M

MLOG

Čeština

Hloubkový průzkum programování v ROS pro nadšence do robotiky po celém světě, pokrývající jeho základní koncepty, vývoj a praktické aplikace pro tvorbu inteligentních systémů.

Zvládnutí Robot Operating System (ROS): Globální průvodce programováním v ROS

Oblast robotiky se rychle vyvíjí a pokroky v umělé inteligenci, strojovém učení a automatizaci formují průmyslová odvětví po celém světě. V srdci této technologické revoluce leží Robot Operating System (ROS), flexibilní a výkonný framework, který se stal nepostradatelným nástrojem pro vývoj robotů. Tento komplexní průvodce je určen pro globální publikum inženýrů, výzkumníků, studentů a nadšenců, kteří chtějí porozumět a využít programování v ROS k vytváření sofistikovaných robotických systémů.

Co je Robot Operating System (ROS)?

ROS není operační systém v tradičním slova smyslu, jako jsou Windows nebo Linux. Místo toho se jedná o flexibilní middleware, který poskytuje sadu knihoven, nástrojů a konvencí pro tvorbu softwaru pro roboty. ROS, původně vyvinutý společností Willow Garage a nyní udržovaný komunitou ROS, nabízí standardizovaný způsob psaní softwaru pro roboty, který lze snadno sdílet a znovu používat na různých robotech a v různých aplikacích. Funguje jako komunikační vrstva, která umožňuje různým komponentám robotického systému – jako jsou senzory, aktuátory, navigační algoritmy a uživatelská rozhraní – bezproblémovou interakci.

Klíčové principy ROS

ROS je postaven na několika základních principech, které přispívají k jeho flexibilitě a výkonu:

Proč zvolit ROS pro vaše robotické projekty?

Široké přijetí ROS ve výzkumných institucích a průmyslových odvětvích po celém světě je důkazem jeho četných výhod:

Programování v ROS: Stavební kameny

Programování v ROS zahrnuje porozumění jeho základním komponentám a jejich vzájemné interakci. Primárními jazyky pro vývoj v ROS jsou Python a C++, což vývojářům nabízí volbu na základě požadavků na výkon a osobních preferencí.

Uzly (Nodes)

Jak již bylo zmíněno, uzly jsou základními výpočetními jednotkami v ROS. Každý uzel obvykle provádí specifický úkol, jako je ovládání motoru, čtení dat ze senzoru nebo provádění algoritmu pro plánování cesty. Uzly spolu komunikují prostřednictvím zpráv.

Příklad: Uzel může být zodpovědný za čtení dat ze senzoru IMU (Inerciální měřicí jednotka) a jejich publikování jako zprávy typu sensor_msgs/Imu.

Témata (Topics)

Témata jsou pojmenované sběrnice, které umožňují uzlům vyměňovat si data. Uzel, který produkuje data (publisher), posílá zprávy do tématu a ostatní uzly (subscribers), které se o tato data zajímají, mohou tyto zprávy z tématu přijímat. Tento model publish-subscribe je klíčem k decentralizované povaze ROS.

Příklad: Uzel publikující obrázky z kamery může publikovat do tématu s názvem /camera/image_raw. Jiný uzel provádějící detekci objektů by se k tomuto tématu přihlásil.

Zprávy (Messages)

Zprávy jsou datové struktury používané ke komunikaci mezi uzly. ROS definuje standardní typy zpráv pro běžná robotická data, jako jsou údaje ze senzorů, polohy a příkazy. Vývojáři mohou také definovat vlastní typy zpráv, aby vyhovovaly specifickým potřebám aplikace.

Běžné typy zpráv:

Služby (Services)

Zatímco témata se používají pro nepřetržité datové toky, služby se používají pro komunikaci typu požadavek-odpověď. Klientský uzel může zavolat službu poskytovanou serverovým uzlem a serverový uzel provede akci a vrátí odpověď. Služby jsou užitečné pro operace, které nevyžadují nepřetržitý tok dat, jako je resetování stavu robota nebo provedení specifického výpočtu.

Příklad: Službu lze použít k spuštění robota, aby se přesunul na konkrétní cílové místo, přičemž služba vrátí stav úspěchu nebo neúspěchu.

Akce (Actions)

Akce poskytují rozhraní vyšší úrovně pro provádění dlouhotrvajících úkolů se zpětnou vazbou. Jsou vhodné pro cíle, jejichž dokončení trvá určitou dobu a vyžadují neustálé sledování. Akce se skládají z cíle, zpětné vazby a výsledku.

Příklad: Akční server pro navigaci by mohl přijmout cíl typu geometry_msgs/PoseStamped pro cílové umístění. Poté by poskytoval nepřetržitou zpětnou vazbu o postupu robota a vrátil výsledek, zda bylo cíle úspěšně dosaženo.

Jak začít s programováním v ROS

Vydat se na cestu programování v ROS je vzrušující krok. Zde je plán, který vám pomůže začít:

1. Instalace

Prvním krokem je instalace ROS na váš vývojový stroj. ROS je nejstabilnější a nejvíce podporovaný na Ubuntu Linux. Instalační proces obvykle zahrnuje:

Oficiální ROS wiki (wiki.ros.org) poskytuje podrobné instalační pokyny specifické pro distribuci pro různé operační systémy.

