إتقان نظام تشغيل الروبوت (ROS): دليل عالمي لبرمجة ROS

يتطور مجال الروبوتات بسرعة، مع التطورات في الذكاء الاصطناعي، وتعلم الآلة، والأتمتة التي تشكل الصناعات في جميع أنحاء العالم. يكمن في قلب هذا التطور التكنولوجي نظام تشغيل الروبوت (ROS)، وهو إطار عمل مرن وقوي أصبح أداة لا غنى عنها لتطوير الروبوتات. تم تصميم هذا الدليل الشامل لجمهور عالمي من المهندسين والباحثين والطلاب والمتحمسين المتحمسين لفهم والاستفادة من برمجة ROS لبناء أنظمة روبوتية متطورة.

ما هو نظام تشغيل الروبوت (ROS)؟

ROS ليس نظام تشغيل بالمعنى التقليدي، مثل Windows أو Linux. بدلاً من ذلك، هو برمجيات وسيطة مرنة توفر مجموعة من المكتبات والأدوات والاتفاقيات لإنشاء برامج الروبوت. تم تطوير ROS في البداية بواسطة Willow Garage ويتم صيانته الآن من قبل مجتمع ROS، وهو يوفر طريقة موحدة لكتابة برامج الروبوت التي يمكن مشاركتها وإعادة استخدامها بسهولة عبر الروبوتات والتطبيقات المختلفة. إنه بمثابة طبقة اتصال، مما يتيح لمكونات مختلفة من نظام الروبوت - مثل المستشعرات والمشغلات وخوارزميات الملاحة وواجهات المستخدم - التفاعل بسلاسة.

المبادئ الأساسية لـ ROS

تم بناء ROS على عدة مبادئ أساسية تساهم في مرونته وقوته:

• هندسة لا مركزية: يشجع ROS على بنية موزعة لتمرير الرسائل. بدلاً من برنامج واحد متجانس، يتم تقسيم وظائف الروبوت إلى عمليات أصغر ومستقلة تسمى العقد.
• نشر - الاشتراك في الاتصال: تتصل العقد ببعضها البعض عن طريق نشر الرسائل إلى المواضيع والاشتراك في المواضيع من العقد الأخرى. هذا يفصل العقد، مما يسمح لها بالتطور بشكل مستقل.
• الحزم: يتم تنظيم كود ROS في حزم، وهي وحدات مستقلة بذاتها يمكن أن تتضمن عقدًا ومكتبات وملفات تكوين والمزيد. تسهل هذه النمطية إعادة استخدام التعليمات البرمجية والتعاون.
• الأدوات والمرافق: يأتي ROS مع نظام بيئي غني بالأدوات للتصور (مثل RViz)، والمحاكاة (مثل Gazebo)، وتصحيح الأخطاء، وتسجيل البيانات (rosbag)، والمزيد، مما يبسط عملية التطوير بشكل كبير.

لماذا تختار ROS لمشاريع الروبوتات الخاصة بك؟

إن الاعتماد الواسع النطاق لـ ROS عبر المؤسسات البحثية والصناعات في جميع أنحاء العالم هو شهادة على مزاياه العديدة:

• المصدر المفتوح والمجتمع المدفوع: ROS مجاني للاستخدام ولديه مجتمع عالمي نابض بالحياة يساهم بنشاط في تطويره، مما يوفر مجموعة واسعة من الحزم والموارد الداعمة المبنية مسبقًا.
• تجريد الأجهزة: يقوم ROS بتجريد الكثير من تعقيدات الأجهزة منخفضة المستوى، مما يسمح للمطورين بالتركيز على وظائف الروبوت عالية المستوى.
• التوافق عبر الأنظمة الأساسية: على الرغم من أنه تم تطويره في الأصل على Linux (Ubuntu)، إلا أنه يمكن أيضًا استخدام ROS على macOS وWindows، مما يسهل الوصول إليه على نطاق أوسع.
• النظام البيئي الغني: تتوفر ثروة من المكتبات والأدوات لمهام مثل الملاحة والتلاعب والإدراك والتفاعل بين الإنسان والروبوت، وغالبًا ما يتم دمجها مع المستشعرات ومنصات الأجهزة الشائعة.
• قابلية التوسع والنمطية: تسمح البنية القائمة على العقد ببناء أنظمة معقدة من مكونات بسيطة وقابلة لإعادة الاستخدام، مما يجعل من السهل توسيع نطاق سلوكيات الروبوت وتعديلها.

