Kommunikation Raspberry Pi mit ROS2: Unterschied zwischen den Versionen

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'''Betreuer:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Schneider]]<br/>
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'''Art:''' Praxissemester<br>
'''Art:''' Praxissemester<br>
'''Projektlaufzeit:''' 02.11.2021-20.02.2022
'''Projektlaufzeit:''' 02.11.2021 - 20.02.2022


== Einleitung ==


Dieser Artikel beschreibt die Kommunikation von einem [https://de.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi Raspberry Pi] mit [[Kategorie:ROS2|ROS2]]. Dazu wird erklärt, wie ein Raspberry Pi mit einem PC über SSH(Secure Shell) verbunden werden kann.
[[Datei:Kommunikation_Slave_Master.png|right|mini|700px|Abb 1: Kommunikation zwischen Maste-Node und Slave-Node <nowiki></nowiki>]]


An dieser Stelle sollten Ubuntu Server 20.04 und ROS2 base auf dem Raspberry Pi installiert sein. Wenn dies noch nicht der Fall ist, siehe hier [[Installation von ROS2|Installation von ROS2]] für die Installation.


== Übersicht ==
== Einleitung ==
=== Dokumentation ===


==== Anforderungen ====
Dieser Artikel beschreibt die Kommunikation von einem [https://de.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi Raspberry Pi(RPi)] mit dem [[Robot_Operating_System_2|Robot Operating System2 (ROS2)]]. In Abb. 1 sind die Nodes master und slave zu sehen, welche auf der RPi ausgeführt werden. Über die Topics, wie cmd_vel oder die SONAR-Topics, kommunizieren die Nodes mit einander. Dazu wird erklärt, wie ein Raspberry Pi mit einem PC über [https://de.wikipedia.org/wiki/Secure_Shell Secure Shell (SSH)] verbunden werden kann und wie der AlphaBot über den RPi und ROS2 gesteuert wurde. Außerdem wird beschrieben was es für grafische Anzeige Möglichkeiten unter ROS2 gibt.
===== Hardware =====


# Alphabot
==== Aufgabenstellung ====
#*
# Raspberry Pi 4


===== Software =====
Das Ziel war es einen [[AlphaBot|AlphaBot]] mit ROS2 zu programmieren und fahren zu lassen, damit er Hindernisse mit Infrarotsensoren und dem Ultraschallsensor umfahren kann.


# Ubuntu Server 20.04
==== Projektplanung ====
# ROS2 base
# RPi.GPIO python Bibliothek
# PuTTY
 
==== 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.
===== SSH (Secure Shell) =====
Für dieses Projekt wurde [https://de.wikipedia.org/wiki/Secure_Shell Secure Shell(SSH)] verwendet, um den RPi Bildschirm in einem Terminal unter Ubuntu Desktop anzeigen zulassen. So wird keine HDMI-Verbindung zwischen dem RPi und einem Bildschirm mehr benötigt. Der Roboter kann dann später über eine WIFI-Verbindung frei herum fahren.


Die SSH Verbindung kann über verschiedene Wege erfolgen. Zum einen über das Programm [https://de.wikipedia.org/wiki/PuTTY PuTTY] oder über die Ubuntu Desktop Kommando-Konsole.
[[Datei:Projektplan_JonasGerken.png|left|mini|700px|Abb 2: Projektplan]]


===== SSH auf dem Raspberry Pi Aktivieren =====
Damit SSH genutzt werden kann muss es auf dem Raspberry Pi zuerst aktiviert werden.
Dazu wird die SD-Karte mit einem SD-Karten-Adapter in ein Kartenleseslot an einem PC gesteckt.
Anschließend wird auf der SD-Karte im boot-Verzeichnis (in diesem Fall "system-boot") eine leere Textdatei mit dem Namen "ssh.txt" erstellt.
Am besten wird einfach über das gewohnte Windows Menü eine neue Text-Datei erstellt. (Abb. 1)
Um die Dateiendung <code>.txt</code> zu entfernen muss im Windows-Explorer unter dem Reiter Ansicht ein Haken bei Dateinamenserweiterungen Gesetz werden.
So wird die Dateiendung bei der Umbenennung einer Datei angezeigt und es kann die .txt Endung von ssh.txt entfernt werden. Wurde die Datei umbenannt, wird eine Windows Warnung erscheinen. Diese kann einfach mit Ja bestätigt werden.
[[Datei:SSH Datei erstellen.png|left|mini|500px|Abb 1: Ordner des Boot-Verzeichnisses <nowiki></nowiki>]]
<br clear=all>
<br clear=all>


