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 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 soll mit 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.
NF7	Es kann Secure Shell(SSH) zur Nutzung des Raspberry Pi's verwendet werden.
NF8	Für eine SSH-Verbindung kann PuTTY verwendet werden.

Hardware

Software

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

Damit SSH genutzt werden kann muss es auf dem Raspberry Pi zuerst aktiviert werden. Dazu sind folgende Schritte wie in Abb. 1 gezeigt zu befolgen:

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

IP-Adresse des RPi herausfinden

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. 2).

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. 3 zusehen ist.

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

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

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

Dann öffnet sich ein neues Fenster, wo sich mit den zuvor gezeigten Anmeldedaten auf dem RPi angemeldet werden kann.

Nach dem Anmelden sieht der PuTTY-Bildschirm, wie in Abb. 6 gezeigt aus. Hier ist ausßerdem zusehen das die WIFI(wlan0) 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 zu überprüfen.

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. Für mehr Informationen siehe hier: Raspberry Pi

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. Weiteres wurde dazu nicht gefunden.

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

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

Motorsteuerung

Es wurde damit begonnen die Motoren zu testen. Dazu wurde eine ROS2 Node namens slave.py erstellt, welche zu diesem Zeitpunkt die Programmierung zur Steuerung der Motor GPIO Pins beinhaltet.

Der Ablauf beginnt damit, dass die slave.py beziehungsweise der subscriber ausgeführt wird.

Danach ist der subscriber in einer Art Standby Modus und wartet auf eingehende Nachrichten.

Im nächsten Schritt sendet jemand manuell eine Movement Nachricht an den subscriber. Diese Nachricht wird in einer Dauerschleife gesendet.

Und der subcriber empfängt dann die zuvor gesendete Nachricht.

Um das Programm zu starten, muss das Package zuerst mit colcon build kommpeliert und mit . install/setup.bash installiert werden. Für dieses Motortestprogramm wurde die Node motor_subcriber genannt. Diese kann in einem Terminal unter Ubuntu auf dem RPi mit dem Befehl "ros2 run sensor_test slave.py" gestartet werden.

Nachdem die motor_subscriber-Node gestartet wurde, wartet sie auf eingehende Nachrichten. Die Motoren wurden zuerst manuell mit dem Befehl ros2 topic pub gesteuert.

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

So sendet eine Person eine Nachricht an die motor_subscriber Node. Hier werden die eingehenden Nachrichten ausgewertet und über eine If else Funktion entscheidet das Programm danach welche GPIO.Pins angesteuert werden müssen.

In diesem Fall wird der motor_subscriber-Node die Nachricht forward gesendet und und der AlphaBot fährt vorwärts.

So fährt der Roboter vorwärts und die Nachricht wird in einer Dauerschleife immer wieder an die Node gesendet bis diese Schleife mit der Tastenkombination STRG C beendet wird. Dann kann über den oben genannten Befehl eine neue Nachricht (z.B. right an stelle von forward) an die Node gesendet werden.

In Abb. 8 ist zusehen wie die selbst versendete Nachricht versendet wird und die slave die Nachricht empfängt.

Infrarot Hindernisumfahrung

Nachdem die Motoren mit ROS2 implementiert und getestet wurden, wurde die Hindernisumfahrung mit Infrarotsensoren implementiert. Hierfür wurden zwei neue Dateien mit den Namen "master_IR.py" und "slave_IR.py" in dem source Ordner des ROS2 Packages erstellt.

Über die master_IR.py wurde die Master-Node implementiert. Diese bekommt Sensordaten von der Slave-Node und entscheidet anhand der Sensordaten was die Slave machen soll. Die slave_IR.py ist wie bei der Motorsteuerung oben, nur das sie nicht nur die Motoren anhand von Nachrichten ansteuert, sondern auch die Sensordaten ausließt und an die Master-Node sendet.

Zudem wurde eine launch file erstellt, um den master und die slave mit einem Befehl starten zu können. Der code für die Launch-file ist in der svn-Repository zu finden.

ros2 launch sensor_test alphabot_IR_launch.py

In Abb 10 ist dazu ein Beispiel, wie der master und die slave miteinander kommunizieren.

So fährt der Roboter vorwärts wenn für beide Sensoren eine "1" ausgelesen wird. Wenn z.B. der rechte Sensor eine "0" und der linke eine "1" angibt, dann ist rechts ein Hindernis und der master sendet der Slave die Nachricht "left", sodass der AlphaBot nach links fährt. In der Abb. 10 ist dieser Ablauf noch einmal Graphisch dargestellt.

In ROS2 können die Programmierten Nodes und Topics in einem RQT-Graph grafisch Dargestellt werden wie schon in den ROS2 Tutorials gezeigt. Für die Infrarot Hindernisumfahrung könnte der Graph dann wie in Abb. 11 gezeigt aussehen.

Dort ist zusehen das der master zu den beiden Topics "IR_right und IR_left" subscript und über die Topic "cmd_vel" published. Auf der anderen Seite, die Slave, published über die Topics "IR_right und IR_left" und subscript zur Topic "cmd_vel".