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




[[Datei:Kommunikation_Slave_Master.png|right|mini|600px|Abb 1: Kommunikation zwischen Maste-Node und Slave-Node <nowiki></nowiki>]]
[[Datei:Kommunikation_Slave_Master.png|right|mini|700px|Abb 1: Kommunikation zwischen Maste-Node und Slave-Node <nowiki></nowiki>]]




== Einleitung ==
== 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 AlphaBot über den Raspberry Pi und ROS2 gesteuert wurde.
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.


== Übersicht ==
==== Aufgabenstellung ====
=== Dokumentation ===
 
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.
 
==== Projektplanung ====
 
[[Datei:Projektplan_JonasGerken.png|left|mini|700px|Abb 2: Projektplan]]


==== Anforderungen ====
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==== Funktionale Anforderungen ====


{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
|F1
|F1
|Der Roboter muss Hindernisse mit Infrarotsensoren erkennen können.
|Der AlphaBot muss Hindernisse mit Infrarotsensoren erkennen können.
|-
|F2
|Der AlphaBot muss Hindernisse mit einem Ultraschallsensor erkennen können.
|-
|-
|F2
|F5
|Der Roboter muss Hindernisse umfahren können.
|Der Ultraschallsensor muss mit einem Servo-Motor nach rechts und links gedreht werden können.
|-
|-
|F3
|F3
|Der AlphaBot muss Hindernisse umfahren können.
|-
|-
|F4
|Die Motoren müssen einzeln angesteuert werden können.
|}
==== Nicht Funktionale Anforderungen ====
{| class="wikitable"
|NF1  
|NF1  
|Es muss ein Alphabot verwendet werden.   
|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.
|}
|}


== Übersicht ==
=== Dokumentation ===






===== Hardware =====


# [[AlphaBot|AlphaBot]]
===== verwendete Hardware =====
# [[Raspberry Pi|Raspberry Pi]]


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


# [[Raspberry Pi| Ubuntu Server 20.04]]
===== verwendete Software =====
# ROS2  
 
# [[Using the Raspberry Pi’s GPIO to control hardware components| RPi.GPIO python Bibliothek]]
# Ubuntu Server 20.04
# Python
# ROS2
# Secure Shell (SSH)
# [https://de.wikipedia.org/wiki/PuTTY PuTTY]
# [https://de.wikipedia.org/wiki/PuTTY PuTTY]


==== Raspberry Pi mit Ubuntu Server verbinden über SSH(Secure Shell) ====
==== [[ Raspberry Pi über Secure Shell(SSH) mit Desktop PC verbinden | Raspberry Pi über Secure Shell(SSH) mit Desktop PC verbinden]] ====
 
Hier wird zunächst erklärt was SSH ist, wie es aktiviert wird und wie es verwendet werden kann.
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 auch 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.
 
===== 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)
 
 
[[Datei:SSH Datei erstellen.png|left|mini|500px|Abb 1: Ordner des Boot-Verzeichnisses <nowiki></nowiki>]]
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===== 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).
 
[[Datei:Log In Bildschirm.jpg|left|mini|250px|Abb 2: Beispiel <nowiki><log in Bildschirm</nowiki>]]
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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>]]
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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 [https://wiki.ubuntuusers.de/PuTTY/].
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]]
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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]]
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Nun ist die SSH-Verbindung über PuTTY hergestellt.
 
Um eine SSH-Verbindung über das Ubuntu Terminal herzustellen ist der folgende Befehl nötig [https://wiki.ubuntuusers.de/SSH/]:
 
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|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.
<code> ros2 pkg create --build-type ament_python packagename(z.B. sensor_test) --dependencies rclpy std_msgs </code>
 
 
===== Motorsteuerung =====
 
[[Datei:Motortest.png|right|mini|500px|Abb. 7 Programm Ablauf Motortest]]
 
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.
 
 
 
Die Slave Node kann in einem Terminal auf dem Ubuntu Server mit dem Befehl <code>"ros2 run sensor_test slave.py"</code> 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.
<code> ros2 topic pub /cmd_vel std_msgs/msg/String '{data: forward}'</code>
 
 
 
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 <code> STRG C</code> beendet wird. Dann kann über den oben genannten Befehl eine neue Nachricht (z.B. right an stelle von forward) an die slave gesendet werden.
 
[[Datei:Terminal_Motor_Controll.png|left|mini|700px|Abb. 8: Terminal Ausgabe]]
 
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===== Infrarot Hindernisumfahrung =====
 
[[Datei:Infrared.png|right|mini|500px|Abb. 8 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.
 
 
 
 
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===== Ultraschall Hindernisumfahrung =====  
 
[[Datei:Ultraschall.png|right|mini|350px|Abb. 7 Ultraschall Hindernisumfahrung]]
 
 
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Für die verschiedenen Programme können die
==== [[ Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes  | Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes ]] ====


==== Der RQT-Graph zur Graphischen Darstellung ====
==== [[ 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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