Kommunikation Raspberry Pi mit ROS2

Autoren: Jonas Gerken
Betreuer: Prof. Schneider
Art: Praxissemester
Projektlaufzeit: 02.11.2021-20.02.2022

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt die Kommunikation von einem Raspberry Pi mit dem Robot Operating System2 (ROS2). Dazu wird erklärt, wie ein Raspberry Pi mit einem PC über SSH(Secure Shell) verbunden werden kann und wie der AlphaBot über den Raspberry Pi und ROS2 gesteuert wurde. Außerdem wird beschrieben was es für grafische Anzeige Möglichkeiten unter ROS2 gibt.

Übersicht

Dokumentation

Am Anfang des Projekts wurden die Funktionalen und nicht Funktionalen Anforderungen aufgestellt.

Funktionale Anforderungen

F1	Der Roboter muss Hindernisse mit Infrarotsensoren erkennen können.
F2	Der Roboter muss Hindernisse mit einem Ultraschallsensor erkennen können.
F5	Der Ultraschallsensor muss mit einem Servo-Motor nach rechts und links gedreht werden können.
F3	Der Roboter muss Hindernisse umfahren können.
F4	Die Motoren müssen einzeln angesteuert werden können.

Nicht Funktionale Anforderungen

NF1	Es muss ein Alphabot verwendet werden.
NF2	Der Roboter soll mit ROS2 programmiert werden.
NF3	Der Roboter soll mit einem Raspberry Pi gesteuert werden.
NF4	Der Roboter soll mit Python programmiert werden.
NF5	Es muss die Python Bibliothek RPi.GPIO installiert sein.
NF6	Es muss Ubuntu Server 20.04 Server auf dem RPi verwendent werden.
NF7	Es kann Secure Shell(SSH) zur Nutzung des Raspberry Pi's verwendet werden.
NF8	Für eine SSH-Verbindung kann PuTTY verwendet werden.

Hardware

Software

Raspberry Pi mit Ubuntu Server verbinden über SSH(Secure Shell)

Hier wird zunächst erklärt was SSH ist, wie es aktiviert wird und wie es verwendet werden kann.

Für dieses Projekt wurde Secure Shell(SSH) verwendet, um den RPi Bildschirm unter Ubuntu Desktop anzeigen zulassen. So wird keine HDMI-Verbindung zwischen dem RPi und einem Bildschirm mehr benötigt. So kann der Roboter später auch über eine WIFI-Verbindung frei herum fahren.

Die SSH Verbindung kann über verschiedene Wege erfolgen. Zum einen über das Programm PuTTY oder über das Ubuntu Desktop Terminal.

SSH auf dem Raspberry Pi Aktivieren

Damit SSH genutzt werden kann muss es auf dem Raspberry Pi zuerst aktiviert werden. Dazu sind folgende Schritte wie in Abb. 1 gezeigt zu befolgen:

SD-Karte mit einem SD-Karten-Adapter in ein Kartenleseslot an einem PC stecken
im boot-Verzeichnis ("system-boot") eine leere Textdatei mit dem Namen "ssh.txt" erstellen
in diesem Ordner die rechte Maustaste drücken, dann auf Neu und dort auf Textdokument
im Windows-Explorer unter dem Reiter Ansicht Haken bei Dateinamenserweiterung setzen
die nun angezeigte .txt Dateiendung entfernen (Abb.2)
die darauf folgende Warnung mit JA bestätigen
beim Booten des Raspberry Pi's wird nun SSH aktiviert

Netzwerk Konfiguration

Damit der Raspberry Pi über SSH verbunden werden kann, wird die IPv4-Adresse des Raspberry Pi's benötigt. Dafür wird der RPi mit einem HDMI-Kabel an einem Bildschirm angeschlossen. Nach dem der Raspberry Pi gebootet ist, erscheint ein login Bildschirm, wo nach dem Benutzernamen (ubuntu) und nach dem Passwort (Hshl2021) gefragt wird (Abb. 2).

Nach der Anmeldung auf dem Raspberry Pi, kann die IPv4-Adresse auf dem Start Bildschirm abgelesen werden, wie in Abb. 3 gezeigt.

Für die Verbindung über Ethernet muss nur der RPi und der PC mit einem Lan-Kabel verbunden werden. Damit beides im gleichen Netzwerk ist wird ein Netzwerk-Switch zwischengeschaltet. Jetzt kann die SSH-Verbindung mit dem Befehl "ssh username@IP-Adresse" hergestellt werden. Danach wird nach dem RPi Passwort gefragt. Nach der Eingabe des Passworts wird die SSH Verbindung hergestellt.

Um ein Wifi-Netzwerk zu nutzen muss die RPI Netzwerk config geändert werden. Wie das gemacht werden kann kann in dem Artikel

Dabei ist darauf zu achten, das die IP-Addressen für Wifi und Ethernet unterschiedlich sind.

PuTTY für die SSH Verbindung

PuTTY ist eine freie Software zur Herstellung von Secure Shell Verbindungen. Auf einem Pc mit Ubuntu wird Putty über die Kommandozeile installiert [1].

sudo apt-get install putty

Nach der Installaltion kann es über den Befehl "putty" in einem Terminal ausgeführt werden und ein neues Fenster öffnet sich(Abb.5). Unter Session wird bei Host-Name bzw. IP-Addresse die IP-Addresse des Raspberry Pi's angegeben. Und im Bereich Connection type wird der Type "SSH" ausgewählt und überprüft, ob bei "Port" die Zahl 22 steht.

