遥控与手柄

概述

遥控器和游戏手柄是机器人最直观的控制方式，尤其在调试、遥操作和紧急接管场景中不可或缺。本节介绍常用的遥控方案及其与ROS2的集成方法。

游戏手柄

PS4 DualShock 4 / PS5 DualSense

参数	DualShock 4	DualSense (PS5)
连接方式	Bluetooth / USB	Bluetooth / USB
摇杆	2个模拟摇杆	2个模拟摇杆
扳机	L2/R2 模拟扳机	L2/R2 自适应扳机
按键	14个按键 + 触摸板	14个按键 + 触摸板
陀螺仪	有	有
振动	有	触觉反馈
续航	4-8h	12h
价格	~¥200-350	~¥400-500

Linux配对：

# 安装ds4drv（PS4）
pip install ds4drv
sudo ds4drv

# 或使用蓝牙直连
bluetoothctl
> scan on
> pair XX:XX:XX:XX:XX:XX
> connect XX:XX:XX:XX:XX:XX
> trust XX:XX:XX:XX:XX:XX

# 验证
ls /dev/input/js*
# 或
cat /dev/input/js0 | xxd

测试工具：

# 安装 joystick 工具
sudo apt install joystick

# 测试手柄
jstest /dev/input/js0

# 图形化测试
sudo apt install jstest-gtk
jstest-gtk

Xbox控制器

参数	Xbox Series	Xbox One
连接方式	Bluetooth/USB/无线适配器	USB/无线适配器
兼容性	Linux原生支持(xpad)	Linux原生支持
价格	~¥350-450	~¥250-350

Xbox控制器在Linux上兼容性最好，推荐使用：

# Xbox控制器通常自动识别
# xpad驱动内置在Linux内核中

# 如果需要高级功能
sudo apt install xboxdrv
sudo xboxdrv --detach-kernel-driver

手柄按键映射

标准映射（Xbox布局）：

按键/轴	索引	推荐功能
左摇杆X	axes[0]	左右平移/转向
左摇杆Y	axes[1]	前进/后退
右摇杆X	axes[2]	视角/旋转
右摇杆Y	axes[3]	升降/俯仰
LT (L2)	axes[4]	减速
RT (R2)	axes[5]	加速
A按键	buttons[0]	确认/启动
B按键	buttons[1]	取消/停止
X按键	buttons[2]	功能1
Y按键	buttons[3]	功能2
LB (L1)	buttons[4]	模式切换
RB (R1)	buttons[5]	模式切换
Back	buttons[6]	紧急停止
Start	buttons[7]	启用遥控

RC遥控器

航模遥控器

航模/RC遥控器适合需要远距离、高可靠性控制的场景（无人机、室外机器人）。

品牌/型号	通道数	频率	协议	价格
FlySky FS-i6X	6(10)通道	2.4GHz	IBUS/PPM	~¥200
FlySky FS-i6S	10通道	2.4GHz	IBUS	~¥300
FrSky X9 Lite	16通道	2.4GHz	SBUS/ACCST	~¥400
FrSky Taranis X9D	16通道	2.4GHz	SBUS	~¥1000
RadioMaster TX16S	16通道	2.4GHz	多协议	~¥800

信号协议

协议	信号类型	特点
PWM	每通道一根线，1-2ms脉冲	最简单，线多
PPM	单线串行，1-2ms脉冲串	一根线多通道
SBUS	UART反相，100kbps	16通道，数字化
IBUS	UART，115200bps	FlySky专用，易解析

SBUS协议解析

SBUS是FrSky等高端遥控器的标准协议：

• 波特率：100000 bps
• 数据位：8bit，偶校验，2停止位
• 信号反相：需要硬件反相器或软件处理
• 帧长：25字节，包含16个11位通道值

# SBUS解析（MicroPython/Python）
import serial

# SBUS信号是反相的，某些USB转TTL芯片可以处理
# 或使用硬件反相器（一个NPN三极管即可）
ser = serial.Serial('/dev/ttyAMA0', 100000, 
                     parity=serial.PARITY_EVEN,
                     stopbits=serial.STOPBITS_TWO)

def parse_sbus(frame):
    """解析25字节SBUS帧，返回16个通道值(172-1811)"""
    if len(frame) != 25 or frame[0] != 0x0F:
        return None

    channels = []
    bits = 0
    byte_idx = 1
    bit_idx = 0

    for ch in range(16):
        value = 0
        for bit in range(11):
            if frame[byte_idx] & (1 << bit_idx):
                value |= (1 << bit)
            bit_idx += 1
            if bit_idx >= 8:
                bit_idx = 0
                byte_idx += 1
        channels.append(value)

    return channels

IBUS协议解析

IBUS比SBUS简单得多：

import serial

ser = serial.Serial('/dev/ttyUSB0', 115200)

def parse_ibus(frame):
    """解析IBUS帧，返回通道值(1000-2000)"""
    if len(frame) != 32 or frame[0] != 0x20 or frame[1] != 0x40:
        return None

    channels = []
    for i in range(14):
        low = frame[2 + i * 2]
        high = frame[3 + i * 2]
        channels.append(low | (high << 8))

    return channels

自定义遥控器（ESP32）

ESP32 + 摇杆 + 无线

使用ESP32制作自定义遥控器：

// ESP32 遥控器发送端
#include <esp_now.h>
#include <WiFi.h>

#define JOY_X  34  // 模拟引脚
#define JOY_Y  35
#define BTN_A  32
#define BTN_B  33

// 机器人的MAC地址
uint8_t robotAddress[] = {0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF};

typedef struct {
    int16_t joy_x;
    int16_t joy_y;
    uint8_t btn_a;
    uint8_t btn_b;
} ControlData;