برمجة ROS: اللبنات الأساسية

تتضمن برمجة ROS فهم مكوناته الأساسية وكيفية تفاعلها. اللغة الأساسية لتطوير ROS هي Python و C++، مما يمنح المطورين الاختيار بناءً على متطلبات الأداء والتفضيل الشخصي.

العقد

كما ذكرنا، العقد هي الوحدات الأساسية للحساب في ROS. تؤدي كل عقدة عادةً مهمة محددة، مثل التحكم في محرك أو قراءة بيانات المستشعر أو تنفيذ خوارزمية تخطيط المسار. تتصل العقد ببعضها البعض من خلال الرسائل.

مثال: قد تكون العقدة مسؤولة عن قراءة البيانات من مستشعر IMU (وحدة القياس بالقصور الذاتي) ونشرها كرسالة sensor_msgs/Imu.

المواضيع

المواضيع هي ناقلات مسماة تسمح للعقد بتبادل البيانات. تقوم العقدة التي تنتج البيانات (ناشر) بإرسال رسائل إلى موضوع ما، ويمكن للعقد الأخرى (المشتركين) المهتمة بهذه البيانات تلقي هذه الرسائل من الموضوع. يعد نموذج النشر والاشتراك هذا أساسيًا لطبيعة ROS اللامركزية.

مثال: قد تنشر عقدة تنشر صورًا من الكاميرا إلى موضوع يسمى /camera/image_raw. ستشترك عقدة أخرى تقوم باكتشاف الكائنات في هذا الموضوع.

الرسائل

الرسائل عبارة عن هياكل بيانات تستخدم للتواصل بين العقد. يحدد ROS أنواع الرسائل القياسية لبيانات الروبوت الشائعة، مثل قراءات المستشعر والأوضاع والأوامر. يمكن للمطورين أيضًا تحديد أنواع رسائل مخصصة لتناسب احتياجات التطبيق المحددة.

أنواع الرسائل الشائعة:

• std_msgs/String: رسالة سلسلة بسيطة.
• geometry_msgs/Twist: يستخدم لإرسال أوامر السرعة (خطية وزاوية).
• sensor_msgs/Image: يمثل بيانات الصورة من الكاميرا.
• nav_msgs/Odometry: يحتوي على معلومات عن وضع الروبوت وسرعته.

الخدمات

بينما يتم استخدام المواضيع لتدفقات البيانات المستمرة، يتم استخدام الخدمات لاتصال الطلب والاستجابة. يمكن لعقدة العميل استدعاء خدمة مقدمة من عقدة الخادم، وستقوم عقدة الخادم بتنفيذ إجراء وإرجاع استجابة. تعد الخدمات مفيدة للعمليات التي لا تتطلب تدفقًا مستمرًا للبيانات، مثل إعادة تعيين حالة الروبوت أو إجراء عملية حسابية معينة.

مثال: يمكن استخدام خدمة لتشغيل روبوت للانتقال إلى موقع هدف معين، مع قيام الخدمة بإرجاع حالة النجاح أو الفشل.

الإجراءات

توفر الإجراءات واجهة ذات مستوى أعلى لتنفيذ المهام طويلة الأجل مع التعليقات. إنها مناسبة للأهداف التي تستغرق وقتًا لإكمالها وتتطلب مراقبة مستمرة. تتكون الإجراءات من هدف وملاحظات ونتيجة.

مثال: يمكن لخادم إجراء التنقل قبول هدف geometry_msgs/PoseStamped لموقع هدف. ثم سيوفر تعليقات مستمرة حول تقدم الروبوت وإرجاع نتيجة تشير إلى ما إذا تم الوصول إلى الهدف بنجاح.

البدء في برمجة ROS

إن الشروع في رحلة برمجة ROS الخاصة بك هو خطوة مثيرة. إليك خريطة طريق لتبدأ:

1. التثبيت

الخطوة الأولى هي تثبيت ROS على جهاز التطوير الخاص بك. ROS هو الأكثر استقرارًا ويدعمه على نطاق واسع على Ubuntu Linux. تتضمن عملية التثبيت عادةً:

• إضافة مستودع ROS إلى نظامك.
• تثبيت توزيع ROS (مثل ROS Noetic Ninjemys، ROS 2 Humble Hawksbill).
• إعداد بيئة ROS الخاصة بك.

توفر ويكي ROS الرسمية (wiki.ros.org) إرشادات تثبيت مفصلة خاصة بالتوزيع لأنظمة التشغيل المختلفة.

