فارسی

کاوشی عمیق در برنامه‌نویسی ROS برای علاقه‌مندان به رباتیک در سراسر جهان، شامل مفاهیم اصلی، توسعه و کاربردهای عملی آن برای ساخت سیستم‌های هوشمند.

تسلط بر سیستم عامل ربات (ROS): راهنمای جهانی برای برنامه‌نویسی ROS

حوزه رباتیک به سرعت در حال تحول است و پیشرفت‌ها در هوش مصنوعی، یادگیری ماشین و اتوماسیون، صنایع مختلف را در سراسر جهان شکل می‌دهد. در قلب این انقلاب فناوری، سیستم عامل ربات (ROS) قرار دارد؛ یک چارچوب انعطاف‌پذیر و قدرتمند که به ابزاری ضروری برای توسعه ربات‌ها تبدیل شده است. این راهنمای جامع برای مخاطبان جهانی از جمله مهندسان، محققان، دانشجویان و علاقه‌مندانی طراحی شده که مشتاق درک و استفاده از برنامه‌نویسی ROS برای ساخت سیستم‌های رباتیک پیچیده هستند.

سیستم عامل ربات (ROS) چیست؟

ROS به معنای سنتی یک سیستم عامل مانند ویندوز یا لینوکس نیست. در عوض، یک میان‌افزار (middleware) انعطاف‌پذیر است که مجموعه‌ای از کتابخانه‌ها، ابزارها و قراردادها را برای ایجاد نرم‌افزار ربات فراهم می‌کند. ROS که در ابتدا توسط Willow Garage توسعه یافت و اکنون توسط جامعه ROS نگهداری می‌شود، روشی استاندارد برای نوشتن نرم‌افزار ربات ارائه می‌دهد که به راحتی می‌توان آن را بین ربات‌ها و کاربردهای مختلف به اشتراک گذاشت و دوباره استفاده کرد. این سیستم به عنوان یک لایه ارتباطی عمل می‌کند و به اجزای مختلف یک سیستم ربات - مانند سنسورها، عملگرها، الگوریتم‌های ناوبری و رابط‌های کاربری - امکان تعامل یکپارچه را می‌دهد.

اصول کلیدی ROS

ROS بر پایه چندین اصل کلیدی بنا شده است که به انعطاف‌پذیری و قدرت آن کمک می‌کنند:

چرا ROS را برای پروژه‌های رباتیک خود انتخاب کنیم؟

استفاده گسترده از ROS در مؤسسات تحقیقاتی و صنایع سراسر جهان، گواهی بر مزایای متعدد آن است:

برنامه‌نویسی ROS: بلوک‌های سازنده

برنامه‌نویسی ROS شامل درک اجزای اساسی آن و نحوه تعامل آن‌هاست. زبان‌های اصلی برای توسعه ROS پایتون و C++ هستند که به توسعه‌دهندگان این امکان را می‌دهند تا بر اساس نیازهای عملکردی و ترجیحات شخصی خود انتخاب کنند.

نودها (Nodes)

همانطور که ذکر شد، نودها واحدهای اساسی محاسباتی در ROS هستند. هر نود معمولاً یک وظیفه خاص را انجام می‌دهد، مانند کنترل یک موتور، خواندن داده‌های سنسور یا اجرای یک الگوریتم برنامه‌ریزی مسیر. نودها از طریق پیام‌ها با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند.

مثال: یک نود ممکن است مسئول خواندن داده‌ها از یک سنسور IMU (واحد اندازه‌گیری اینرسی) و انتشار آن به عنوان یک پیام sensor_msgs/Imu باشد.

تاپیک‌ها (Topics)

تاپیک‌ها گذرگاه‌های نام‌گذاری شده‌ای هستند که به نودها اجازه تبادل داده را می‌دهند. یک نود که داده تولید می‌کند (یک ناشر یا publisher) پیام‌ها را به یک تاپیک ارسال می‌کند و نودهای دیگری (مشترکین یا subscribers) که به آن داده‌ها علاقه‌مند هستند می‌توانند آن پیام‌ها را از تاپیک دریافت کنند. این مدل انتشار-اشتراک، کلید ماهیت غیرمتمرکز ROS است.

مثال: یک نود که تصاویر دوربین را منتشر می‌کند، ممکن است آن‌ها را در تاپیکی به نام /camera/image_raw منتشر کند. نود دیگری که تشخیص اشیاء را انجام می‌دهد، در این تاپیک مشترک می‌شود.

پیام‌ها (Messages)

پیام‌ها ساختارهای داده‌ای هستند که برای ارتباط بین نودها استفاده می‌شوند. ROS انواع پیام استاندارد را برای داده‌های رایج رباتیک مانند خوانش‌های سنسور، موقعیت‌ها و دستورات تعریف می‌کند. توسعه‌دهندگان همچنین می‌توانند انواع پیام سفارشی را برای نیازهای خاص برنامه خود تعریف کنند.

انواع پیام رایج:

سرویس‌ها (Services)

در حالی که تاپیک‌ها برای جریان‌های داده پیوسته استفاده می‌شوند، سرویس‌ها برای ارتباطات درخواست-پاسخ (request-response) به کار می‌روند. یک نود کلاینت می‌تواند یک سرویس ارائه‌شده توسط یک نود سرور را فراخوانی کند و نود سرور یک عمل را انجام داده و یک پاسخ را برمی‌گرداند. سرویس‌ها برای عملیاتی که به جریان داده پیوسته نیاز ندارند، مانند بازنشانی وضعیت ربات یا انجام یک محاسبه خاص، مفید هستند.