Beim Start des Raspberry Pi's ist nun der SSH-Server aktiviert und er kann beispielsweise mit Putty oder der Ubuntu Kommandozeile verbunden werden.
==== Funktionale Anforderungen ====


===== Netzwerk Konfiguration =====
{| class="wikitable"
Damit der Raspberry Pi über SSH verbunden werden kann, wird die IPv4-Adresse des Raspberry Pi's benötigt.
|F1
Dafür wird der RPi mit einem HDMI-Kabel an einem Bildschirm angeschlossen.
|Der AlphaBot muss Hindernisse mit Infrarotsensoren erkennen können.
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).  
|-
|F2
|Der AlphaBot muss Hindernisse mit einem Ultraschallsensor erkennen können.
|-
|F5
|Der Ultraschallsensor muss mit einem Servo-Motor nach rechts und links gedreht werden können.
|-
|F3
|Der AlphaBot muss Hindernisse umfahren können.
|-
|F4
|Die Motoren müssen einzeln angesteuert werden können.
|}


[[Datei:Log In Bildschirm.jpg|left|mini|250px|Abb 2: Beispiel <nowiki><log in Bildschirm</nowiki>]]
==== Nicht Funktionale Anforderungen ====
<br clear=all>
{| class="wikitable"
|NF1
|Es muss ein AlphaBot verwendet werden.
|-
|NF2
|Der AlphaBot muss mit ROS2  programmiert werden.
|-
|NF3
|Der AlphaBot soll mit einem RPi gesteuert werden.
|-
|NF4
|Der AlphaBot soll mit Python programmiert werden.
|-
|NF5
|Es soll die Python Bibliothek [https://pypi.org/project/RPi.GPIO/ RPi.GPIO] verwendet werden.
|-
|NF6
|Es muss [[Raspberry Pi| Ubuntu Server 20.04 Server]] auf dem RPi verwendent werden.
|}


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


[[Datei:StartBild_Ubuntu_Server.png|left|mini|300px|Abb 3: Beispiel <nowiki>IP-Adresse</nowiki>]]
<br clear=all>


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.




Für die Wifi-Verbindung muss das Wifi erst konfiguriert werden. Dazu wird die netplan config geöffnet:
===== verwendete Hardware =====


sudo nano /etc/netplan/50-cloud-init.yaml
# AlphaBot
# Raspberry Pi 4
# mciro-SD Karte mit SD-Karten Adapter
# HDMI-Kabel
# Netzwerkkabel
# Netzwerkswitch


Der Datei Inhalt ist in Abb. 4 abgebildet.
===== verwendete Software =====
[[Datei:Ethernet.png|left|mini|500px|Abb 4: Beispiel <nowiki>Ethernet-Konfiguration</nowiki>]]
<br clear=all>


Hier werden dann die benötigte Wifi-Konfiguration wie in Abb. 5 zusehen ist hinzugefügt.
# Ubuntu Server 20.04
[[Datei:Wifi-Konfiguration.png|left|mini|200px|Abb 5: Beispiel <nowiki>Wifi-Konfiguration</nowiki>]]
# Python
<br clear=all>
# ROS2
# Secure Shell (SSH)
# [https://de.wikipedia.org/wiki/PuTTY PuTTY]


==== [[ Raspberry Pi über Secure Shell(SSH) mit Desktop PC verbinden | Raspberry Pi über Secure Shell(SSH) mit Desktop PC verbinden]] ====


    wifis:
==== [[ Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes  | Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes ]] ====
        wlan0:
            optional: true
            access-points:
                "hshl-robotik":
                    password: "RobotikUndAutonomeSysteme"
            dhcp4: true


Der Netzwerk-Name und das Passwort müssen entsprechend Umbenannt werden.
==== [[ Darstellung der Ergebnisse | Darstellung der Ergebnisse ]] ====
In diesem Projekt war es das 


Dabei ist darauf zu achten, das die IP-Addressen für Wifi und Ethernet unterschiedlich sind.
==== [[ Demo | Demo]] ====
 
===== 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.
sudo apt-get install putty
 
Nach der Installaltion kann es über den Befehl putty 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.
   
