ROS应用之基于PID控制的呆板臂关节控制

基于PID控制的呆板臂关节控制在ROS中的应用

前言

PID控制（比例-积分-微分控制）在工业控制和呆板人控制中具有广泛的应用。本文以呆板臂关节控制为例，深入探讨PID控制在ROS中的实现与优化。相比于视觉相关的应用，本文聚焦于呆板臂的伺服控制，讨论如何通过PID调节关节电机的位置或速度，确保其快速、平稳地到达目标状态。
原理介绍

根本概念

PID控制器根据控制毛病盘算控制量，公式如下：

• e(t)：目标值与现实值的毛病。
  
• Kp：比例增益，控制反应速度。
  
• Ki：积分增益，控制稳态毛病。
  
• Kd：微分增益，抑制快速厘革引起的震荡。
  

团体流程

• 输入目标值（Setpoint）：用户或上层控制器指定的呆板臂目标位置。
  
• 获取反馈值：通过编码器读取呆板臂的当前关节位置。
  
• 盘算毛病：将目标值与当前值作差。
  
• PID调节：根据比例、积分和微分盘算输出控制量。
  
• 执行控制：向伺服电机发送控制信号，驱动呆板臂活动。
  

关键特点

• 实时性：PID控制对实时性要求高，必要在短时间内盘算并应用控制信号。
  
• 鲁棒性：PID参数调节可以适应不同呆板臂关节的惯性和阻尼特性。
  
• 通用性：与活动学和路径规划模块解耦，适用于多种呆板臂。
  

算法流程

• 初始化PID控制参数（Kp, Ki, Kd）。
  
• 周期性读取目标值和当前反馈值。
  
• 盘算毛病：
  
  
  
  
• 盘算控制量：
  
  
  
  • 比例部门：Kp e(t)
    
  • 积分部门：
    
    
    
    
  • 微分部门：
    
    
    
    
  
  
• 更新伺服电机的控制信号。
  
• 循环执行，直至毛病收敛或超时。
  

部署情况

介绍

硬件情况

• 呆板臂模子：如UR系列或自制呆板臂。
  
• 控制板：Arduino、Raspberry Pi或工业伺服控制器。
  
• 编码器：用于实时检测关节位置。
  
• 电机驱动器：如伺服驱动器或步进电机驱动器。
  

软件情况

• 操纵系统：Ubuntu 22.04。
  
• ROS版本：ROS 2 Humble。
  
• 编程语言：C++或Python。
  
• 依靠库：ros2_control（用于控制器加载与管理）、rqt_reconfigure（用于动态调节PID参数）。
  

部署流程

• 安装ros2_control
  
  1. sudo apt install ros-humble-ros2-control ros-humble-ros2-controllers

  复制代码
• 配置URDF文件 在呆板臂的URDF文件中添加关节控制器插件，比方：
  
  1. <joint name="joint_1">
  2.  <plugin name="pid_controller" type="ros2_control::JointPositionController">
  3.    <param name="p">100.0</param>
  4.    <param name="i">0.01</param>
  5.    <param name="d">0.1</param>
  6.  </plugin>
  7. </joint>

  复制代码
• 启动控制器管理节点 创建呆板臂控制的配置文件，启动控制器：
  
  1. ros2 run controller_manager spawner joint_trajectory_controller

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• 动态调整PID参数 使用rqt_reconfigure工具调整参数：
  
  1. ros2 run rqt_reconfigure rqt_reconfigure

  复制代码
• 运行呆板臂活动节点 通过话题发送目标值，启动关节活动：
  
  1. ros2 topic pub /joint_trajectory_controller/command trajectory_msgs/JointTrajectory ...

  复制代码

代码示例

以下是实现呆板臂关节PID控制的C++代码示例：

1. #include <ros2_control_interfaces/JointController.hpp>
2. ​
3. class JointPIDController : public JointController
4. {
5. private:
6.    double kp_, ki_, kd_; // PID参数
7.    double integral_, prev_error_;
8. ​
9. public:
10.    JointPIDController(double kp, double ki, double kd)
11.       : kp_(kp), ki_(ki), kd_(kd), integral_(0.0), prev_error_(0.0) {}
12. ​
13.    double computeControl(double setpoint, double feedback, double dt)
14.   {
15.        double error = setpoint - feedback;
16.        integral_ += error * dt;                 // 积分项
17.        double derivative = (error - prev_error_) / dt; // 微分项
18.        prev_error_ = error;
19. ​
20.        return kp_ * error + ki_ * integral_ + kd_ * derivative;
21.   }
22. };
23. ​
24. int main(int argc, char **argv)
25. {
26.    rclcpp::init(argc, argv);
27.    auto node = rclcpp::Node::make_shared("pid_controller_node");
28. ​
29.    double kp = 100.0, ki = 0.01, kd = 0.1; // PID参数
30.    JointPIDController pid(kp, ki, kd);
31. ​
32.    rclcpp::Rate rate(100); // 100Hz
33.    while (rclcpp::ok())
34.   {
35.        double setpoint = 1.0; // 目标值
36.        double feedback = getJointPosition(); // 获取关节位置
37.        double control = pid.computeControl(setpoint, feedback, 0.01); // 计算控制量
38.        sendControlSignal(control); // 发送控制信号
39.        rate.sleep();
40.   }
41. ​
42.    rclcpp::shutdown();
43.    return 0;
44. }

复制代码

代码解读

• 构造函数初始化
  
  
  
  • JointPIDController类构造时初始化PID参数。
    
  • $K_p$, $K_i$, $K_d$值可以通过配置文件或动态参数调整。
    
  
  
• 毛病盘算 通过setpoint - feedback盘算当前毛病，支持实时更新。
  
• 积分与微分项
  

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