2. فهم أدوات ROS

تعرف على أدوات سطر أوامر ROS الأساسية:

• roscore: العقدة الرئيسية التي تدير وتنسق جميع العقد الأخرى.
• rosrun: ينفذ عقدة ROS من حزمة.
• roslaunch: يقوم بتشغيل عقدة ROS واحدة أو أكثر باستخدام ملف تشغيل (تنسيق XML)، مما يبسط بدء تشغيل النظام المعقد.
• rostopic: يفحص ويتفاعل مع المواضيع (يسرد المواضيع، ويردد الرسائل، وينشر الرسائل).
• rosservice: يفحص ويتفاعل مع الخدمات.
• rosnode: يسرد ويفحص العقد.

3. إنشاء حزمة ROS الأولى الخاصة بك

حزمة ROS هي الوحدة الأساسية لتنظيم البرامج. ستتعلم كيفية إنشاء حزم تحتوي على العقد والبرامج النصية وملفات التكوين الخاصة بك.

خطوات إنشاء حزمة:

1. انتقل إلى دليل src الخاص بمساحة عمل ROS.
2. استخدم الأمر: catkin_create_pkg my_package_name roscpp rospy std_msgs (لـ ROS 1) أو ros2 pkg create --build-type ament_cmake my_package_name (لـ ROS 2).

ينشئ هذا الأمر دليلاً جديدًا مع ملفات حزمة ROS القياسية مثل package.xml و CMakeLists.txt (لـ C++) أو setup.py (لـ Python).

4. كتابة عقد ROS

تتضمن كتابة عقد ROS استخدام مكتبات عميل ROS (roscpp لـ C++ و rospy لـ Python) لإنشاء ناشرين ومشتركين وعملاء/خوادم خدمة وعملاء/خوادم إجراءات.

مثال Python (ROS 1 `rospy`): ناشر بسيط

import rospy
from std_msgs.msg import String

def talker():
    pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)
    rospy.init_node('talker', anonymous=True)
    rate = rospy.Rate(1) # 1hz
    while not rospy.is_shutdown():
        hello_str = "hello world %s" % rospy.get_time()
        rospy.loginfo(hello_str)
        pub.publish(hello_str)
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        talker()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

مثال C++ (ROS 1 `roscpp`): ناشر بسيط

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

int main(int argc, char **argv)
{
  ros::init(argc, argv, "talker");
  ros::NodeHandle nh;
  ros::Publisher chatter_pub = nh.advertise("chatter", 1000);
  ros::Rate loop_rate(1);

  while (ros::ok())
  {
    std_msgs::String msg;
    msg.data = "Hello World";
    chatter_pub.publish(msg);
    
    ros::spinOnce();

    loop_rate.sleep();
  }

  return 0;
}

5. تجميع مساحة العمل الخاصة بك

بعد إنشاء حزم ROS أو تعديلها، تحتاج إلى تجميع مساحة العمل الخاصة بك باستخدام catkin_make (ROS 1) أو colcon build (ROS 2). تقوم هذه العملية ببناء عقد C++ الخاصة بك وتجعل برامج Python النصية الخاصة بك قابلة للاكتشاف بواسطة ROS.

ROS 1:

cd ~/catkin_ws # أو دليل مساحة العمل الخاصة بك
catkin_make
source devel/setup.bash

ROS 2:

cd ~/ros2_ws # أو دليل مساحة العمل الخاصة بك
colcon build
source install/setup.bash

مفاهيم وتطبيقات ROS المتقدمة

بمجرد أن تستوعب الأساسيات، يمكنك استكشاف مفاهيم وتطبيقات ROS الأكثر تقدمًا:

حزمة تنقل ROS

حزمة تنقل ROS عبارة عن مجموعة قوية من الأدوات لتمكين الروبوتات المتنقلة من التنقل في بيئتها بشكل مستقل. فهو يتعامل مع مهام مثل:

• التخطيط العالمي: العثور على مسار من البداية إلى موضع الهدف على الخريطة.
• التخطيط المحلي: إنشاء أوامر السرعة لاتباع المسار العالمي مع تجنب العقبات المباشرة.
• تحديد الموقع: تقدير وضع الروبوت على الخريطة.
• إدارة الخرائط: إنشاء واستخدام خرائط شبكة الإشغال.

تعتبر هذه الحزمة ضرورية لتطبيقات مثل روبوتات المستودعات المستقلة وطائرات التوصيل بدون طيار وروبوتات الخدمة التي تعمل في بيئات متنوعة.