[[Datei:PuTTY Konfiguration.png|left|350px|Abb. 5: Beispiel <nowiki>PuTTY Start Bildschirm]]
<br clear=all>
 
==== Microcontroller coding mit der Integration von Ros 2 ====
 
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|Raspberry Pi]]
 
 
# Installieren der Bibliothek um die GPIO-Pins anzusteuern
 
#* dieser Befehl muss zur Installation in dem Terminal auf dem RPi eingegeben werden:
sudo apt install python3-pip
"pip install RPi.GPIO".
 
Falls Probleme, wie "RuntimeError: Not running on a RPi!" bei der Ausführung des Programmcodes auftreten, sind diese Befehle hilfreich.
 
# 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*
 
Um zunächst mit der Programmierung zu beginnen wurde ein Ros2 Workspace mit einem source Ordner 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
 
In dem Verzeichnis /ros_ws/src/packagename/packagename werden nun die Datei "slave_sonar.py" und "master_sonar.py" erstellt.
 
=== Demo ===
=== Software ===


== [[Zusammenfassung_Praxissemester_Gerken|Zusammenfassung]] ==
== [[Zusammenfassung_Praxissemester_Gerken|Zusammenfassung]] ==
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== Weiterführende Links ==
== Weiterführende Links ==
* [https://wiki.ubuntuusers.de/PuTTY/ PuTTY Installation]
* [https://wiki.ubuntuusers.de/SSH/ SSH ]




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Aktuelle Version vom 19. März 2022, 14:23 Uhr

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


Abb 1: Kommunikation zwischen Maste-Node und Slave-Node


Einleitung

Dieser Artikel beschreibt die Kommunikation von einem Raspberry Pi(RPi) mit dem Robot Operating System2 (ROS2). In Abb. 1 sind die Nodes master und slave zu sehen, welche auf der RPi ausgeführt werden. Über die Topics, wie cmd_vel oder die SONAR-Topics, kommunizieren die Nodes mit einander. Dazu wird erklärt, wie ein Raspberry Pi mit einem PC über Secure Shell (SSH) verbunden werden kann und wie der AlphaBot über den RPi und ROS2 gesteuert wurde. Außerdem wird beschrieben was es für grafische Anzeige Möglichkeiten unter ROS2 gibt.

Aufgabenstellung

Das Ziel war es einen AlphaBot mit ROS2 zu programmieren und fahren zu lassen, damit er Hindernisse mit Infrarotsensoren und dem Ultraschallsensor umfahren kann.

Projektplanung

Abb 2: Projektplan


Funktionale Anforderungen

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

Nicht Funktionale Anforderungen

NF1 Es muss ein AlphaBot verwendet werden.
NF2 Der AlphaBot muss mit ROS2 programmiert werden.
NF3 Der AlphaBot soll mit einem RPi gesteuert werden.
NF4 Der AlphaBot soll mit Python programmiert werden.
NF5 Es soll die Python Bibliothek RPi.GPIO verwendet werden.
NF6 Es muss Ubuntu Server 20.04 Server auf dem RPi verwendent werden.

Übersicht

Dokumentation

verwendete Hardware
  1. AlphaBot
  2. Raspberry Pi 4
  3. mciro-SD Karte mit SD-Karten Adapter
  4. HDMI-Kabel
  5. Netzwerkkabel
  6. Netzwerkswitch
verwendete Software
  1. Ubuntu Server 20.04
  2. Python
  3. ROS2
  4. Secure Shell (SSH)
  5. PuTTY

Raspberry Pi über Secure Shell(SSH) mit Desktop PC verbinden

Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes

Darstellung der Ergebnisse

Demo

Zusammenfassung

Weiterführende Links


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