Arduino開(kāi)發(fā)板經(jīng)常用于制作一些小型的機(jī)器人，并具有簡(jiǎn)單的邏輯定義控制。但是，由于板載計(jì)算能力和軟件有限，開(kāi)發(fā)人員常常無(wú)法升級(jí)到更復(fù)雜的機(jī)器人。通常，隨著開(kāi)發(fā)人員變得越來(lái)越有經(jīng)驗(yàn)，他們會(huì)尋專用于機(jī)器人的軟件，因?yàn)锳rduino僅提供部分控件。

在本篇文章中，我們主要介紹了中間件軟件框架Robot Operating System（ROS），并引導(dǎo)您通過(guò)Arduino設(shè)置和使用ROS來(lái)創(chuàng)建更智能的機(jī)器人系統(tǒng)。

什么是ROS？

機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）是最流行和使用最廣泛的機(jī)器人中間件軟件框架之一。這是一個(gè)開(kāi)放源代碼平臺(tái)，可幫助創(chuàng)客和開(kāi)發(fā)人員在無(wú)需重新發(fā)明輪子的情況下開(kāi)始使用機(jī)器人軟件。 ROS提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的通信體系結(jié)構(gòu)，用于無(wú)縫集成、使用、開(kāi)發(fā)和部署機(jī)器人系統(tǒng)的不同組件，包括控制、感知、計(jì)劃等。這是一個(gè)與語(yǔ)言無(wú)關(guān)的平臺(tái)，無(wú)論部署在何處，都可以為不同的計(jì)算機(jī)提供跨平臺(tái)的通信支持。

Arduino可能是最常用的開(kāi)源微控制器開(kāi)發(fā)板，它提供了易于使用的軟件-硬件界面以及不斷擴(kuò)展的用戶社區(qū)。 Arduino幾乎與所有數(shù)字和模擬電路以及支持串行通信接口（如SPI、I2C和UART）的外部設(shè)備兼容。

基于ROS的軟件框架運(yùn)行高級(jí)算法和流程，例如機(jī)器人模型的推理、過(guò)濾、運(yùn)動(dòng)策略生成、控制器算法等。安裝在機(jī)器人上的Arduino控制器用于執(zhí)行低級(jí)/嵌入式控制和傳感。它包括、電動(dòng)機(jī)控制、溫度和超聲傳感器、IMU和車輪編碼器以及其他設(shè)備。

ROS-Arduino交互管道

ROS與Arduino之間的通信

ROS通信模塊基于自定義的TCPROS協(xié)議進(jìn)行操作，使用兩種方式：多對(duì)多發(fā)布者-訂閱者方法和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)更快服務(wù)方法。本篇文章使用發(fā)布者/訂閱者在Arduino開(kāi)發(fā)板和機(jī)器上運(yùn)行的ROS之間進(jìn)行通信。

rosserial ROS軟件包使用Arduino的通用異步接收器/發(fā)送器（UART）通信，并將開(kāi)發(fā)板轉(zhuǎn)換為ROS節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布ROS消息，也可以訂閱消息。 Arduino ROS節(jié)點(diǎn)發(fā)布者可以從板上將數(shù)據(jù)（從傳感器或機(jī)器人狀態(tài)）發(fā)送到運(yùn)行ROS的機(jī)器，而Arduino ROS節(jié)點(diǎn)訂閱者可以從機(jī)器獲取指令。 ros_lib Arduino庫(kù)使Arduino開(kāi)發(fā)板能夠與ROS通信。

建立基礎(chǔ)架構(gòu)

軟體設(shè)置

1. 在計(jì)算機(jī)（筆記本電腦/ PC）上安裝ROS。此處提供詳細(xì)步驟。注意：這可以在Linux機(jī)器上運(yùn)行的ROS 1。

2. 在計(jì)算機(jī)上安裝rosserial（發(fā)行版可以是kinetic/indigo/melodic）。

sudo apt-get install ros-《distro》-rosserial

sudo apt-get install ros-《distro》-rosserial-arduino

3. 根據(jù)此處提到的說(shuō)明在計(jì)算機(jī)上安裝Arduino IDE。

4. 在IDE中安裝ros_lib軟件包。

a. 安裝軟件包的最簡(jiǎn)單方法是使用Arduino IDE。導(dǎo)航到IDE中的Sketch 》 Include Library 》 Manage Library，然后搜索rosserial軟件包

下拉菜單搜索新的Arduino軟件包

b. Arduino IDE將所有外部庫(kù)存儲(chǔ)在?/ Arduino / libraries文件夾位置下。它將這些庫(kù)加載到開(kāi)發(fā)環(huán)境中，并且可以在IDE中看到。安裝后，可以在下拉列表中看到Rosserial Arduino庫(kù)。

