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. 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.

Übersicht

Dokumentation

Anforderungen

Hardware

1. Alphabot
2. Raspberry Pi 4

Software

1. Ubuntu Server 20.04
2. ROS2 base
3. RPi.GPIO python Bibliothek
4. 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 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 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)

Abb 1: Ordner des Boot-Verzeichnisses

Um die Dateiendung .txt 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.

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

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).

Abb 2: Beispiel <log in Bildschirm

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

Abb 3: Beispiel IP-Adresse

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:

sudo nano /etc/netplan/50-cloud-init.yaml

Der Datei Inhalt ist in Abb. 4 abgebildet.

Abb 4: Beispiel Ethernet-Konfiguration

Hier werden dann die benötigte Wifi-Konfiguration wie in Abb. 5 zusehen ist hinzugefügt.

Abb 5: Beispiel Wifi-Konfiguration

    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 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.

Abb. 5: Beispiel <nowiki>PuTTY Start Bildschirm

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

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 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 aussieht:

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)

ros2 topic pub /cmd_vel std_msgs/msg/String '{data: forward}'

Der komplette Programm Code kann hier nachgelesen werden:

Weiterführende Links

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