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.
Übersicht
Dokumentation
Am Anfang des Projekts wurden die Funktionalen und nicht Funktionalen Anforderungen aufgsetsellt.
Funktionale Anforderungen
| F1 | Der Roboter muss Hindernisse mit Infrarotsensoren erkennen können. |
| F2 | Der Roboter muss Hindernisse mit einem Ultraschallsensor erkennen 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 Installation |
| NF6 | Es muss Ubuntu Server 20.04 auf dem RPi verwendent werden. |
| NF7 | 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 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 Dateinameserweiterung setzen
- .txt Dateiendung entfernen
- Warnung mit JA bestätigen
- beim Booten des Raspberry Pi's wird nun SSH aktiviert(Abb. 1)
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
- 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
cd /dev sudo chmod og+rwx gpio*
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 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.
Die Slave Node kann in einem Terminal auf dem Ubuntu Server mit dem Befehl "ros2 run sensor_test slave.py" gestartet werden.
Nachdem die slave-Node gestartet wurde, wartet sie auf eingehende Nachrichten. Da hier noch keine master-Node vorhanden ist, wurde die Nachricht mit dem folgenden Befehl manuell an die slave gesendet.
Dazu wird dieser Befehl in einem neuen Terminal ausgeführt.
ros2 topic pub /cmd_vel std_msgs/msg/String '{data: forward}'
In diesem Fall wird der Slave-Node die Nachricht forward gesendet und über eine If else Funktion entscheidet das Programm danach das er die GPIO-Pins für die Vorwärtsfahrt ansteuern muss.
So fährt der Roboter vorwärts und die Nachricht wird in einer Dauerschleife immer wieder an die slave 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 slave 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 ein Beispiel für den Abblauf der Hindernisumfahrung dargestellt.
Ultraschall Hindernisumfahrung
Der Code zu den verchiedenen Programmen kann unter der folgenden svn nachgelesen werden.
Der RQT-Graph zur Graphischen Darstellung
Demo
Software
Zusammenfassung
Weiterführende Links
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