Praxissemester Projektteam WS2021

Abb. 1: AlphaBot von Waveshare

Betreuer:

Prof. Dr.-Ing. M. Göbel; Prof. Dr.-Ing. U. Schneider; B.Eng. G. Wurth

Teilnehmer:

Arfat Kamal; Fawad Murad; Sefa Hasan Demiröz; Jonas Gerken; Armel Talovic

Robot Operating System

Das Roboter Operating System 2 gibt Entwicklern die Möglichkeit Roboteranwendungen zu erstellen, indem es Bibliotheken und Werkzeuge anbietet , die bei der Softwareenwticklung benötigt werden. Durch das Roboter Operating System können Entwickler Codes wiederverwenden, die bisher zur Verfügüng gestellt worden sind. Folgendes Tutorial hilft bei der Einarbeitung von dem Roboter Operting System 2 [1]

Ubuntu

Auf den Laborrechnern im Regelungstechniklabor ist neben Windows 10 zusätzlich Ubuntu 20.04 installiert. Die Computer starten automatisch das Windows Betriebssystem. Zum Starten von Ubuntu muss zu Beginn des Boot-Prozesses die F12 Taste gedrückt werden. Dadurch wird das Startmenü geöffnet. In dem Startmenü kann mit den Pfeiltasten eine Startoption ausgewählt werden. Im bereich Legacy Boot stehen zwei Festplatten zur Verfügung. Auf der 240GB SSD ist das Windows Betriebssystem installiert und auf der 1000GB HDD befindet sich eine Partition mit Ubuntu. Nach auswahl der HDD mit Enter bestätigen und das Ubuntu Betriebssystem wird geladen. Das Passwort unter Ubuntu ist bei allen Laborrechnern Hshl2021

Ubuntu Server und Raspberry Pi3

Für die Installation von Ubuntu Server 20.04.3 LTS auf einem Raspberry Pi3 Bitte diese Anleitung verwenden.

Installation von ROS 2 auf dem Raspberry Pi3

Für die Installation von ROS 2 Foxy auf einem Raspberry Pi3 Bitte diese Anleitung verwenden. Bitte darauf achten, dass auf dem Raspberry Pi3 nur begrenzte Resourcen zur Verfügung stehen. Daher wird hier nicht die "Desktop Install", sondern die "ROS-Base Install (Bare Bones)" verwendet.

Webots

Autor:Armel Talovic

Webots ist ein Simulationsprogramm, welches von uns genutzt wird, um unsere programmierten Codes zu veranschaulichen und gegebenenfalls zu verbessern oder zu korrigieren. In Webots hat man eine große Anzahl von Sensoren, Motoren oder generell Gegenständen mit denen man die Simulation aufbauen kann. Folgendes Tutorial dient zur Einarbeitung [2].

Installation von Webots

Unter folgendem Link lässt sich das Programm downloaden :[3]

3-D Model in Solidworks

Autor: Sefa Hasan Demiröz

Ziel des Modells

Ziel des Modells ist eine repräsentative Veranschaulichung der Realität . Das Modell soll im vollen Maße funktionsfähig ( beweglich ) sein, um später auf einem Simulationsprogramm wie in unserem Falle Webots laufen zu können. Das zu modellierende Objekt ist der Alphabot.

Notwendige Eigenschaften des Modells

Für das Modell ist es essenziel mit den genauen geometrischen Maßen zu zeichnen, da ansonsten hinterher in der Realität es zu Fehlern kommen kann, die in der Simulation nicht angezeigt werden. Ebenso wichtig für das Modell ist es beweglich zu sein . Die beiden Räder müssen eine klare Drehbewegung ausführen können und der Sensor muss um 180° drehbar sein. Außerdem ist zu beachten dass man ein Modellierungsprogramm in Betracht zieht welches kompatibel mit dem Simulationsprogramm ist.