ControlData data;

void setup() {
    WiFi.mode(WIFI_STA);
    esp_now_init();

    esp_now_peer_info_t peerInfo;
    memcpy(peerInfo.peer_addr, robotAddress, 6);
    peerInfo.channel = 0;
    peerInfo.encrypt = false;
    esp_now_add_peer(&peerInfo);
}

void loop() {
    data.joy_x = analogRead(JOY_X) - 2048;  // 中心化
    data.joy_y = analogRead(JOY_Y) - 2048;
    data.btn_a = !digitalRead(BTN_A);
    data.btn_b = !digitalRead(BTN_B);

    esp_now_send(robotAddress, (uint8_t*)&data, sizeof(data));
    delay(20);  // 50Hz
}

ROS2 joy包

安装与使用

# 安装
sudo apt install ros-humble-joy ros-humble-teleop-twist-joy

# 启动joy节点（读取手柄）
ros2 run joy joy_node

# 查看手柄数据
ros2 topic echo /joy

# 启动teleop（将手柄映射到cmd_vel）
ros2 launch teleop_twist_joy teleop-launch.py

Joy消息格式

# sensor_msgs/msg/Joy
Header header
float32[] axes      # 摇杆/扳机值 [-1.0, 1.0]
int32[] buttons     # 按键状态 [0 或 1]

自定义手柄到速度的映射

#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from sensor_msgs.msg import Joy
from geometry_msgs.msg import Twist

class JoyTeleop(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('joy_teleop')

        # 参数
        self.declare_parameter('max_linear', 1.0)
        self.declare_parameter('max_angular', 2.0)
        self.declare_parameter('enable_button', 7)  # Start按键

        self.max_linear = self.get_parameter('max_linear').value
        self.max_angular = self.get_parameter('max_angular').value
        self.enable_btn = self.get_parameter('enable_button').value

        self.joy_sub = self.create_subscription(Joy, '/joy', self.joy_cb, 10)
        self.cmd_pub = self.create_publisher(Twist, '/cmd_vel', 10)

        self.enabled = False

    def joy_cb(self, msg):
        # 安全开关：必须按住Start按键才能移动
        if msg.buttons[self.enable_btn]:
            self.enabled = True
        else:
            self.enabled = False

        twist = Twist()

        if self.enabled:
            # 左摇杆Y -> 前进/后退
            twist.linear.x = msg.axes[1] * self.max_linear
            # 右摇杆X -> 旋转
            twist.angular.z = msg.axes[2] * self.max_angular

        self.cmd_pub.publish(twist)

def main():
    rclpy.init()
    node = JoyTeleop()
    rclpy.spin(node)

if __name__ == '__main__':
    main()

Launch文件

# teleop_launch.py
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='joy',
            executable='joy_node',
            parameters=[{
                'dev': '/dev/input/js0',
                'deadzone': 0.05,
                'autorepeat_rate': 20.0,
            }]
        ),
        Node(
            package='my_robot_teleop',
            executable='joy_teleop',
            parameters=[{
                'max_linear': 0.5,
                'max_angular': 1.5,
                'enable_button': 7,
            }]
        ),
    ])

安全设计

死人开关（Deadman's Switch）

遥控机器人必须实现死人开关——松开按键时机器人立即停止：

# 在joy_cb中实现
if not msg.buttons[self.enable_btn]:
    # 未按住使能键 -> 立即停止
    twist = Twist()  # 全零
    self.cmd_pub.publish(twist)
    return

通信超时

如果手柄信号丢失，机器人应自动停止：

def __init__(self):
    # ...
    self.last_joy_time = self.get_clock().now()
    self.timeout = 0.5  # 500ms超时

    self.timer = self.create_timer(0.05, self.check_timeout)

def joy_cb(self, msg):
    self.last_joy_time = self.get_clock().now()
    # ... 正常处理

def check_timeout(self):
    dt = (self.get_clock().now() - self.last_joy_time).nanoseconds / 1e9
    if dt > self.timeout:
        # 超时 -> 停止
        self.cmd_pub.publish(Twist())

速度限制

# 使用扳机作为速度缩放
speed_scale = (msg.axes[5] + 1.0) / 2.0  # RT: -1~1 -> 0~1
twist.linear.x = msg.axes[1] * self.max_linear * speed_scale

方案选型

场景	推荐方案	理由
ROS2机器人调试	Xbox手柄 + joy包	兼容性最好
室内服务机器人	PS4/PS5手柄 (蓝牙)	无线、手感好
室外/无人机	FrSky遥控器 (SBUS)	远距离、可靠
DIY/教育	ESP32自定义遥控	灵活、学习
竞赛机器人	RadioMaster TX16S	多协议、专业

参考资源

• ROS2 joy package: GitHub
• ds4drv: GitHub
• FlySky IBUS Protocol Specification
• FrSky SBUS Protocol Documentation
• ESP-NOW Documentation (Espressif)

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