Um den SSH Server zu starten wird unten im Fenster auf Open geklickt. Dann öffnet sich ein neues Fenster, wo sich mit den zuvor gezeigten Anmeldedaten auf dem RPi angemeldet werden kann.

Nun ist die SSH-Verbindung über PuTTY hergestellt.

Um eine SSH-Verbindung über das Ubuntu Terminal herzustellen ist der folgende Befehl nötig [2]:

ssh username@IP-Adresse

Für den verwendeten RPi war der username "ubuntu" und die IP-Adresse für Ethernet war "172.31.14.89" und für Wifi war es "192.168.10.102".

Microcontroller coding mit der Integration von Ros 2

In diesem Abschnitt wird die Programmierung des Raspberry Pi's mit ROS2 beschrieben. Dazu gehört die Motorsteuerung, genau sowie die Infrarot Sensoren und/oder dem Ultraschallsensor um Hindernisse umfahren zu können.

Da es die Bibliothek wiringPi, welche für die Ansteuerung der GPIO Pins über CPP nicht mehr unterstützt wird, haben wir uns für die Python Bibliothek "RPi.GPIO" entschieden. Für mehr Informationen siehe hier: Raspberry Pi

Um mit der Programmierung zu beginnen wurde ein Ros2 Workspace (ros_ws) mit einem source Ordner (src) erstellt.

mkdir ros_ws
cd ros_ws
mkdir src

In diesem Ordner wurde dann das ros2 Package mit den benötigten Bibliotheksabhängigkeiten erstellt.
ros2 pkg create --build-type ament_python packagename(z.B. sensor_test) --dependencies rclpy std_msgs

Motorsteuerung

Es wurde mit der Programmierung der Motoren begonnen. Dazu wurde eine ROS2 Node namens slave.py erstellt, welche alle Funktionen zur Ansteuerung der RPi.GPIO Pins beinhaltet.

Um das Programm zu starten, muss das Package zuerst mit colcon build kommpeliert und mit . install/setup.bash installiert werden. Für dieses Motortestprogramm wurde die Node motor_subcriber genannt. Diese kann in einem Terminal unter Ubuntu auf dem RPi mit dem Befehl "ros2 run sensor_test slave.py" gestartet werden.

Falls die

ls -l /dev/ gpiomem

crw-rw---- 1 root dialout 239, 0 Apr  1 17:23 /dev/gpiomem
# groups 
ubuntu adm dialout cdrom floppy sudo audio dip video plugdev netdev lxd

sudo chown root.gpio /dev/gpiomem

sudo chmod g+rw /dev/gpiomem

Nachdem die motor_subscriber-Node gestartet wurde, wartet sie auf eingehende Nachrichten. Die Motoren wurden zuerst manuell mit dem Befehl ros2 topic pub gesteuert.

ros2 topic pub /cmd_vel std_msgs/msg/String '{data: forward}'

So sendet eine Person eine Nachricht an die motor_subscriber Node. Hier werden die eingehenden Nachrichten ausgewertet und über eine If else Funktion entscheidet das Programm danach welche GPIO.Pins angesteuert werden müssen.

In diesem Fall wird der motor_subscriber-Node die Nachricht forward gesendet und und der AlphaBot fährt vorwärts.

So fährt der Roboter vorwärts und die Nachricht wird in einer Dauerschleife immer wieder an die Node gesendet bis diese Schleife mit der Tastenkombination STRG C beendet wird. Dann kann über den oben genannten Befehl eine neue Nachricht (z.B. right an stelle von forward) an die Node gesendet werden.

In Abb. 8 ist zusehen wie die selbst versendete Nachricht versendet wird und die slave die Nachricht empfängt.

Infrarot Hindernisumfahrung

Nachdem die Motoren mit ROS2 implementiert und getestet wurden, wurde die Hindernisumfahrung mit Infrarotsensoren implementiert. Hierfür wurden zwei neue Dateien mit den Namen "master_IR.py" und "slave_IR.py" in dem source Ordner des ROS2 Packages erstellt.

Über die master_IR.py wurde die Master-Node implementiert. Diese bekommt Sensordaten von der Slave-Node und entscheidet anhand der Sensordaten was die Slave machen soll. Die slave_IR.py ist wie bei der Motorsteuerung oben, nur das sie nicht nur die Motoren anhand von Nachrichten ansteuert, sondern auch die Sensordaten ausließt und an die Master-Node sendet.

Zudem wurde eine launch file erstellt, um den master und die slave mit einem Befehl starten zu können. Der code für die Launch-file ist in der svn-Repository zu finden.

ros2 launch sensor_test alphabot_IR_launch.py

In Abb 10 ist dazu ein Beispiel, wie der master und die slave miteinander kommunizieren.

So fährt der Roboter vorwärts wenn für beide Sensoren eine "1" ausgelesen wird. Wenn z.B. der rechte Sensor eine "0" und der linke eine "1" angibt, dann ist rechts ein Hindernis und der master sendet der Slave die Nachricht "left", sodass der AlphaBot nach links fährt. In der Abb. 10 ist dieser Ablauf noch einmal Graphisch dargestellt.

In ROS2 können die Programmierten Nodes und Topics in einem RQT-Graph grafisch Dargestellt werden wie schon in den ROS2 Tutorials gezeigt. Für die Infrarot Hindernisumfahrung könnte der Graph dann wie in Abb. 11 gezeigt aussehen.

Dort ist zusehen das der master zu den beiden Topics "IR_right und IR_left" subscript und über die Topic "cmd_vel" published. Auf der anderen Seite, die Slave, published über die Topics "IR_right und IR_left" und subscript zur Topic "cmd_vel".