ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)

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2020年9月22日 11时11分

倒立摆是自动控制原理或现代控制理论等经典分析案例,博客有数篇博文针对这样案例给出题目和分析:

本篇主要针对倒立摆小车在ROS2系统中的实现为例,进行详细介绍。

 

为什么选择使用倒立摆进行实时演示呢?

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图

 

平衡倒立摆是通常由实时计算解决的控制问题的经典示例之一。 如果控制器阻塞时间过长,摆锤将掉落或变得不稳定。 但是,如果控制器比控制摆锤的电动机运行的速度更快的速度可靠地更新,则摆锤将成功地对传感器数据做出反应平衡摆锤。

 

这是一个对实时性要求很高的控制场景!

安装说明:

需要确保ROS2 Dashing等安装完成,并配置好rosdep:

 

source /opt/ros/dashing/setup.bash
mkdir -p ~/pendulum_ws/src
cd ~/pendulum_ws/src
git clone https://github.com/ros2-realtime-demo/pendulum
cd ~/pendulum_ws
sudo rosdep init
rosdep update
rosdep install -q -y --from-paths src --ignore-src --rosdistro dashing
colcon build --merge-install # OR colcon build --symlink-install

 

示例运行说明:

终端1:启动倒立摆pendulum_bringup

ros2 launch pendulum_bringup pendulum_bringup.launch.py

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(1)

初始化

 

终端2:启动管理器pendulum_manager

ros2 run pendulum_manager pendulum_manager

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(2)

详细管理选项

 

终端3:启动三维可视化rviz2

export LC_NUMERIC="en_US.UTF-8" # Make sure that your locales are correctly setup.
ros2 run rviz2 rviz2 -d `ros2 pkg prefix pendulum_bringup --share`/config/pendulum.rviz

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(3)

rviz2

 

如果一切正常,即可看到倒立摆:

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(4)

倒立摆三维可视化界面

 

可以使用topic、node、service、rqt等命令进行复习。

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(5)

rqt

 

详细教程会逐步补充。

 

再开启一个新终端,输入设置位置命令,使倒立摆小车位于位置0:

ros2 topic pub -1 /pendulum_setpoint pendulum_msgs_v2/msg/PendulumCommand "cart_position: 0.0"

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(6)

位置0

 

位置+4:

ros2 topic pub -1 /pendulum_setpoint pendulum_msgs_v2/msg/PendulumCommand "cart_position: 4.0"

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(7)

位置4

 

位置-3:

ros2 topic pub -1 /pendulum_setpoint pendulum_msgs_v2/msg/PendulumCommand "cart_position: -3.0"

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(8)

位置-3

 

除了位置设置,还支持力输入等,自行学习研究。

ros2 topic pub -1 /pendulum_setpoint pendulum_msgs_v2/msg/PendulumCommand "cart_position: -5.0"

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(9)

position

 

ros2 topic pub -1 /pendulum_disturbance pendulum_msgs_v2/msg/PendulumCommand "cart_force: 100"

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(10)

force

 

节点管理

演示中使用的主要节点是/pendulum_controller和/pendulum_driver。 也就是说,它们从生命周期节点继承,可以控制节点状态。

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(11)

标题

 

所有配置和内存分配必须在onConfigure转换中完成。 在活动状态下,所有计算都应实时兼容。 目前可能还不完全正确,但这是目标。

 

创建包pendulum_manager的目的是为了更轻松地控制节点的状态。 这个软件包还处于初期,其想法是使这个软件包成为带有控制面板的rqt插件。

 

只是为了好玩,可以尝试在仿真处于活动状态时停用控制器节点,以查看摆锤的下落。

 

ROS2实时性案例分析之倒立摆系统使用(Inverted pendulum)插图(12)

取消控制,摆下落

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