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硬件组件（Hardware Components）

在 ros2_control 框架中，硬件组件（Hardware Components）是对物理硬件的抽象。目前支持三种类型：

  • Actuator（执行器）：如电机、伺服驱动器
  • Sensor（传感器）：如编码器、IMU、力传感器
  • System（系统）：同时包含执行器与传感器的复合设备（如机器人手臂、移动底盘）

📚 有关每种类型的详细说明，请参阅 Hardware Components 官方文档。

指导原则与最佳实践

  • 硬件接口类型设计：明确区分命令接口（CommandInterface）与状态接口（StateInterface）
  • 编写硬件组件：遵循生命周期规范，正确实现状态迁移
  • 不同更新频率：支持与 Controller Manager 主循环不同的读写频率
  • 异步执行：对耗时操作（如网络通信）使用异步线程
  • 语义组件（Semantic Components）：将底层硬件信号映射为高层语义接口（如将电机电流映射为“夹爪力”）
  • 生命周期管理：严格遵循 LifecycleNode 状态机

硬件组件的生命周期（Lifecycle）

硬件组件的状态迁移由 LifecycleNode 控制。每个生命周期回调方法的返回值类型为：

rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn

返回值含义

返回值 含义
CallbackReturn::SUCCESS 方法执行成功，状态迁移正常进行
CallbackReturn::FAILURE 方法执行失败，状态迁移中止，组件停留在当前状态
CallbackReturn::ERROR 发生严重错误，需在 on_error() 中处理

状态迁移与对应方法

方法 成功后的目标状态 说明
on_init()
on_cleanup()		 UNCONFIGURED 硬件仅被初始化，未建立通信，无接口注册到 ResourceManager
on_configure()
on_deactivate()		 INACTIVE 通信已建立，硬件已配置，可读取状态；
执行器/系统：命令接口存在但不可用（不会发送到硬件）
on_activate() ACTIVE 状态可读，命令接口可用：
• 执行器/系统：电源已启用（如释放刹车），命令将实际发送至硬件
on_shutdown() FINALIZED 硬件准备卸载/销毁，释放所有资源（内存、连接等）

⚠️ 当前行为说明：
即使处于 INACTIVE 状态，Controller Manager 仍会向命令接口写入数据（见 相关 issue）。
未来计划引入安全关键接口（safety-critical interfaces），仅在 ACTIVE 状态下允许写入（见 路线图 PR）。

read() 与 write() 中的错误处理

当硬件组件的 read() 或 write() 方法返回：

hardware_interface::return_type::ERROR

Controller Manager 将自动调用：

on_error(previous_state)

以处理运行时错误。

错误恢复机制

  • 若 on_error() 返回 CallbackReturn::SUCCESS：
    硬件组件将回到 UNCONFIGURED 状态，可重新配置激活。

  • 若 on_error() 返回 CallbackReturn::FAILURE 或 ERROR：
    硬件组件将进入 FINALIZED 状态，无法恢复。

❗ 当前限制：
Controller Manager 没有提供重新加载硬件插件的服务。一旦硬件组件进入 FINALIZED 状态，必须重启整个 ros2_control_node 才能恢复。

最佳实践建议

  1. 在 on_configure() 中建立通信（如串口、CAN、EtherCAT）
  2. 在 on_activate() 中启用硬件动力（如使能驱动器、释放抱闸）
  3. 在 on_deactivate() 中安全停机（如关闭使能、启用抱闸）
  4. 在 on_cleanup() / on_shutdown() 中彻底释放资源
  5. 在 read()/write() 中捕获异常并返回 ERROR，而非让进程崩溃
  6. 在 on_error() 中尝试恢复通信或进入安全状态

✅ 通过严谨的生命周期管理，可显著提升机器人系统的可靠性与安全性。