車輛控制總覽#
車輛控制系統架構及與 Autoware 整合的總覽。
系統架構#
車輛控制系統橋接 Autoware 的高階規劃與低階致動器控制。
資料流：
Autoware Control → Control Commands → Actuator Node → PCA9685 (I2C) → Motor/Steering
↓
Hall Effect Sensor → Velocity Report Node → Velocity Status
↓
IMU Sensor → Yaw Rate Feedback (for steering)
軟體元件#
Autoware 控制堆疊 (src/universe/autoware.universe/control/)：
trajectory_follower_node # Computes control commands from trajectory
↓
vehicle_cmd_gate # Safety gate
↓
/control/command/control_cmd # Control command topic
車輛介面 (src/vehicle/autosdv_vehicle_launch/autosdv_vehicle_interface/)：
Actuator Node (actuator.py)
├─ Subscribes: /control/command/control_cmd
├─ Subscribes: /vehicle/status/velocity_status (for speed feedback)
├─ Subscribes: /sensing/imu/imu_data (for yaw rate feedback)
├─ Multi-mode longitudinal controller (4 modes)
├─ Dual-mode lateral controller (2 modes based on speed)
└─ Outputs PWM signals to PCA9685 (I2C)
Velocity Report Node (velocity_report.py)
├─ Reads: Hall effect sensor (KY-003) on GPIO pin
├─ Calculates velocity from wheel rotation
└─ Publishes: /vehicle/status/velocity_status
元件角色#
Actuator Node#
將 Autoware 控制指令轉換為電機與轉向的 PWM 訊號。
職責： - 訂閱來自 Autoware 的控制指令 - 實作多模式縱向控制器（速度控制） - 實作雙模式橫向控制器（轉向控制） - 透過 I2C 發送 PWM 訊號至 PCA9685 - 監控速度與 IMU 回饋 - 透過看門狗計時器確保安全運作
Velocity Report Node#
使用霍爾效應感測器測量車輛速度。
職責： - 從 GPIO 讀取霍爾效應感測器脈衝 - 根據輪胎旋轉計算速度 - 發布速度報告以進行回饋控制 - 提供速度資料給 Autoware 堆疊
PCA9685 PWM Driver#
ESC 和伺服馬達的硬體介面。
職責： - 從 actuator.py 接收 I2C 指令 - 產生 60 Hz 的 PWM 訊號 - 驅動電機 ESC（通道 0）與轉向伺服馬達（通道 1）
主題架構#
關鍵主題#
| 主題 | 類型 | 說明 | 頻率 |
|---|---|---|---|
/control/command/control_cmd |
AckermannControlCommand |
油門、煞車、轉向指令 | 10 Hz |
/vehicle/status/velocity_status |
VelocityReport |
來自感測器的當前速度 | 20 Hz |
/vehicle/status/control_mode |
ControlModeReport |
手動/自動模式 | 1 Hz |
/vehicle/command/actuation_cmd |
Custom | 發送至 PCA9685 的 PWM 值 | 10 Hz |
/sensing/imu/imu_data |
Imu |
用於偏航率回饋的 IMU 資料 | 100 Hz |
訂閱主題 (Actuator Node)#
~/input/control_cmd- 來自 Autoware 的控制指令~/input/velocity_status- 當前車輛速度（用於速度控制回饋）~/input/imu- 用於偏航率回饋的 IMU 資料（轉向控制）
發布主題 (Actuator Node)#
~/debug/control_values- 除錯控制值~/debug/pwm_values- 除錯 PWM 輸出~/debug/pid_values- 除錯 PID 狀態
Autoware 整合#
控制指令流程#
- 規劃：Autoware 的規劃堆疊產生目標軌跡
- 控制：
trajectory_follower_node將軌跡轉換為控制指令 - 安全閘門：
vehicle_cmd_gate執行安全檢查與模式切換 - 車輛介面：Actuator 節點將指令轉換為 PWM
- 硬體：PCA9685 驅動電機 ESC 與轉向伺服馬達
- 回饋：速度與 IMU 資料回流至控制器
控制模式#
MANUAL (0)：RC 遙控器或鍵盤控制 - 來自外部來源的控制指令 - 透過控制器 GUI 直接控制 PWM
AUTO (1)：Autoware 自動駕駛控制 - 來自軌跡追蹤器的控制指令 - 由 vehicle_cmd_gate 強制執行安全限制
切換：
# Switch to AUTO mode
ros2 service call /vehicle/set_control_mode autoware_auto_vehicle_msgs/srv/ControlModeCommand "{mode: 1}"
# Switch to MANUAL mode
ros2 service call /vehicle/set_control_mode autoware_auto_vehicle_msgs/srv/ControlModeCommand "{mode: 0}"
安全功能#
控制模式閘門#
- 強制執行速度限制（0-3 m/s）
- 強制執行轉向角度限制（±0.5 rad）
- 強制執行加速度限制（±2 m/s²）
- 拒絕超出安全範圍的指令
看門狗計時器#
Actuator Node 包含看門狗計時器：
# actuator.py watchdog implementation
last_command_time = time.time()
TIMEOUT_SECONDS = 1.0
def check_watchdog():
if time.time() - last_command_time > TIMEOUT_SECONDS:
# No command for 1 second → EMERGENCY STOP
pwm.set_pwm(0, 0, 370) # Motor: dead zone
pwm.set_pwm(1, 0, 400) # Steering: center
額外逾時機制：車輛介面監控速度回饋 - 若超過 2 秒無回饋 → 發布 STOP 指令 - 確保即使通訊故障車輛仍能停止
緊急停止#
觸發：
# Publish zero velocity
ros2 topic pub /control/command/control_cmd autoware_auto_control_msgs/AckermannControlCommand "{
longitudinal: {speed: 0.0, acceleration: -5.0}
}" -1
# Or switch to MANUAL mode
ros2 service call /vehicle/set_control_mode ... "{mode: 0}"
行為： - 套用最大煞車（PWM 340） - 轉向保持在當前角度 - 控制模式切換至 MANUAL
硬體摘要#
| 元件 | 介面 | 詳細資訊 |
|---|---|---|
| PCA9685 | I2C (0x40, bus 1) | 16 通道 PWM，60 Hz |
| 電機 ESC | PWM (channel 0) | 範圍：280-460，初始值：370 |
| 轉向伺服馬達 | PWM (channel 1) | 範圍：350-450，初始值：400 |
| 霍爾效應感測器 | GPIO | KY-003，速度測量 |
| IMU | ROS topic | 用於轉向的偏航率回饋 |
詳細硬體規格請參閱硬體。
配置檔案#
- Actuator 參數：
src/vehicle/autosdv_vehicle_launch/autosdv_vehicle_interface/params/actuator.yaml - Velocity report 參數：
src/vehicle/autosdv_vehicle_launch/autosdv_vehicle_interface/params/velocity_report.yaml - 車輛資訊：
src/param/autoware_individual_params/.../vehicle_info.param.yaml