Navigation eines FTF mit ROS2

Autor: Yannick Schmidt
Art: Projektarbeit
Dauer: April - September 2022
Betreuer: Prof. Schneider

Thema

Das Thema der Projektarbeit ist es das Fahrerlose Transportfahrzeug mit ROS2 zu navigieren

Aufgabenstellung

1. Einarbeitung in ROS 2 und die FTF Hardware
2. Optimierung der Navigation in der WeBots Simulation
3. Inbetriebnahme der FTF Sensoren
4. Sicherer Betriebszustand und Notaus
5. Ansteuerung der FTF Aktoren
6. Schnittstelle ROS2 zum FTF herstellen
7. Navigation des FTF in einer realen Umgebung
8. Ausblick auf Optimierungspotential
9. Dokumentation der Erkenntnisse in einem Wiki Artikel

Anforderungen an die Projektarbeit

• Wissenschaftliche Vorgehensweise (Projektplan, etc.), nützlicher Artikel: Gantt Diagramm erstellen
• Zweiwöchentlicher Fortschrittsberichte (informativ)
• Projektvorstellung im Wiki
• Regeln zum Umgang mit SVN
• Studentische Arbeiten bei Prof. Schneider
• Anforderungen an eine wissenschaftlich Arbeit

Projektplan

Notwendige ROS2 Bibliotheken

Kartografierung

• cartographer_node
• occupancy_grid_node
• RP_Lidar
• map_server

Lokalisierung

• nav2_amcl

Pfad Planung

• nav2_planner
• nav2_controller
• nav2_bt_navigator
• nav2_recoveries

Aktorsteuerung

• ros2_canopen

Objektumgehung

• nav2_coastmap

Inberiebnahme der Simulation

Die Simulationsdateien sind im Projektordner unter "trunk\Projekte\FTF_Hanning\FTS\" gespeichert.
Die Simulationsumgebung wurde anfangs auf der ROS-Version „Foxy“ entwickelt und musste nach einigen updatebedingten Problemen auf „Galactic“ umgeschrieben werden. Zudem wurde eine aktualisierte Variante in einem „Docker-Container“, einer virtuellen Umgebung eingepflegt, um zukünftige Updateprobleme zu verhindern, welche jedoch aufgrund von Speichermangel am Testrechner nicht weiterverfolgt wurde. Zur Inbetriebnahme der Simulation müssen zunächst die abhängigen Pakete, wie unter anderem „navigation2“, „turtlebot3“ sowie „WeBots-ros2“ installiert werden. Das erfolgt einfach mit folgendem Kommandozeilenbefehl, bei dem einfach alle Pakete aneinander geschrieben werden:

sudo apt install ros-${ROS_DISTRO}-navigation2 ros-${ROS_DISTRO}-nav2-bringup '~ros-${ROS_DISTRO}-turtlebot3-.*' ros-${ROS_DISTRO}-laser-geometry ros-${ROS_DISTRO}-webots-ros2

Danach erfolgt eine Installation der „WeBots“ Simulationsumgebung von: Webots

wget -qO- https://cyberbotics.com/Cyberbotics.asc | sudo apt-key add -
sudo apt-add-repository 'deb https://cyberbotics.com/debian/ binary-amd64/'
sudo apt-get update
sudo apt-get install webots

Nach Installation aller notwenigen Pakete kann mit dem Befehl

colcon build --packages-select hewagv_simulation openslam_gmapping slam_gmapping

die Simulationsumgebung gebaut werden und mit dem Befehl

source install/local-setup.bash

die gebauten Pakete verlinked werden.

Der Simulationsstart erfolgt dann über den Befehl:

ros2 launch hewagv_simulation full_system_launch.py

Hier wird erst das Paket „hewagv_simulation“ angewählt und die enthaltene Startdatei „full_system_launch.py“ gestartet.

Inbetriebnahme der FTF Sensoren

Lidar

Das RPLidar ist mit dem rplidar_ros2 Paket ansteuerbar.

 rplidar_node = Node(
        name='rplidar_composition',
        package='rplidar_ros',
        executable='rplidar_composition',
        output='screen',
        parameters=[{
            'serial_port': '/dev/RPLidar',
            'serial_baudrate': 115200,  # A2
            'frame_id': 'base_scan',
            'inverted': False,
            'angle_compensate': True,
        }],
    )

9-Achsen Gyroskop

Die Bosch IMU BNO055 ist mit dem bno055 Paket ansteuerbar.

imu_node = Node(
        name='bno055',
        package='bno055',
        executable='bno055',
        parameters=[{
            'uart_port': '/dev/FTDI_1',
            'uart_baudrate': 115200,
            'frame_id': 'imu_link',
        }],
    )

Ansteuerung der FTF Aktoren

CANopenLinux

Zur Ansteuerung der Motoren wird eine CANopen Node mit der ID=3 eröffnet.
Um den PCAN Treiber zu laden muss folgender Befehl ausgeführt werden:
sudo modprobe pcan
Dazu muss zunächst die CAN Schnittstelle zugewiesen werden:
sudo ip link set up can0 type can bitrate 250000

Anschließend wird die Node erstellt:
canopend can0 -i 3 -c "local-/tmp/CO_command_socket"

Der CANBus kann mit candump can0 ausgelesen werden.

