Kommunikation Raspberry Pi mit ROS2: Unterschied zwischen den Versionen

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'''Art:''' Praxissemester<br>
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'''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 und wie der Roboter über den Raspberry Pi und ROS2 gesteuert wurde.
== Übersicht ==
=== Dokumentation ===


==== Anforderungen ====
[[Datei:Kommunikation_Slave_Master.png|right|mini|700px|Abb 1: Kommunikation zwischen Maste-Node und Slave-Node <nowiki></nowiki>]]
===== Hardware =====


# [[AlphaBot|AlphaBot]]
# [[Raspberry Pi|Raspberry Pi]]


===== Software =====
== Einleitung ==
 
# Ubuntu Server 20.04
# ROS2
# [[Using the Raspberry Pi’s GPIO to control hardware components| RPi.GPIO python Bibliothek]]
# [https://de.wikipedia.org/wiki/PuTTY 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.
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.
Für dieses Projekt wurde [https://de.wikipedia.org/wiki/Secure_Shell 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 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 das Ubuntu Desktop Terminal.
==== Aufgabenstellung ====


===== SSH auf dem Raspberry Pi Aktivieren =====
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.
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.
==== Projektplanung ====
# 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(Abb. 1)
# 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.


[[Datei:Projektplan_JonasGerken.png|left|mini|700px|Abb 2: Projektplan]]


[[Datei:SSH Datei erstellen.png|left|mini|500px|Abb 1: Ordner des Boot-Verzeichnisses <nowiki></nowiki>]]
<br clear=all>
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===== Netzwerk Konfiguration =====
==== Funktionale Anforderungen ====
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).


[[Datei:Log In Bildschirm.jpg|left|mini|250px|Abb 2: Beispiel <nowiki><log in Bildschirm</nowiki>]]
{| class="wikitable"
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|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.
|}


Nach der Anmeldung auf dem Raspberry Pi, kann die IPv4-Adresse auf dem Start Bildschirm abgelesen werden, wie in Abb. 3 gezeigt.
==== Nicht Funktionale Anforderungen ====
{| 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.
|}


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


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 =====


Dabei ist darauf zu achten, das die IP-Addressen für Wifi und Ethernet unterschiedlich sind.
# AlphaBot
# Raspberry Pi 4
# mciro-SD Karte mit SD-Karten Adapter
# HDMI-Kabel
# Netzwerkkabel
# Netzwerkswitch


===== PuTTY für die SSH Verbindung =====
===== verwendete Software =====
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 [https://wiki.ubuntuusers.de/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]]
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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.
 
[[Datei:Putty_Login.png|left|mini|350px|Abb. 6: PuTTY Login Bildschirm]]
<br clear=all>
 
Nun ist die SSH-Verbindung über PuTTY hergestellt.
 
==== Ansteuern der GPIO Pins mit ROS2 ====
 
Bevor der Alphabot programmiert wurde, wurde mit einem kleinem Publisher Subscriber Code ausprobiert, wie mit ROS2 die GPIO Pins angesteuert werden können.
 
==== 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|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
 
In dem Verzeichnis /ros_ws/src/packagename/packagename werden nun die Dateien "slave_ir.py" und "master_ir.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, um den Roboter vorwärts zu bewegen.
 
ros2 run sensor_test Driver
 
ros2 topic pub /cmd_vel std_msgs/msg/String '{data: forward}'
 
Danach wurde der Slave-Node der Sensordaten Publisher für die Infrarotsensoren hinzugefügt und der Master-Node die Sensordaten Subscriber und eine Motorkontrollfunktion hinzugefügt.
 
                self.sensor_publisher_right = self.create_publisher(Int8, 'IR_right', 1)
 
        def timer_callback(self):
                DR_status = GPIO.input(DR)
                msg_right = Int8()
                msg_right.data = DR_status
                self.sensor_publisher_right.publish(msg_right)
                self.get_logger().info('Publishing right: "%s"' % msg_right.data)
 
                self.sub_right = self.create_subscription(Int8, 'IR_right', self.right_callback, 10)
 
In der "motor_callback" Funktion wird über eine IF-Schleife entschieden, wie dei Motoren angesteuert werden sollen. Hier wird zum Beispiel die Nachricht forward" an die Slave-Node gepublished wenn die Master-Node für den linken und rechten Infrarotsensor eine "1" erhält.
 
        def motor_callback(self):
                msg = String()
                if self.front_right == 1 and self.front_left == 1:
                        msg.data = 'forward'
                        self.pub.publish(msg)
                        self.get_logger().info('Publishing Move: "%s"' % msg.data)
 
Zuletzt werden über die right_callback Funktion die Sensordaten herhalten.
 
        def right_callback(self, msg):
              self.front_right = msg.data


# Ubuntu Server 20.04
# Python
# 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]] ====


==== [[ Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes  | Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes ]] ====


Der komplette Programm Code kann hier nachgelesen werden:
==== [[ Darstellung der Ergebnisse | Darstellung der Ergebnisse ]] ====


=== Demo ===
==== [[ Demo | Demo]] ====
=== Software ===


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




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→ zurück zum Hauptartikel: [[Robot_Operating_System_2|Robot Operating System2 (ROS2)]]
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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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