Kommunikation Raspberry Pi mit ROS2

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 mit dem Robot Operating System2 (ROS2)(Abb. 1). 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. Außerdem wird beschrieben was es für grafische Anzeige Möglichkeiten unter ROS2 gibt.

Übersicht

Dokumentation

Zum beginn dieses Artikels werden die verschiedenen Anforderungen an das Projekt aufgezeigt(Tabelle 1/2).

Funktionale Anforderungen

F1	Der Roboter muss Hindernisse mit Infrarotsensoren erkennen können.
F2	Der Roboter muss Hindernisse mit einem Ultraschallsensor erkennen können.
F5	Der Ultraschallsensor muss mit einem Servo-Motor nach rechts und links gedreht werden können.
F3	Der Roboter muss Hindernisse umfahren können.
F4	Die Motoren müssen einzeln angesteuert werden können.

Nicht Funktionale Anforderungen

NF1	Es muss ein Alphabot verwendet werden.
NF2	Der Roboter muss mit dem ROS2 programmiert werden.
NF3	Der Roboter soll mit einem Raspberry Pi gesteuert werden.
NF4	Der Roboter 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.

Hilfreiche Software

1. Secure Shell(SSH)
2. PuTTY

Raspberry Pi über Secure Shell(SSH) mit Desktop PC verbinden

In dem hier beschriebenen Projekt wurde Secure Shell(SSH) zur Verwendung des RPi's verwendet. Dies ermöglicht die Nutzung des RPi's und Ubuntu Desktop auf einem Bildschirm gleichzeitig. So wird keine HDMI-Verbindung zwischen dem RPi und einem Bildschirm mehr benötigt.

Über SSH kann der AlphaBot später mittels einer WIFI-Verbindung autonom fahren.

Die SSH Verbindung kann über verschiedene Wege erfolgen. Zum einen über das Programm PuTTY oder über das Ubuntu Desktop Terminal.

Im weiteren wird beschrieben, wie SSH auf dem RPi aktiviert wird und wie es mit PuTTY oder in einem Terminal verwendet werden kann.

SSH auf dem Raspberry Pi Aktivieren

Abb 2: Ordner mit der SSH-Datei

Damit SSH genutzt werden kann muss es auf dem Raspberry Pi zuerst aktiviert werden. Dazu sind folgende Schritte wie in Abb. 2 gezeigt zu befolgen:

1. SD-Karte mit einem SD-Karten-Adapter in ein Kartenleseslot an einem PC stecken
2. im boot-Verzeichnis (hier: "system-boot") mit rechter Maustaste Drop-Down-Menu öffnen
3. unter dem Reiter Neu "Textdokument" auswählen
4. ssh als Namen eingeben, zunächst wird die Datei ssh.txt heißen
5. im Windows-Explorer unter dem Reiter Ansicht Haken bei Dateinamenserweiterung setzen, damit die Dateiendung angezeigt wird
6. die nun angezeigte .txt Dateiendung entfernen
7. die darauf folgende Warnung mit JA bestätigen
8. beim Booten des Raspberry Pi's wird nun SSH aktiviert

IP-Adresse des RPi herausfinden

Abb 3: Beispiel <log in Bildschirm

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 und an das dazugehörige Stromkabel angeschlossen.

Allgemein muss der RPi für eine SSH-Verbindung mit dem Internet verbunden sein. Hier kann der RPi mit einem Ethernet Kabel oder über einer WIFI-Verbindung verbunden werden. Für die Ethernet-Verbindung wird zwischen den RPi und den Computer ein Netzwerk-Switch zwischengeschaltet.

Und um den RPi mit WIFI zu verbinden, muss die RPi Netzwerk Konfiguration verändert werden. Wie das gemacht wird kann in dem Artikel zur Installation von Ubuntu Server nachgelesen werden.

Wenn letzteres das Stromkabel angeschlossen wurde, bootet der RPi und der Login Bildschirm wird angezeigt, wo nach dem Benutzernamen (hier: ubuntu) und nach dem Passwort (hier: Hshl2021) gefragt wird(Abb. 3).

Nach der Anmeldung auf dem Raspberry Pi, kann die IPv4-Adresse auf dem Start Bildschirm abgelesen werden.

Für den hier verwendeten RPi war die Ethernet IP-Adresse 172.31.14.89, wie in Abb. 4 zusehen ist. Und für WIFI war die IP-Adresse 192.168.10.102.

