ROS与CANopen伺服电机运动控制架构

2. 硬件组成

0. 伺服电机与驱动器
   • 两台支持CANopen协议的伺服电机（如Beckhoff、Elmo、Kollmorgen等品牌）。
   • 驱动器需支持 CiA 402 协议（标准伺服驱动协议），配置为 位置模式、速度模式 或 插补模式。
   • 每个驱动器需分配唯一的 CANopen节点ID（如X轴电机ID=1，Y轴电机ID=2）。
1. CAN总线硬件
   • CAN接口卡（如Peak PCAN-USB、Kvaser、或嵌入式设备的CAN控制器）。
   • CAN总线需配置终端电阻（120Ω），确保信号完整性。
2. 上位机
   • 运行ROS的计算机（如Ubuntu + ROS Noetic/Melodic）。

3. 软件架构

3.1 ROS软件栈

• ROS Master: 协调节点通信。
• 关键ROS包：
  • socketcan_interface 或 ros_canopen: 提供CAN总线驱动和CANopen协议栈支持。
  • canopen_motor_node: 封装CANopen驱动器的ROS接口。
  • moveit 或 自定义路径规划节点: 生成X-Y平面运动轨迹。
  • ros_control: 可选，用于硬件抽象和控制器管理。

3.2 CANopen协议栈

• CANopen主站（通过ROS节点实现）:
  • 管理CANopen网络（NMT状态机）。
  • 配置从站（SDO协议）和同步机制（SYNC对象）。
  • 处理过程数据对象（PDO）的实时通信。

4. 关键功能模块

4.1 CANopen配置

0. EDS文件
   • 为每个伺服驱动器加载对应的EDS（Electronic Data Sheet）文件，定义对象字典（Object Dictionary）参数。
   • 配置操作模式（6060h: 位置模式=1，速度模式=3，循环同步位置模式=8）。
1. PDO映射
   • 配置接收PDO（RPDO）和发送PDO（TPDO），例如：
     • RPDO1: 目标位置（607Ah）或目标速度（60FFh）。
     • TPDO1: 实际位置（6064h）、实际速度（606Ch）、状态字（6041h）。
2. 同步机制
   • 使用SYNC对象（周期由主站发送）触发驱动器同步执行指令。

4.2 ROS节点设计

0. CAN总线驱动节点

   • 使用 socketcan_bridge 或 canopen_chain_node 驱动CAN硬件，将原始CAN帧转换为ROS消息。

1. CANopen主站节点

   • 初始化CANopen网络，发送NMT命令启动从站。
   • 通过SDO配置驱动器参数（如模式、PDO映射）。
   • 发布/订阅PDO数据到ROS话题（如 /canopen_motor/x_axis/state）。

2. 运动控制节点

   • 输入：目标路径（如 /path 话题或Action消息）。

   • 输出：插补后的X/Y轴目标位置/速度，通过服务或话题发送到驱动器。

   • 实现逻辑：

     # 伪代码示例
     def trajectory_callback(msg):
         for point in msg.points:
             x_target = point.x
             y_target = point.y
             # 插补计算（如线性插补）
             publish_to_canopen(x_target, y_target)

3. 监控与诊断节点

   • 订阅驱动器状态（如错误代码、实际位置）。
   • 实现紧急停止（发送NMT急停命令）。

5. 通信流程示例

0. 初始化阶段
   • CANopen主站发送NMT命令进入“预操作”状态。
   • 通过SDO配置驱动器参数（PDO映射、操作模式）。
   • 发送NMT命令启动驱动器。
1. 实时控制阶段
   • 主站周期发送SYNC信号。
   • 运动控制节点发布目标位置到RPDO。
   • 驱动器通过TPDO返回实际位置和状态。

6. 关键代码实现

Launch文件示例

<launch>
  <!-- CAN接口驱动 -->
  <node name="socketcan_bridge" pkg="socketcan_bridge" type="socketcan_bridge_node">
    <param name="can_device" value="can0" />
  </node>

  <!-- CANopen主站 -->
  <node name="canopen_master" pkg="canopen_chain_node" type="canopen_chain_node">
    <rosparam command="load" file="$(find your_pkg)/config/canopen_params.yaml" />
  </node>

  <!-- 运动控制节点 -->
  <node name="motion_controller" pkg="your_pkg" type="motion_controller.py" />
</launch>

配置文件 (canopen_params.yaml)

bus:
  device: can0
  loopback: false
  reset_errors: true

nodes:
  - id: 1
    name: x_axis
    eds_pkg: your_pkg
    eds_file: config/x_axis.eds
  - id: 2
    name: y_axis
    eds_pkg: your_pkg
    eds_file: config/y_axis.eds

7. 调试与测试

• CAN总线监控: 使用 candump can0 或 wireshark 查看原始CAN帧。
• ROS工具:
  • rostopic echo /canopen_motor/x_axis/state 查看电机状态。
  • rqt_plot 可视化位置跟踪。
• 紧急处理: 配置硬件急停信号或ROS服务触发驱动器快速停机。

8. 扩展与优化

• 实时性优化: 使用Xenomai或PREEMPT_RT内核提升实时性。
• 多轴同步: 使用CANopen的同步PDO（SPDO）或时间戳机制。
• 安全功能: 配置驱动器安全对象（如STO, Safe Torque Off）。

通过以上架构，可实现基于ROS和CANopen的高精度多轴运动控制，适用于机器人、CNC机床等场景。