在ROS 2中，为了保持差速轮机器人的方向不变，通常需要使用PID（Proportional Integral Derivative）控制器来控制机器人的角速度。PID控制器可以帮助调整机器人的角速度，以维持其朝向不变。

下面是一个简单的ROS 2节点示例，使用PID控制器来控制差速轮机器人的角速度，使其保持在一个固定的方向上。这个示例假设你已经有了一个订阅geometry_msgs/msg/Twist类型消息的主题，该主题提供了机器人的线速度和角速度。同时，我们也假设你有一个发布geometry_msgs/msg/Twist类型消息的主题，用于向机器人发送速度命令。

ROS 2 PID 控制器示例

#include <rclcpp/rclcpp.hpp>
#include <geometry_msgs/msg/twist.hpp>
#include <std_msgs/msg/float64.hpp>
#include <sensor_msgs/msg/imu.hpp>
#include <cmath>

using namespace std::chrono_literals;

class PIDControllerNode : public rclcpp::Node {
public:
    PIDControllerNode()
        : Node("pid_controller_node"), target_heading_(0.0), kp_(1.0), ki_(0.1), kd_(0.5),
          integral_(0.0), previous_error_(0.0), dt_(0.1) {
        
        // 创建PID控制器参数
        this->declare_parameter("kp", 1.0);
        this->declare_parameter("ki", 0.1);
        this->declare_parameter("kd", 0.5);
        this->get_parameter("kp", kp_);
        this->get_parameter("ki", ki_);
        this->get_parameter("kd", kd_);

        // 创建订阅者
        imu_sub_ = this->create_subscription<sensor_msgs::msg::Imu>(
            "/imu/data", 10, std::bind(&PIDControllerNode::imuCallback, this, _1));

        // 创建发布者
        cmd_vel_pub_ = this->create_publisher<geometry_msgs::msg::Twist>("/cmd_vel", 10);

        // 创建定时器
        timer_ = this->create_wall_timer(
            dt_ * 1000, std::bind(&PIDControllerNode::controlLoop, this));
    }

private:
    void imuCallback(const sensor_msgs::msg::Imu::SharedPtr msg) {
        // 提取IMU数据中的偏航角
        double yaw = getYawFromImu(*msg);
        // 更新目标偏航角
        target_heading_ = yaw;
    }

    double getYawFromImu(const sensor_msgs::msg::Imu & imu_msg) {
        // 假设IMU数据提供了四元数
        double q0 = imu_msg.orientation.w;
        double q1 = imu_msg.orientation.x;
        double q2 = imu_msg.orientation.y;
        double q3 = imu_msg.orientation.z;

        // 从四元数计算偏航角
        double yaw = atan2(2 * (q0 * q3 + q1 * q2), 1 - 2 * (q2 * q2 + q3 * q3));
        return yaw;
    }

    void controlLoop() {
        // 获取当前偏航角
        double current_heading = getYawFromImu(last_imu_);

        // 计算误差
        double error = target_heading_ - current_heading;

        // 计算积分项
        integral_ += error * dt_;

        // 计算微分项
        double derivative = (error - previous_error_) / dt_;

        // PID输出
        double output = kp_ * error + ki_ * integral_ + kd_ * derivative;

        // 更新之前的误差
        previous_error_ = error;

        // 发布速度命令
        geometry_msgs::msg::Twist cmd_vel;
        cmd_vel.linear.x = 0.0; // 假设线速度为0
        cmd_vel.angular.z = output; // 发布角速度

        cmd_vel_pub_->publish(cmd_vel);
    }

    double target_heading_; // 目标偏航角
    double kp_, ki_, kd_; // PID系数
    double integral_; // 积分项
    double previous_error_; // 上一次误差
    double dt_; // 采样时间
    rclcpp::Subscription<sensor_msgs::msg::Imu>::SharedPtr imu_sub_; // IMU订阅者
    rclcpp::Publisher<geometry_msgs::msg::Twist>::SharedPtr cmd_vel_pub_; // 速度命令发布者
    rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_; // 控制循环定时器
    sensor_msgs::msg::Imu last_imu_; // 最近接收到的IMU数据
};

int main(int argc, char * argv[]) {
    rclcpp::init(argc, argv);
    auto node = std::make_shared<PIDControllerNode>();
    rclcpp::spin(node);
    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

代码解释

1. 初始化节点：

   • 创建PID控制器节点。
   • 设置PID控制器的参数（kp, ki, kd）。

2. 订阅IMU数据：

   • 通过IMU数据获取机器人的当前偏航角。
   • 更新目标偏航角。

3. 控制循环：

   • 计算当前偏航角与目标偏航角之间的误差。
   • 计算PID输出。
   • 发布角速度命令。

编译和运行

1. 创建一个新的ROS 2工作空间：

   mkdir -p ~/ros2_ws/src
   cd ~/ros2_ws/src
   git clone https://github.com/your-repo/pid_controller.git
   

2. 编译代码：

   cd ~/ros2_ws
   colcon build --packages-select pid_controller
   source install/setup.bash
   

3. 运行节点：

   ros2 run pid_controller pid_controller_node
   

请确保你已经在ROS 2环境中设置了相应的主题，并且有IMU数据发布到 /imu/data 主题。此外，你还需要确保 /cmd_vel 主题被你的机器人系统正确订阅。