معالجة ROS

بالنسبة للروبوتات ذات الأذرع أو الماسكات، يوفر ROS مكتبات وأدوات للمعالجة. يتضمن هذا:

• MoveIt!: إطار عمل مستخدم على نطاق واسع لتخطيط الحركة والتحقق من التصادم والتحكم في الأذرع الروبوتية.
• الإدراك: مكتبات لمعالجة بيانات المستشعر ثلاثية الأبعاد (على سبيل المثال، من الكاميرات ذات العمق) لاكتشاف الكائنات وتقدير أوضاعها.
• الإمساك: خوارزميات لتخطيط وتنفيذ عمليات الإمساك بالأشياء.

تعتبر هذه القدرات ضرورية للأتمتة الصناعية والجراحة الروبوتية ومهام التجميع.

ROS للإدراك

الإدراك هو حجر الزاوية في الروبوتات الحديثة، مما يمكّن الروبوتات من فهم محيطها. يتكامل ROS بسلاسة مع العديد من مكتبات رؤية الكمبيوتر ومعالجة المستشعرات:

• OpenCV: مكتبة أساسية لمعالجة الصور ومهام رؤية الكمبيوتر.
• PCL (مكتبة السحابة النقطية): لمعالجة بيانات المستشعر ثلاثية الأبعاد مثل عمليات مسح LiDAR.
• عقد رؤية الكمبيوتر: عقد مبنية مسبقًا لمهام مثل اكتشاف الكائنات (على سبيل المثال، باستخدام YOLO، SSD)، ومطابقة الميزات، و SLAM (تحديد الموقع ورسم الخرائط المتزامنين).

تعتبر هذه الأدوات ضرورية للروبوتات التي تعمل في بيئات ديناميكية وغير منظمة، مثل المركبات المستقلة وطائرات التفتيش بدون طيار.

ROS وتكامل الذكاء الاصطناعي/التعلم الآلي

إن التآزر بين ROS والذكاء الاصطناعي/التعلم الآلي يغير الروبوتات بشكل عميق. يعمل ROS كمنصة مثالية لنشر واختبار نماذج ML:

• تكامل TensorFlow/PyTorch: يمكن تطوير عقد ROS لتشغيل الاستدلال لنماذج ML، مما يتيح مهام مثل التعرف المتقدم على الكائنات والتجزئة الدلالية والتحكم القائم على التعلم المعزز.
• جمع البيانات: أداة rosbag الخاصة بـ ROS لا تقدر بثمن لجمع مجموعات بيانات كبيرة من المستشعرات، والتي يتم استخدامها بعد ذلك لتدريب نماذج ML.
• نقل المحاكاة إلى الواقع: تتيح المحاكيات مثل Gazebo، المدمجة مع ROS، تدريب الروبوتات في بيئات افتراضية قبل نشرها على أجهزة فعلية، وهو جانب حاسم في الروبوتات الحديثة للذكاء الاصطناعي.

ROS 2: الجيل التالي

ROS 2 هو تطور كبير لإطار عمل ROS الأصلي، حيث يعالج القيود ويتضمن ميزات جديدة لتطوير الروبوتات الحديثة:

• دعم الوقت الفعلي: دعم محسّن لأنظمة التحكم في الوقت الفعلي.
• أنظمة روبوتات متعددة: قدرات محسنة لتنسيق روبوتات متعددة.
• الأمان: ميزات أمان مدمجة لاتصالات أكثر قوة.
• عبر الأنظمة الأساسية: دعم أفضل للمنصات بخلاف Linux، بما في ذلك Windows و macOS.
• DDS (خدمة توزيع البيانات): استبدلت طبقة اتصال ROS القديمة، مما يوفر أداءً وموثوقية محسّنين.

مع نضوج مشهد الروبوتات، أصبح فهم كل من ROS 1 و ROS 2 ذا أهمية متزايدة.