外部庫(kù)顯示在列表中

C. 安裝后，應(yīng)該在IDE中看到示例草圖。

庫(kù)中的可用示例草圖

硬件設(shè)置

我們使用簡(jiǎn)單的設(shè)置將Arduino開(kāi)發(fā)板用作發(fā)布者和訂閱者。

1. 發(fā)布者：一個(gè)按鈕連接到Arduino開(kāi)發(fā)板上，并且被切換以通過(guò)ROS將數(shù)字高/低信號(hào)發(fā)送到機(jī)器。該消息顯示在機(jī)器的終端中。

2. 訂閱者：一個(gè)LED連接到Arduino開(kāi)發(fā)板上，并使用通過(guò)終端從ROS用戶那里獲得的指令來(lái)打開(kāi)/關(guān)閉LED。

硬件連接

代碼和說(shuō)明

Arduino代碼

#include 《ros.h》

#include 《std_msgs/String.h》

#include 《std_msgs/UInt16.h》

#define BUTTON 8

#define LED 13

ros：：NodeHandle node_handle;

std_msgs：：String button_msg;

std_msgs：：UInt16 led_msg;

void subscriberCallback（const std_msgs：：UInt16& led_msg） {

if （led_msg.data == 1） {

digitalWrite（LED， HIGH）;

} else {

digitalWrite（LED， LOW）;

}

}

ros：：Publisher button_publisher（“button_press”， &button_msg）;

ros：：Subscriber《std_msgs：：UInt16》 led_subscriber（“toggle_led”， &subscriberCallback）;

void setup（）

{

pinMode（LED， OUTPUT）;

pinMode（BUTTON， INPUT）;

node_handle.initNode（）;

node_handle.advertise（button_publisher）;

node_handle.subscribe（led_subscriber）;

}

void loop（）

{

if （digitalRead（BUTTON） == HIGH） {

button_msg.data = “Pressed”;

} else {

button_msg.data = “NOT pressed”;

}

button_publisher.publish（ &button_msg ）;

node_handle.spinOnce（）;

delay（100）;

}

說(shuō)明

該代碼導(dǎo)入了ros_lib庫(kù)和std_msgs ：： String和std_msgs ：： UInt16的標(biāo)準(zhǔn)ROS消息。聲明了用于存儲(chǔ)ROS數(shù)據(jù)類型和Arduino板引腳的變量。

該代碼聲明了一個(gè)名為button_publisher的發(fā)布者，該發(fā)布者將std_msgs ：： String數(shù)據(jù)類型的button_msg發(fā)布到button_press主題。同樣，名為led_subscriber的訂閱者訂閱了toggle_led主題，該主題獲取std_msgs ：： UInt6數(shù)據(jù)類型。

聲明ROS節(jié)點(diǎn)句柄，然后在setup（）方法中對(duì)其進(jìn)行初始化。節(jié)點(diǎn)句柄為發(fā)布者做廣告，并訂閱該主題。

SubscriberCallback（）是在Arduino訂閱者節(jié)點(diǎn)上接收數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用的方法。回調(diào)方法檢查ROS主題數(shù)據(jù)是否為HIGH，并相應(yīng)地切換連接的LED。

最后，loop（）方法運(yùn)行一個(gè)無(wú)限循環(huán)，并從按鈕中讀取信息并將其發(fā)布到ROS。節(jié)點(diǎn)句柄調(diào)用spinOnce（）來(lái)處理通信。

程序執(zhí)行

通過(guò)USB電纜將Arduino Uno開(kāi)發(fā)板連接到筆記本電腦，并確認(rèn)該板出現(xiàn)在Arduino IDE的可用串行端口列表中。編譯代碼，選擇板子類型并將其上傳到開(kāi)發(fā)板。

上載代碼后，在機(jī)器的終端上執(zhí)行以下命令。

1. 啟動(dòng)ROS Master-roscore

2. 在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行rosserial客戶端-rosrun rosserial_python serial_node.py / dev / tty 《USB＃或ACM＃》

3. 在運(yùn)行時(shí)確定ttyUSB或ttyACM的串行端口。可以從Arduino IDE或使用dmesg | grep tty找到確切的端口號(hào)。

4. 讀取是否按Arduino板上的按鈕返回的已發(fā)布數(shù)據(jù)-rostopic echo button_press

5. 發(fā)布數(shù)據(jù)以切換Arduino上連接的LED-rostopic pub toggle_led std_msgs / UInt16“ data：0”數(shù)據(jù)為“ 0”關(guān)閉LED，“ 1”打開(kāi)LED。

使用多個(gè)終端選項(xiàng)卡執(zhí)行指令并在同一屏幕上觀察響應(yīng)

rosserial提供了一個(gè)非常標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)，允許創(chuàng)客和開(kāi)發(fā)人員在Arduino和ROS之間無(wú)縫連接。它可以使用兩種非常著名和有用的技術(shù)來(lái)探索機(jī)器人技術(shù)的新機(jī)遇。這種方法允許以非常低的成本為機(jī)器人系統(tǒng)提供分布式計(jì)算、集中控制、控制抽象以及其他一些好處。
編輯：hfy