Realisierungsmöglichkeiten

Eine Realisierungsmöglichkeit ist den Alphabot abzumessen und dementsprechend in Solidworks zu verwirklichen. Dadurch, dass der Alphabot eine recht komplexe Geometrie besitzt kann man auch über eine andere Realisierungsmöglichkkeit nachdenken. Eine andere Realisierungsmöglichkeit wäre es wenn man den "Boden" des Alphabot abschraubt und davon ein Foto macht. Dieses Foto kann man in Solidworks mithilfe der Funktion Autotrace nachzeichnen. Mithilfe dieser Funktion kann man ein viele realistischere Abbildung des Alphabot erreichen und zu einem besseren Ergebnis gelangen. Um das Modell auch funktionsfähig zu machen, lassen sich Motoren "implantieren" um die jeweiligen Teile beweglich beziehungsweise drehbar zu machen.

Microcontroller coding mit der Integration von Ros 2

Autor: Jonas Gerken

Um den Microcontroller anzusteuern wurde er über SSH verbunden, um gleichzeitig weiter im normalen Ubuntu OS weiterarbeiten kann.

Raspberry Pi mit SSH(Secure Shell) verbinden

SSH wird verwendet, um den Raspberry Pi ohne eine HDMI-Verbindung zu nutzen zukönnen. Secure Shell oder SSH bezeichnet ein kryptographisches Netzwerkprotokoll für den sicheren Betrieb von Netzwerkdiensten über ungesicherte Netzwerke. Häufig wird es verwendet, um lokal eine entfernte Kommandozeile verfügbar zu machen, d. h., auf einer lokalen Konsole werden die Ausgaben der entfernten Konsole ausgegeben, und die lokalen Tastatureingaben werden an den entfernten Rechner gesendet.

So kann später in diesem Fall der Roboter über eine Ethernet oder Wifi-Verbindung gesteuert werden.

Um SSH zu aktivieren muss auf der SD-Karte im boot-Verzeichnis eine lehre Text-Datei mit dem Namen "ssh" erstellt werden. (Abb. 1) Um die Dateiendung .txt zu entfernen muss im Windows-Explorer unter dem Reiter Ansicht ein Haken bei Dateinamenserweiterungen Gesetz werden. So wird die Dateiendung bei einer Umbennung angezeigt und es kann die .txt Endung entfernt werden.

Für die SSH-Verbindung wird die IP-Adresse des Raspberry Pi's benötigt. Dafür muss er mit einem HDMI Kabel an einen Bildschirm angeschlossen werden. Nach der Anmeldung auf dem Raspberry Pi, kann die IP-Adresse abgelesen werden. Abb. 2)

Abb 2: Beispiel IP-Adresse

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 Switch zwischengeschaltet. Jetzt kann die SSH-Verbindung mit dem Befehl "ssh username@IP-Adresse" hergestellt werden. Danach wird nach dem RPi Passwort gefragt. Die SSH Verbindung wurde hergestellt.

Für die Wifi-Verbindung muss die Netzwerkkonfiguration geöffnet werden: "sudo nano /etc/netplan/50-cloud-init.yaml"

Der Datei Inhalt ist in Abb. 4 abgebildet.

Abb 4: Beispiel Ethernet-Konfiguration

Hier werden dann die benötigte Wifi-Konfiguration wie in Abb. 4 zusehen ist hinzugefügt.

Abb 4: Beispiel Wifi-Konfiguration

Der Netzwerk-Name und das Passwort müssen entsprechend Umbenannt werden.

Bei der Wifi-Verbindung über SSH wird es sich um eine andere IP-Adresse handel, wie bei der Ethernet-Verbindung.

ROS2 Code auf RPi

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.

1. Installieren der Bibliothek um die GPIO-Pins anzusteuern
   • dieser Befehl muss zur Installation in einem Terminal unter Ubuntu eingegeben werden: "pip install RPi.GPIO".

Um zunächst mit der Programmierung zu beginnen wurde ein Ros2 Workspace mit einem source Ordner erstellt.

mkdir ros_ws/src

In diesem Ordner wurde dann das ros2 Package mit den benötigten Bibliotheksverlinkungen erstellt.

ros2 pkg create --build-type ament_python packagename(z.B. sensor_test) --dependencies rclpy std_msgs

In dem Verzeichnis /ros_ws/src/packagename/packagename werden nun die Datei "slave_sonar.py" erstellt.

nano slave_sonar.py

Zuerst werden die Python Bibliotheken importiert Dazu gehören die Ros2 Bibliothek rclpy und rclpy.node, von den Standart massages String und Float64 und von Python time.