Abb 4: Beispiel IP-Adresse

PuTTY für die SSH Verbindung

Wie oben erwähnt, kann die freie Software PuTTY zur Herstellung von Secure Shell Verbindungen verwendet werden. Auf einem Pc mit Ubuntu wird PuTTY über die Kommandozeile installiert [1].

sudo apt-get install putty

Abb. 5: PuTTY Start Bildschirm

Nach der Installation kann über die folgenden Schritte SSH gestartet werden(Abb. 5):

1. starten von PuTTY über ein Terminal mit dem Befehl putty
2. Reiter Session auswählen
3. bei Host-Name die IP-Adresse des RPi angeben
4. als Connection Type SSH auswählen
5. überprüfen ob Port 22 eingestellt ist
6. gegeben falls spezifischen Namen geben
7. mit save die Ip-Adresse abspeichern
8. auf Open klicken, um SSH zu starten

Dann öffnet sich ein neues Fenster, wo sich mit den zuvor gezeigten Anmeldedaten(username: ubuntu, Passwort: Hshl2021) auf dem RPi angemeldet werden kann.

Nach dem Anmelden sieht der PuTTY-Bildschirm, wie in Abb. 6 gezeigt aus. Hier ist außerdem zusehen das die SSH-Verbindung über WIFI hergestellt wurde und die IP-Adresse eine andere ist, wie bei Ethernet.

Um die IP-Adressen auseinander zuhalten, ist es am besten, bei der ersten Nutzung des RPi's die IP-Adressen einmal nachzuschauen.

Abb. 6: PuTTY Login Bildschirm

Nun ist die SSH-Verbindung über PuTTY hergestellt.

SSH über ein Terminal verwenden

Eine SSH-Verbindung über ein Ubuntu Terminal herzustellen ist im Vergleich zu PuTTY einfacher.

Dafür muss nur der Befehl ssh username@IP-Adresse [2] in einem Terminal eingegeben werden. Danach erscheint direkt im Terminal der Login-Bildschirm.

Hier kann sich wie gewohnt mit den genannten Daten angemeldet werden.

Microcontroller coding mit der Integration von ROS2

In diesem Abschnitt wird die Programmierung des Raspberry Pi's mit ROS2 beschrieben. Dazu gehört die Motorsteuerung, genau sowie die Infrarot Sensoren 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.

Da es beim ausführen von den Codes auf dem RPi zu dem Fehler "RuntimeError: Not running on a RPi!" kam, können die folgenden Befehle helfen. Die hier genannten Befehle müssen bei jedem Neustart des RPi's erneut ausgeführt werden.

Die ersten beiden Befehle zeigen, ob gpiomem schon vorhanden ist.

ls -l /dev/ gpiomem

Ausgabe: crw-rw---- 1 root dialout 239, 0 Apr 1 17:23 /dev/gpiomem

groups

Ausgabe: ubuntu adm dialout cdrom floppy sudo audio dip video plugdev netdev lxd

Um gpiomem dann zu erlauben sind die folgenden zwei Befehle erforderlich.

sudo chown root.gpio /dev/gpiomem

sudo chmod g+rw /dev/gpiomem

Um mit der Programmierung zu beginnen wurde ein Ros2 Workspace mit einem source Ordner erstellt.

mkdir ros_ws

cd ros_ws

mkdir src

In dem source Ordner wurde dann das ROS2 Package mit den benötigten Bibliotheksabhängigkeiten erstellt. Dazu gehören rclpy, der ROS2 Client Library für Python und std_msgs, um die Standard Nachrichten, wie Int8, Float64 oder String in ROS2 nutzen zu können.
ros2 pkg create --build-type ament_python packagename(z.B. sensor_test) --dependencies rclpy std_msgs

Ultraschall Hindernisumfahrung

Zuletzt wurde die Hindernisumfahrung mit dem Ultraschallsensor implementiert. Die Motoren werden wie bei den anderen Programmen angesteuert. Der Code wird mit einem Servomotor, um den Ultraschallsensor nach rechts und links zu drehen, erweitert und die Infrarotsensoren werden durch den Ultraschallsensor ersetzt.

Dazu wurden die beiden Dateien slave_Sonar.py und master_Sonar.py erstellt.

Abb. 17 Ultraschall Hindernisumfahrung

Bei der Implementierung lag zunächst die Schwierigkeit, dass die Master-Node die Sensordaten nicht zum richtigen Zeitpunkt erhalten hat. So wurden zum Beispiel die Sensordaten für rechts und links gepublished, sind aber erst im zweiten durchlauf der Master-Node bei dem subscriber angekommen.

Der funktionierende Code kann in dem SVN-Repository unten in diesem Artikel unter Demo nachgeschlagen werden.

Der Ablauf für die Hindernisumfahrung mit Ultraschallsensor ist in Abb. 17 dargestellt.

Hier wurde wie bei der Infrarot-Hindernisumfahrung eine Launch-file erstellt, welche zunächst gestartet wurden muss.

ros2 launch sensor_test alphabot_Sonar_launch.py

Wenn die launch-file ausgeführt wurde, fährt der AlphaBot los und die Slave-Node published die Sensordaten über die Topic Sonar/middle an die Master-Node.

