核心函数1：由线速度和角速度推算小车车轮转速

rpm getRPM(float linear_x, float linear_y, float angular_z);

• 核心函数2：由小车车轮转速推算线速度和角速度

velocities getVelocities(int rpm1, int rpm2, int rpm3, int rpm4);

2.1.5 lib/motor

motor_interface.h抽象了电机的各个功能，如正转、反转、停机等；

motor.h继承了motor_interface并对其各个功能进行了实现，并添加了pwm_offset;

pwm_offset是为了解决一些电机在低占空比pwm驱动下，电机不转动的问题；

2.1.6 lib/odemetry

定义了里程计nav_msgs/msg/odometry，用于发布odometry message；

• 核心函数1：获取当前的odometry message数据

  nav_msgs__msg__Odometry Odometry::getData()
  {
    return odom_msg_;
  }
  

• 核心函数2：传入速度信息，更新odometry message数据

void update(float vel_dt, float linear_vel_x, float linear_vel_y, float angular_vel_z);

2.1.7 lib/pid

顾名思义，电机的PID控制，不多解释了，看代码~

2.1.8 lib/micro_ros_arduino

基于官方的micro_ros_arduino#v2.0.5foxy，对其进行了必要修改，并进行了rebuild：

• 修改UCLIENT_CUSTOM_TRANSPORT_MTU=1024，使得采用best_effort的传输策略时，可以传输大于512Bytes的数据(主要是odometry message)；
• 修改RMW_UXRCE_MAX_HISTORY=2，减少RAM使用，避免内存溢出；
• 具体rebuild步骤可参考：https://github.com/micro-ROS/micro_ros_arduino/issues/1221#issuecomment-1329923473

2.1.9 src/main.cpp

• 初始化编码器、pid控制、电机等
• 创建2个publisher: odom和imu
• 创建1个subscriber: cmd_vel
• 创建3个软件定时器：2个用于publisher发布；1个用于控制机器人移动；

3 ROS功能包部分

3.1 ld14

• 激光雷达的功能包，一般由雷达厂家提供

3.2 robot_bringup

• 放置robot开机启动的程序(目前只有一个default.launch.py)

3.2.1 default.launch.py

• 依次启动激光雷达、robot_description、micro_agent等等

3.3 robot_description

• 主要放置机器人描述文件，即urdf
• 加载stl文件报错时，可参考fix malformed stl

3.4 robot_cartographer

• 利用cartoprapher进行建图，具体信息自行学习cartographer。

4 已知问题

• IMU坐标系未与ROS默认的坐标系对齐，需要重新对齐，后续有进度再更新。
• 因为IMU坐标系问题，采用EKF融合IMU和Odometry会出错，故直接使用编码器直出Odom。
• Odom的更新频率目前维持在40Hz，再高无法达到，似乎串口波特率到极限了；可尝试wifi通讯。
• 未添加camera驱动，因为后续有使用camera进行再次开发的想法，等待后续更新。