Kommunikation Raspberry Pi mit ROS2: Unterschied zwischen den Versionen

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

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(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

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

AlphaBot
Raspberry Pi 4
mciro-SD Karte mit SD-Karten Adapter
HDMI-Kabel
Netzwerkkabel
Netzwerkswitch

verwendete Software

Ubuntu Server 20.04
Python
ROS2
Secure Shell (SSH)
PuTTY

Weiterführende Links

→ zurück zum Hauptartikel: Robot Operating System2 (ROS2)

Kommunikation Raspberry Pi mit ROS2: Unterschied zwischen den Versionen

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

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Aufgabenstellung

Projektplanung

Funktionale Anforderungen

Nicht Funktionale Anforderungen

Übersicht

Dokumentation

verwendete Hardware

verwendete Software

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

Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes

Darstellung der Ergebnisse

Demo

Zusammenfassung

Weiterführende Links

Navigationsmenü

@@ Zeile 4: / Zeile 4: @@
 '''Betreuer:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Schneider]]<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 dem [[Robot_Operating_System_2|Robot Operating System2 (ROS2)]]. Dazu wird erklärt, wie ein Raspberry Pi mit einem PC über SSH(Secure Shell) verbunden werden kann. Weiter wird beschrieben wie der Roboter über den Raspberry Pi und ROS2 gesteuert wurde.
+[[Datei:Kommunikation_Slave_Master.png|right|mini|700px|Abb 1: Kommunikation zwischen Maste-Node und Slave-Node <nowiki></nowiki>]]
-== Übersicht ==
-=== Dokumentation ===
-==== Anforderungen ====
+== Einleitung ==
-===== Hardware =====
-# Alphabot
+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.
-# Raspberry Pi 4
-===== Software =====
+==== Aufgabenstellung ====
-# Ubuntu Server 20.04
+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.
-# ROS2
-# RPi.GPIO python Bibliothek
-# PuTTY
-==== Raspberry Pi mit Ubuntu Server verbinden über SSH(Secure Shell) ====
+==== Projektplanung ====
-Hier wird zunächst erklärt was SSH ist, wie es aktiviert wird und wie es verwendet werden kann.
+[[Datei:Projektplan_JonasGerken.png|left|mini|700px|Abb 2: Projektplan]]
-===== 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.
-So kann der Roboter 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.
-===== 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)
-[[Datei:SSH Datei erstellen.png|left|mini|500px|Abb 1: Ordner des Boot-Verzeichnisses <nowiki></nowiki>]]
 <br clear=all>
-Um die Dateiendung <code>.txt</code> zu entfernen muss im Windows-Explorer unter dem Reiter Ansicht ein Haken bei Dateinamenserweiterungen Gesetz werden.
+==== Funktionale Anforderungen ====
-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.
-Beim Start des Raspberry Pi's ist nun der SSH-Server aktiviert und er kann beispielsweise mit Putty oder der Ubuntu Kommandozeile verbunden werden.
+{| class="wikitable"
+|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.
+|}
-===== Netzwerk Konfiguration =====
+==== Nicht Funktionale Anforderungen ====
-Damit der Raspberry Pi über SSH verbunden werden kann, wird die IPv4-Adresse des Raspberry Pi's benötigt.
+{| class="wikitable"
-Dafür wird der RPi mit einem HDMI-Kabel an einem Bildschirm angeschlossen.
+|NF1
-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).
+|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.
+|}
-[[Datei:Log In Bildschirm.jpg|left|mini|250px|Abb 2: Beispiel <nowiki><log in Bildschirm</nowiki>]]
+== Übersicht ==
-<br clear=all>
+=== Dokumentation ===
-Nach der Anmeldung auf dem Raspberry Pi, kann die IPv4-Adresse auf dem Start Bildschirm abgelesen werden, wie in Abb. 3 gezeigt.
-[[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.
+===== verwendete Hardware =====
-Für die Wifi-Verbindung muss das Wifi erst konfiguriert werden. Dazu wird die netplan config geöffnet:
+# AlphaBot
+# Raspberry Pi 4