Anhand dieser Daten überprüft die Master-Node über eine if-Schleife, ob die Entfernung kleiner 50 ist. Solange der Wert über 50 ist, wird die Nachricht "forward" gepublished und der AlphaBot fährt geradeaus.

Wenn die Entfernung kleiner 50 wird, hält die Slave-Node bei erhalt der Nachricht "stop" von der Master-Node, den AlphaBot an. Weiter published die Master-Node die Nachricht "lookRight". Wenn die Slave-Node diese Nachricht erhält, steuert sie die GPIO Pins für den Servomotor an, um den Sensor nach rechts zu drehen. Das funktioniert mit dem sogenannten DutyCycle.

self.p.ChangeDutyCycle(2.5)

Dann published die Master-Node "rightData" und nachdem die Slave-Node das erhalten hat, published sie die Sensordaten über die Topic "Sonar/right".

Mit dem gleichen Prinzip wird der Sensor als nächstes nach links gedreht. Das passiert über die Nachrichten "lookLeft" und "leftData".

Zuletzt wird der Ultraschallsensor mit der Nachricht "lookForward" und dem entsprechendem DutyCylce 7.5 zur Ausgangsposition zurückgedreht.

Die Master-Node wertet die Daten über eine weitere if-Schleife aus und published die Nachricht, in welche Richtung der AlphaBot fahren kann.

So wird "backward" gepublished, wenn links und rechts der Wert kleiner 50 ist, oder "right", wenn der rechte Wert größer ist wie der linke Wert. Und ansonsten wird "left" gepublished.

Die Slave-Node steuert anhand der erhaltenden Nachricht die GPIO Pins an, um das Hindernis zu umfahren.

In dem hier gezeigten Sequenzdiagramm wird die Kommunikation zwischen Master und Slave aufgezeigt(Abb.18).

So ist zusehen, wann die Slave Sensordaten an den Master published und wann der Master Movements an die Slave published.

Abb. 18 Ultraschall Hindernisumfahrung Sequenzdiagramm

Die Terminalausgabe während das Programm ausgeführt wird, könnte wie in Abb. 19 aussehen.

Dort ist zu erkenne, dass nur middle_data gepublished wird bis dieser Wert unter 50 fällt.

Dann werden zusätzlich die Sensordaten für links und rechts gepublished, nachdem der Servo nach rechts und links gedreht wurde.

Abb. 19 Ultraschall Hindernisumfahrung

In dem RQT-Graph zur Ultraschall Hindernisumfahrung wurden die Sensordaten Topics zu einer Gruppe zusammengefasst, da nur ein Ultraschallsensor mit 3 ROS2 Topics verwendet wurde(Abb. 20).

Das wurde gemacht, um die Sensordaten für links, Mitte und rechts auseinander zuhalten.

Allgemein ist das Prinzip, wie bei der Infrarot Hindernisumfahrung, nur das die Slave über drei verschiedene Topics die Sensordaten published.

Und über die cmd_vel Topic werden zusätzlich die Servo-Movements gepublished.

Abb. 20 Ultraschall RQT-Graph

Kommunikation Raspberry Pi mit ROS2

Demo

Checkout URL : https://svn.hshl.de/svn/Robotik_und_Autonome-Systeme/trunk/Projekte/AlphaBot_PI_ROS2/

Der Code kann direkt aus dem SVN-Verzeichnis ausgeführt werden.

#	Name
1	Motortest
2	Infrared_Obstacle_Avoidance
3	Ultrasonic_Obstacle_Avoidance

Schritt für Schritt Anleitung unter Ubuntu um den Code auszuführen:

1. ein neues Terminal öffnen
2. zum Verzeichnis des Packages gehen cd svn/Projekte/AlphaBot_PI_ROS2
3. colcon build beziehungsweise colcon build --packages-select sensor_test zum kompilieren des ROS2 Codes ausführen
4. . install/setup.bash

1. Motortest:

1. ros2 run sensor_test Motortest im Terminal ausführen
2. Manuelle Nachricht publishen ros2 topic pub /cmd_vel std_msgs/msg/String '{data: forward}'
3. durch STRG C das publishen der Nachricht stoppen

2. Infrared_Obstacle_Avoidance:

1. ros2 launch sensor_test alphabot_IR_launch.py im Terminal ausführen
2. AlpaBot fährt autonom und umfährt Hindernisse mit Infrarotsensoren

3. Ultrasonic_Obstacle_Avoidance:

1. ros2 launch sensor_test alphabot_Sonar_launch.py im Terminal ausführen
2. AlpaBot fährt autonom und umfährt Hindernisse mit Ultraschallsensor

Weiterführende Links

• PuTTY Installation

---

→ zurück zum Hauptartikel: Robot Operating System2 (ROS2)