التأثير العالمي وتطبيقات ROS

يمتد تأثير ROS عالميًا، مما يمكّن الابتكار عبر قطاعات مختلفة:

• المركبات ذاتية القيادة: تستخدم الشركات والمؤسسات البحثية في جميع أنحاء العالم ROS لتطوير تقنيات السيارات ذاتية القيادة، والاستفادة من قدرات الملاحة والإدراك والتحكم الخاصة بها.
• الأتمتة الصناعية: يستخدم المصنعون ROS للروبوتات الذكية على خطوط التجميع وفي الخدمات اللوجستية وللتفتيش على الجودة. يمكن العثور على أمثلة في مصانع السيارات في ألمانيا وتصنيع الإلكترونيات في آسيا والمستودعات الآلية في أمريكا الشمالية.
• الرعاية الصحية: غالبًا ما تستخدم أنظمة الجراحة الروبوتية وروبوتات مساعدة المرضى ومنصات أتمتة المختبرات ROS للتحكم الدقيق والتفاعل.
• الزراعة: تتبنى الجرارات المستقلة والطائرات بدون طيار للرش الدقيق وروبوتات الحصاد في المراكز الزراعية في جميع أنحاء أوروبا وأمريكا الشمالية وأستراليا ROS بشكل متزايد.
• البحث والتعليم: ROS هي عنصر أساسي في الجامعات والمختبرات البحثية على مستوى العالم، مما يعزز الجيل القادم من علماء الروبوتات والباحثين في مجال الذكاء الاصطناعي.

التحديات وأفضل الممارسات في برمجة ROS

في حين أن ROS قوي، إلا أن التطوير الفعال يتطلب الاهتمام ببعض التحديات والالتزام بأفضل الممارسات:

التحديات

• تصحيح الأخطاء في الأنظمة المعقدة: قد يكون تصحيح الأخطاء في الأنظمة الموزعة معقدًا. يعد إتقان أدوات ROS مثل rqt_graph و rosbag أمرًا ضروريًا.
• تحسين الأداء: بالنسبة للمهام عالية التردد أو الروبوتات ذات الموارد المحدودة، يعد تحسين عقد C++ وتسلسل الرسائل الفعال أمرًا بالغ الأهمية.
• الأداء في الوقت الفعلي: يتطلب تحقيق التحكم الحقيقي في الوقت الفعلي في ROS تكوينًا دقيقًا للنظام وغالبًا ما يتطلب أنظمة تشغيل متخصصة في الوقت الفعلي (RTOS). يوفر ROS 2 أساسًا أفضل لذلك.
• التكامل مع الأنظمة الحالية: قد يمثل دمج ROS مع الأجهزة القديمة أو البرامج الاحتكارية تحديات التوافق.

أفضل الممارسات

• التصميم المعياري: قسّم المهام المعقدة إلى عقد صغيرة قابلة لإعادة الاستخدام.
• اتفاقيات التسمية الواضحة: استخدم أسماء وصفية للعقد والمواضيع والمعلمات.
• وثائق شاملة: وثّق حزمك وعقدك بدقة.
• التحكم في الإصدار: استخدم Git أو أنظمة أخرى للتحكم في الإصدار للتطوير التعاوني.
• المحاكاة: استفد من المحاكيات مثل Gazebo على نطاق واسع للاختبار والتطوير قبل النشر على الأجهزة الفعلية.
• اعتماد ROS 2: بالنسبة للمشاريع الجديدة، فكر في البدء بـ ROS 2 نظرًا لهندسته الحديثة وميزاته المحسنة.

مستقبل برمجة ROS

يرتبط تطور ROS ارتباطًا وثيقًا بالتقدم في الروبوتات والذكاء الاصطناعي. مع تزايد الطلب على الأنظمة الذكية والمستقلة، سيظل ROS إطار عمل حيويًا. من المرجح أن تركز التطورات المستقبلية على:

• دعم محسّن للحوسبة الطرفية والأنظمة المدمجة.
• أدوات نشر وتكامل أكثر تطوراً للذكاء الاصطناعي/التعلم الآلي.
• أمان سيبراني وميزات أمان محسنة.
• قابلية تشغيل أكبر مع أطر ومعايير الروبوتات الأخرى.

الخلاصة

تعد برمجة نظام تشغيل الروبوت (ROS) مهارة أساسية لأي شخص يطمح إلى بناء أنظمة روبوتية حديثة. إن بنيته المرنة ومكتباته الواسعة ومجتمعه العالمي النابض بالحياة تجعله أداة لا مثيل لها للابتكار. من خلال فهم مبادئه الأساسية وإتقان أدواته وتبني أفضل الممارسات، يمكنك إطلاق العنان لإمكانات ROS لإنشاء روبوتات ذكية ستشكل الصناعات وتحسن حياة الناس في جميع أنحاء العالم. سواء كنت تعمل على مركبات مستقلة في كاليفورنيا، أو أتمتة صناعية في اليابان، أو بحث في أوروبا، فإن ROS يوفر لغة مشتركة وأدوات لدفع التقدم الروبوتي.