+# mciro-SD Karte mit SD-Karten Adapter
+# HDMI-Kabel
+# Netzwerkkabel
+# Netzwerkswitch
- sudo nano /etc/netplan/50-cloud-init.yaml
+===== verwendete Software =====
-Der Datei Inhalt ist in Abb. 4 abgebildet.
+# Ubuntu Server 20.04
-[[Datei:Ethernet.png|left|mini|500px|Abb 4: Beispiel <nowiki>Ethernet-Konfiguration</nowiki>]]
+# Python
-<br clear=all>
+# ROS2
+# Secure Shell (SSH)
-Hier werden dann die benötigte Wifi-Konfiguration wie in Abb. 5 zusehen ist hinzugefügt.
+# [https://de.wikipedia.org/wiki/PuTTY PuTTY]
-[[Datei:Wifi-Konfiguration.png|left|mini|200px|Abb 5: Beispiel <nowiki>Wifi-Konfiguration</nowiki>]]
-<br clear=all>
-     wifis:
-        wlan0:
-            optional: true
-            access-points:
-                "hshl-robotik":
-                    password: "RobotikUndAutonomeSysteme"
-            dhcp4: true
-Der Netzwerk-Name und das Passwort müssen entsprechend Umbenannt werden.
-In diesem Projekt war es das
-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.
- 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.
-[[Datei:PuTTY Konfiguration.png|left|350px|Abb. 5: Beispiel <nowiki>PuTTY Start Bildschirm]]
-<br clear=all>
-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 angemeldet werden kann.
-[[Datei:Putty_Login.png|left|mini|350px|Abb. 6: PuTTY Login Bildschirm]]
+==== [[ Raspberry Pi über Secure Shell(SSH) mit Desktop PC verbinden | Raspberry Pi über Secure Shell(SSH) mit Desktop PC verbinden]] ====
-<br clear=all>
-Nun ist die SSH-Verbindung über PuTTY hergestellt.
+==== [[ Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes  | Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes ]] ====
-==== Ansteuern der GPIO Pins mit ROS2 ====
+==== [[ Darstellung der Ergebnisse | Darstellung der Ergebnisse ]] ====
-Bevor der Alphabot programmiert wurde, wurde mit einem kleinem Publisher Subscriber Code ausprobiert, wie mit ROS2 die GPIO Pins angesteuert werden können.
+==== [[ Demo | Demo]] ====
-==== 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]]
-Um die GPIO-Pins ansteuern zu können muss die dazugehörige Bibliothek installiert werden.
-Dazu wird außerdem pip von python benötigt. Wenn pip noch nicht installiert worden ist, kann das über folgenden Befehl gemacht werden.
- sudo apt install python3-pip
-Nach der Installation von pip kann dann die RPi.GPIO Bibliothek installiert werden.
- "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 Dateien "slave_sonar.py" und "master_sonar.py" erstellt.
-In der Slave Node wird der /cmd_vel topic subscriber mit der auszuführenden motors_callback Funktion deklariert.
- self.sub = self.create_subscription(String, 'cmd_vel', self.motors_callback, 10)
-Danach werden die GPIO-Pins für die Motoren deklariert.
-Hier ein Beispiel, wie das für den rechten Motor implementiert wurde:
- GPIO.setup(IN1, GPIO.OUT) #right wheel forward
- GPIO.setup(IN2, GPIO.OUT) #right wheel backward
- GPIO.setup(ENA, GPIO.OUT) #enable right wheel
-Damit die Slave_Node weiß, wann was passieren soll, werden in einer if-Schleife alle Funktionen wie forward, left, right oder auch backward programmiert.
- msg.data = 'forward'
- GPIO.output(IN1, GPIO.HIGH)   #right wheel forward
- GPIO.output(IN2, GPIO.LOW)    #right wheel backward
- GPIO.output(IN3, GPIO.LOW)   #left wheel backward
- GPIO.output(IN4, GPIO.HIGH)  #left wheel forward
- self.get_logger().info('I heard: "%s"' % msg.data)
-Um die Motoren mit ROS2 zu testen wurde die Slave-Node über "ros2 run"ausgeführt und über "ros2 topic pub" wurde die Nachricht "forward" an die Slave gesendet.
- ros2 run sensor_test Driver
- ros2 topic pub /cmd_vel std_msgs/msg/String '{data: forward}'
-Der komplette Programm Code kann hier nachgelesen werden:
-=== Demo ===
-=== Software ===
 == [[Zusammenfassung_Praxissemester_Gerken|Zusammenfassung]] ==
@@ Zeile 186: / Zeile 99: @@
 == Weiterführende Links ==
+* [https://wiki.ubuntuusers.de/PuTTY/ PuTTY Installation]
+* [https://wiki.ubuntuusers.de/SSH/ SSH ]
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