Mit cocomm "<node> <r/w> <index> <subindex> <datatype> <value>" können Befehle gesendet/ausgelesen werden.

Peak CANController Setup für ros2_canopen:
sudo modprobe peak_usb
sudo ip link set can0 up type can bitrate 250000
sudo ip link set can0 txqueuelen 250
sudo ip link set up can0

Nützliche Befehle

Motorsetup

0x6040 ControlWord
Das ControlWord dient zur Bewegungssteuerung

• Data Type: UNSIGNED16
• Access Type: write only

ControlWord Bits

15	11	10	9	8	7	6	4	3	2	1	0
Manufacturer Specific		Reserved		Halt	Fault Reset	Operation Mode Specific		Enable Operation	Quick Stop	Enable Voltage	Switch on

0x6060 Modes_of_operation
Schalter zur Auswahl des Operationsmodus.

• Data Type: INTEGER8
• Access Type: write only

Mode of Operation	Action
-2	SYNC Q Mode
-1	Normal Q Mode
1	Profile Position Mode
3	Profile Velocity Mode
4	Torque Profile Mode
6	Homing Mode

Der Operationsmodus steht in 0x6061.

0x6083/0x6084 profile_acceleration/deceleration
Profil Beschleunigungs/Verzögerungsgeschwindigkeit in 100 rps/s.

• Data Type: UNSIGNED32
• Access Type: read/write

0x6081 P2P_profile_velocity
Maximale Geschwindigkeit.

• Data Type: UNSIGNED32
• Access Type: read/write

Bewegungssteuerung

0x607A target_position
Zielposition für den Profile Position Mode.

• Data Type: INTEGER32
• Access Type: read/write

ControlWord Bit 6 setzen:

• 0 für absolute Position
• 1 für relative Position

0x60FF profile_velocity
Zielgeschwindigkeit in Umdrehungen/Sekunde.
Wert muss mit 240 multipliziert werden.

• Data Type: INTEGER32
• Access Type: read/write

Motorwerte

0x6064 Position_value_calculated
Zeigt die errechnete Encoderposition.

• Data Type: INTEGER32
• Access Type: read only

0x6064 position_actual_value
Zeigt die echte Encoderposition.

• Data Type: INTEGER32
• Access Type: read only

0x606C Velocity_value_calaculated
Zeigt die errechnete Geschwindigkeit in Umdrehungen/Sekunde.
Wert muss mit 240 dividiert werden.

• Data Type: INTEGER32
• Access Type: read only

0x7009 velocity_actual_value
Zeigt die echte Geschwindigkeit in Umdrehungen/Sekunde.
Wert muss mit 240 dividiert werden.

• Data Type: UNSIGNED16
• Access Type: read only

Inbetriebnahme

Abhängigkeiten überprüfen
sudo rosdep init
rosdep update
rosdep install --from-paths src -y --ignore-src

Pakete bauen

• Hinweis: erst canopen_interfaces mit colcon build --merge-install --packages-select canopen_interfaces bauen
  

Dann mit colcon build --merge-install alles bauen.

Pakete sourcen
source install/local_setup.bash

1. Interface auf dem Raspberry Pi starten

Als erstes wird das ros2_canopen Interface gestartet:
ros2 launch ftf_motor_controller bring_up.launch.py
Dann die Differentialantrieb Controller und die Sensoren:
ros2 launch hewagv_bringup hewagv_drives_only_launch.py

2. Navigation starten

Auf dem Hauptrechner wird dann die Navigation gestartet.
Für die Kartografierung mit SLAM-Algorithmus:
ros2 launch hewagv_bringup hewagv_loc_launch.py
Für die Navigation auf einer bestehenden Karte:
ros2 launch hewagv_bringup hewagv_nav_launch.py

Ergebnis

Karte des Regelungstechnikraums

Zusammenfassung

Lessons Learned

Theoretische Erkenntnisse:

• CANopen-Protokoll
• ROS2-Umgebung
• ROS2-Navigation
• ROS2-Controller

Praktische Erkenntnisse:

• Schrittweise Inbetriebnahme von Systemkomponenten
• Fehlersuche
• Hardwareumbauten

Projektunterlagen

Link zu den SVN-Ordnern des Projekt:
https://svn.hshl.de/svn/Robotik_und_Autonome-Systeme/trunk/Mitgliederordner/2022_Yannick_Schmidt/
https://svn.hshl.de/svn/Robotik_und_Autonome-Systeme/branches/2022_10_Schmidt_FTF_ws/

YouTube Video

Das Video von diesem Projekt finden Sie auf Youtube unter dem Link:

Literatur

---

→ zurück zum Hauptartikel: Studentische Arbeiten