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 dem 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
Hardware
Software
- Ubuntu Server 20.04
- ROS2
- 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 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 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 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
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 .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).
Nach der Anmeldung auf dem Raspberry Pi, kann die IPv4-Adresse auf dem Start Bildschirm abgelesen werden, wie in Abb. 3 gezeigt.
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.
Hier werden dann die benötigte Wifi-Konfiguration wie in Abb. 5 zusehen ist hinzugefügt.
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.
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.
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
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_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
Der komplette Programm Code kann hier nachgelesen werden:
Demo
Software
Zusammenfassung
Weiterführende Links
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