ros2_control 架构分析（2）-HardwareInterface

1.介绍

在ROS2_control框架中，hardware模块负责与物理硬件进行直接通信。它抽象了三类硬件：system、sensor和actuator，分别对应复杂的系统、仅输出数据的传感器和仅接收输入的执行器。

2.类与接口

在ROS2_control中，system、sensor和actuator作为三个核心类存在被上层调用，它们各自包含对应的interface成员变量。开发者通过继承这些interface并重写其方法来实现特定硬件的通信。

3.核心方法

自定义的HardwareInterface派生类需要实现以下核心方法：

• on_init()：进行硬件初始化，如建立通信和参数设置。
• on_config()：该方法是HardwareInterface基类继承自LifecycleNodeInterface类的方法，与ros2的状态机相关的方法。
• on_active()：该方法是HardwareInterface基类继承自LifecycleNodeInterface类的方法，与ros2的状态机相关的方法。
• on_deactive()：该方法是HardwareInterface基类继承自LifecycleNodeInterface类的方法，与ros2的状态机相关的方法，用于暂停执行，释放短期资源。
• onCleanup()：该方法是HardwareInterface基类继承自LifecycleNodeInterface类的方法，与ros2的状态机相关的方法，该方法作用是放弃资源，擦除内存
• on_shutdown():该方法是HardwareInterface基类继承自LifecycleNodeInterface类的方法，与ros2的状态机相关的方法，用于最后结束节点，释放所有资源。
• export_state_interface()：定义硬件输出接口，将输出值以指针的形式传出，其他模块通过接口名称可以获取指针
• export_command_interface()：定义硬件输入接口，将输入值以指针的形式传出，其他模块通过接口名称可以获取指针
• read()：从硬件读取数据。
• write()：向硬件写入数据。

这些方法通过接口与硬件进行交互，实现数据的读写操作。其中on_config、 on_active、 on_deactive等函数是ROS2中与状态机相关的新特性，用于管理节点的启动与关闭

4.硬件通信

开发者将硬件的数据以指针形式暴露，其他模块可以通过接口名称直接获取到指针对这些数据进行读写，从而实现高效的通信。

5.插件加载

自定义的HardwareInterface类编译后生成so文件，通过URDF文件以插件形式加载。URDF中的ros2_control标签定义了HardwareInfo结构，该结构包含了URDF中定义的所有相关信息，具体结构体成员如下：

struct HardwareInfo
{
  std::string name;
  std::string type;
  std::string hardware_class_type;
  std::unordered_map<std::string, std::string> hardware_parameters;
  std::vector<ComponentInfo> joints;
  std::vector<ComponentInfo> sensors;
  std::vector<ComponentInfo> gpios;
  std::vector<TransmissionInfo> transmissions;
  std::string original_xml;
};

下方是一个urdf文件的示例，可以看到共有3组ros2_control标签，则就对应有3个HardwareInfo变量，每个变量里都将一组ros2_control标签内的数据填写进来，这个工作是在后面要介绍的resource manager中进行的，在获取了这些数据后会通过initial函数将该变量传递给hardwareinterface基类的info_变量，因此自定义的hardwareinterface的派生类里就能使用基类的这个info_变量。如获取urdf中定义的joint、sensor、interface等等信息

<ros2_control name="RRBotSystemPositionOnly" type="system">
 <hardware>
   <plugin>ros2_control_demo_hardware/RRBotSystemPositionOnlyHardware</plugin>
   <param name="example_param_write_for_sec">2</param>
   <param name="example_param_read_for_sec">2</param>
 </hardware>
 <joint name="joint1">
   <command_interface name="position">
     <param name="min">-1</param>
     <param name="max">1</param>
   </command_interface>
   <state_interface name="position"/>
 </joint>
 <joint name="joint2">
   <command_interface name="position">
     <param name="min">-1</param>
     <param name="max">1</param>
   </command_interface>
   <state_interface name="position"/>
 </joint>
</ros2_control>
<ros2_control name="RRBotForceTorqueSensor1D" type="sensor">
 <hardware>
   <plugin>ros2_control_demo_hardware/ForceTorqueSensor1DHardware</plugin>
   <param name="example_param_read_for_sec">0.43</param>
 </hardware>
 <sensor name="tcp_fts_sensor">
   <state_interface name="force"/>
   <param name="frame_id">rrbot_tcp</param>
   <param name="min_force">-100</param>
   <param name="max_force">100</param>
 </sensor>
</ros2_control>
<ros2_control name="RRBotGripper" type="actuator">
 <hardware>
   <plugin>ros2_control_demo_hardware/PositionActuatorHardware</plugin>
   <param name="example_param_write_for_sec">1.23</param>
   <param name="example_param_read_for_sec">3</param>
 </hardware>
 <joint name="gripper_joint ">
   <command_interface name="position">
     <param name="min">0</param>
     <param name="max">50</param>
   </command_interface>
   <state_interface name="position"/>
   <state_interface name="velocity"/>
 </joint>
</ros2_control>