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 Raspberry Pi mit ROS2. Dazu wird erklärt, wie ein Raspberry Pi mit einem PC über SSH(Secure Shell) verbunden werden kann.
[[Datei:Kommunikation_Slave_Master.png|right|mini|700px|Abb 1: Kommunikation zwischen Maste-Node und Slave-Node <nowiki></nowiki>]]
#Das Ziel ist es, mit ROS2 die Raspberry Pi GPIO-Pins über SSH ansteuern zu können.


An dieser Stelle sollten Ubuntu Server 20.04 und ROS2 base auf dem Raspberry Pi installiert sein. Wenn dies noch nicht der Fall ist, siehe hier [[Installation von ROS2|Installation von ROS2]] für die Installation.


== Übersicht ==
== Einleitung ==
=== Dokumentation ===


=== Raspberry Pi mit Ubuntu Server verbinden über SSH(Secure Shell) ===
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.


==== Was ist SSH (Secure Shell)? ====
==== Aufgabenstellung ====
Secure Shell oder SSH bezeichnet ist ein kryptographisches Netzwerkprotokoll für den sicheren Betrieb von Netzwerkdiensten über ungesicherte Netzwerke. Häufig wird es verwendet, um lokal eine entfernte Kommandozeile verfügbar zu machen, d. h., auf einer lokalen Konsole werden die Ausgaben der entfernten Konsole ausgegeben (hier: PC) und die lokalen Tastatureingaben werden an den entfernten Rechner gesendet (hier: Raspberry Pi).
Genutzt werden kann dies z. B. zur Fernwartung eines in einem entfernten Rechenzentrum stehenden Servers. Oder wie in diesem Projekt zur Programmierung des Raspberry Pi's


Um den Microcontroller anzusteuern wurde er über SSH verbunden, um gleichzeitig weiter an einem PC mit Ubuntu Desktop arbeiten zu können und den Roboter später frei fahren zu können ohne an ein HDMI-Kabel angeschlossen zu sein.
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.
Dazu gibt es zwei Möglichkeiten: einmal mit einem Programm namens PuTTY oder direkt über die Ubuntu Kommando-Konsole.


==== SSH auf RPi Aktivieren ====
==== Projektplanung ====
Zunächst muss die SSH auf dem Raspberry Pi aktiviert werden.
Um SSH zu aktivieren muss auf der SD-Karte im boot-Verzeichnis eine lehre Text-Datei mit dem Namen "ssh" erstellt werden. (Abb. 2)
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 einer Umbennung angezeigt und es kann die .txt Endung entfernt werden.


==== Wo ist die IP-Adresse des RPi's zu finden? ====
[[Datei:Projektplan_JonasGerken.png|left|mini|700px|Abb 2: Projektplan]]
Damit der Raspberry Pi über SSH verbunden werden kann, wird die IP-Adresse des Raspberry Pi's benötigt.
Dafür wird der RPi mit einem HDMI-Kabel an einem Bildschirm angeschlossen.
Nach einer kurzen Ladezeit des Raspberry Pi's erscheint ein login Bildschirm, wo nach dem Benutzernamen (ubuntu) und nach dem Passwort (Hshl2021) gefragt wird.  


Nach der Anmeldung auf dem Raspberry Pi, kann die IP-Adresse abgelesen werden, wie in Abb. 3 gezeigt.
<br clear=all>


  [[Datei:StartBild_Ubuntu_Server.png|left|mini|300px|Abb 3: Beispiel <nowiki>IP-Adresse</nowiki>]]
==== Funktionale Anforderungen ====
  <br clear=all>


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 Switch zwischengeschaltet.
{| class="wikitable"
Jetzt kann die SSH-Verbindung mit dem Befehl "ssh username@IP-Adresse" hergestellt werden.
|F1
Danach wird nach dem RPi Passwort gefragt.
|Der AlphaBot muss Hindernisse mit Infrarotsensoren erkennen können.
Nach der Eingabe des Passworts wird die SSH Verbindung hergestellt.
|-
|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.
|}


Für die Wifi-Verbindung muss die Netzwerkkonfiguration geöffnet werden: "sudo nano /etc/netplan/50-cloud-init.yaml"
==== 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.
|}


Der Datei Inhalt ist in Abb. 4 abgebildet.
== Übersicht ==
  [[Datei:Ethernet.png|left|mini|500px|Abb 4: Beispiel <nowiki>Ethernet-Konfiguration</nowiki>]]
=== Dokumentation ===
  <br clear=all>
 
Hier werden dann die benötigte Wifi-Konfiguration wie in Abb. 4 zusehen ist hinzugefügt.
  [[Datei:Wifi-Konfiguration.png|left|mini|200px|Abb 4: Beispiel <nowiki>Wifi-Konfiguration</nowiki>]]
  <br clear=all>
 
Der Netzwerk-Name und das Passwort müssen entsprechend Umbenannt werden.


Bei der Wifi-Verbindung über SSH wird es sich um eine andere IP-Adresse handel, wie bei der Ethernet-Verbindung.


==== 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 Kommando-Konsole installiert.
sudo apt-get install putty


Nach der Installaltion kann es über den Befehl putty ausgeführt werden und ein neues Fenster öffnet sich. Abb. 1   
[[Datei:PuTTY Konfiguration.png|right|350px|Abb. 2]]
  <br clear=all>


=== Microcontroller coding mit der Integration von Ros 2 ===
===== verwendete Hardware =====


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


===== verwendete Software =====


# Installieren der Bibliothek um die GPIO-Pins anzusteuern
# Ubuntu Server 20.04
#* dieser Befehl muss zur Installation in einem Terminal unter Ubuntu eingegeben werden: "pip install RPi.GPIO".
# Python
# ROS2
# Secure Shell (SSH)
# [https://de.wikipedia.org/wiki/PuTTY PuTTY]


Um zunächst mit der Programmierung zu beginnen wurde ein Ros2 Workspace mit einem source Ordner erstellt.
==== [[ Raspberry Pi über Secure Shell(SSH) mit Desktop PC verbinden | Raspberry Pi über Secure Shell(SSH) mit Desktop PC verbinden]] ====
mkdir ros_ws
cd ros_ws
mkdir src


In diesem Ordner wurde dann das ros2 Package mit den benötigten Bibliotheksabhängigkeiten erstellt.
==== [[ Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes | Programmierung / Funktionsweise der ROS2 Codes ]] ====
  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 Datei "slave_sonar.py" erstellt.
==== [[ Darstellung der Ergebnisse | Darstellung der Ergebnisse ]] ====


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


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




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Aktuelle Version vom 19. März 2022, 15:23 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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