2. Porozumění nástrojům ROS

Seznamte se se základními nástroji příkazového řádku ROS:

3. Vytvoření vašeho prvního balíčku ROS

Balíček ROS je základní jednotkou organizace softwaru. Naučíte se vytvářet balíčky, které obsahují vaše uzly, skripty a konfigurační soubory.

Kroky pro vytvoření balíčku:

  1. Přejděte do adresáře src vašeho pracovního prostoru ROS.
  2. Použijte příkaz: catkin_create_pkg my_package_name roscpp rospy std_msgs (pro ROS 1) nebo ros2 pkg create --build-type ament_cmake my_package_name (pro ROS 2).

Tento příkaz vytvoří nový adresář se standardními soubory balíčku ROS, jako jsou package.xml a CMakeLists.txt (pro C++) nebo setup.py (pro Python).

4. Psaní uzlů ROS

Psaní uzlů ROS zahrnuje použití klientských knihoven ROS (roscpp pro C++ a rospy pro Python) k vytvoření publisherů, subscriberů, klientů/serverů služeb a klientů/serverů akcí.

Příklad v Pythonu (ROS 1 `rospy`): Jednoduchý Publisher


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) # 1 Hz
    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

Příklad v C++ (ROS 1 `roscpp`): Jednoduchý Publisher


#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. Kompilace vašeho pracovního prostoru

Po vytvoření nebo úpravě balíčků ROS je třeba zkompilovat váš pracovní prostor pomocí catkin_make (ROS 1) nebo colcon build (ROS 2). Tento proces sestaví vaše C++ uzly a zajistí, aby byly vaše Python skripty pro ROS nalezitelné.

ROS 1:


cd ~/catkin_ws # Nebo adresář vašeho pracovního prostoru
catkin_make
source devel/setup.bash

ROS 2:


cd ~/ros2_ws # Nebo adresář vašeho pracovního prostoru
colcon build
source install/setup.bash

Pokročilé koncepty a aplikace ROS

Jakmile zvládnete základy, můžete prozkoumat pokročilejší koncepty a aplikace ROS:

Navigační balíček ROS (Navigation Stack)

Navigační balíček ROS je výkonná sada nástrojů, která umožňuje mobilním robotům autonomně se pohybovat ve svém prostředí. Zpracovává úkoly jako:

Tento balíček je klíčový pro aplikace jako jsou autonomní skladové roboty, doručovací drony a servisní roboty pracující v různých prostředích.

Manipulace v ROS

Pro roboty s rameny nebo chapadly poskytuje ROS knihovny a nástroje pro manipulaci. To zahrnuje:

Tyto schopnosti jsou nezbytné pro průmyslovou automatizaci, robotickou chirurgii a montážní úkoly.

ROS pro percepci

Percepce je základním kamenem moderní robotiky, který umožňuje robotům porozumět svému okolí. ROS se bezproblémově integruje s četnými knihovnami pro počítačové vidění a zpracování senzorických dat:

Tyto nástroje jsou životně důležité pro roboty pracující v dynamických a nestrukturovaných prostředích, jako jsou autonomní vozidla a inspekční drony.

Integrace ROS a AI/ML

Synergie mezi ROS a umělou inteligencí/strojovým učením hluboce proměňuje robotiku. ROS funguje jako ideální platforma pro nasazování a testování modelů ML:

ROS 2: Nová generace

ROS 2 je významným vývojem původního frameworku ROS, který řeší omezení a zahrnuje nové funkce pro moderní vývoj robotiky:

Jak robotická krajina dospívá, porozumění jak ROS 1, tak ROS 2 se stává stále důležitějším.

Globální dopad a aplikace ROS

Vliv ROS se rozšiřuje globálně a podporuje inovace v různých odvětvích:

Výzvy a osvědčené postupy v programování ROS

Ačkoliv je ROS výkonný, efektivní vývoj vyžaduje pozornost k určitým výzvám a dodržování osvědčených postupů:

Výzvy

Osvědčené postupy

Budoucnost programování v ROS

Vývoj ROS je úzce spjat s pokroky v robotice a AI. S rostoucí poptávkou po inteligentních, autonomních systémech bude ROS i nadále životně důležitým frameworkem. Budoucí vývoj se pravděpodobně zaměří na:

Závěr

Programování v Robot Operating System (ROS) je základní dovedností pro každého, kdo se snaží vytvářet moderní robotické systémy. Jeho flexibilní architektura, rozsáhlé knihovny a živá globální komunita z něj činí jedinečný nástroj pro inovace. Porozuměním jeho základním principům, zvládnutím jeho nástrojů a přijetím osvědčených postupů můžete odemknout potenciál ROS k vytváření inteligentních robotů, které budou formovat průmysl a zlepšovat životy po celém světě. Ať už pracujete na autonomních vozidlech v Kalifornii, průmyslové automatizaci v Japonsku nebo výzkumu v Evropě, ROS poskytuje společný jazyk a sadu nástrojů pro pokrok v robotice.

Zvládnutí Robot Operating System (ROS): Globální průvodce programováním v ROS | MLOG