مثال: یک سرویس می‌تواند برای راه‌اندازی ربات برای حرکت به یک مکان هدف خاص استفاده شود و این سرویس وضعیت موفقیت یا شکست را برمی‌گرداند.

اکشن‌ها (Actions)

اکشن‌ها یک رابط سطح بالاتر برای انجام وظایف طولانی‌مدت با بازخورد فراهم می‌کنند. آن‌ها برای اهدافی مناسب هستند که تکمیل آن‌ها زمان‌بر است و نیاز به نظارت مداوم دارند. اکشن‌ها شامل یک هدف (goal)، بازخورد (feedback) و یک نتیجه (result) هستند.

مثال: یک سرور اکشن ناوبری می‌تواند یک هدف geometry_msgs/PoseStamped را برای یک مکان هدف بپذیرد. سپس بازخورد مداومی در مورد پیشرفت ربات ارائه می‌دهد و نتیجه‌ای را برمی‌گرداند که نشان می‌دهد آیا هدف با موفقیت به دست آمده است یا خیر.

شروع کار با برنامه‌نویسی ROS

آغاز سفر برنامه‌نویسی ROS یک گام هیجان‌انگیز است. در اینجا یک نقشه راه برای شروع کار شما ارائه شده است:

۱. نصب

اولین قدم نصب ROS بر روی ماشین توسعه شماست. ROS پایدارترین و گسترده‌ترین پشتیبانی را بر روی لینوکس اوبونتو دارد. فرآیند نصب معمولاً شامل موارد زیر است:

ویکی رسمی ROS (wiki.ros.org) دستورالعمل‌های نصب دقیق و مخصوص هر توزیع را برای سیستم‌عامل‌های مختلف ارائه می‌دهد.

۲. درک ابزارهای ROS

با ابزارهای ضروری خط فرمان ROS آشنا شوید:

۳. ایجاد اولین پکیج ROS خود

یک پکیج ROS واحد اساسی سازماندهی نرم‌افزار است. شما یاد خواهید گرفت که پکیج‌هایی ایجاد کنید که حاوی نودها، اسکریپت‌ها و فایل‌های پیکربندی شما باشند.

مراحل ایجاد یک پکیج:

  1. به دایرکتوری src فضای کاری ROS خود بروید.
  2. از این دستور استفاده کنید: catkin_create_pkg my_package_name roscpp rospy std_msgs (برای ROS 1) یا ros2 pkg create --build-type ament_cmake my_package_name (برای ROS 2).

این دستور یک دایرکتوری جدید با فایل‌های استاندارد پکیج ROS مانند package.xml و CMakeLists.txt (برای C++) یا setup.py (برای پایتون) ایجاد می‌کند.

۴. نوشتن نودهای ROS

نوشتن نودهای ROS شامل استفاده از کتابخانه‌های کلاینت ROS (roscpp برای C++ و rospy برای پایتون) برای ایجاد ناشران، مشترکین، کلاینت‌ها/سرورهای سرویس و کلاینت‌ها/سرورهای اکشن است.

مثال پایتون (ROS 1 `rospy`): یک ناشر ساده


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`): یک ناشر ساده


#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;
}

۵. کامپایل کردن فضای کاری شما

پس از ایجاد یا تغییر پکیج‌های ROS، باید فضای کاری خود را با استفاده از catkin_make (ROS 1) یا colcon build (ROS 2) کامپایل کنید. این فرآیند نودهای C++ شما را می‌سازد و اسکریپت‌های پایتون شما را برای ROS قابل شناسایی می‌کند.

ROS 1:


cd ~/catkin_ws # Or your workspace directory
catkin_make
source devel/setup.bash

ROS 2:


cd ~/ros2_ws # Or your workspace directory
colcon build
source install/setup.bash

مفاهیم و کاربردهای پیشرفته ROS

هنگامی که بر اصول اولیه مسلط شدید، می‌توانید مفاهیم و کاربردهای پیشرفته‌تر ROS را کشف کنید:

پشته ناوبری ROS (ROS Navigation Stack)

پشته ناوبری ROS مجموعه‌ای قدرتمند از ابزارها برای قادر ساختن ربات‌های متحرک به ناوبری خودکار در محیط خود است. این پشته وظایفی مانند موارد زیر را انجام می‌دهد:

این پشته برای کاربردهایی مانند ربات‌های انبار خودران، پهپادهای تحویل‌دهنده و ربات‌های خدماتی که در محیط‌های متنوع فعالیت می‌کنند، حیاتی است.

دستکاری در ROS (ROS Manipulation)

برای ربات‌هایی که دارای بازو یا گیره هستند، ROS کتابخانه‌ها و ابزارهایی برای دستکاری (manipulation) فراهم می‌کند. این شامل موارد زیر است:

این قابلیت‌ها برای اتوماسیون صنعتی، جراحی رباتیک و وظایف مونتاژ ضروری هستند.

ROS برای ادراک (Perception)

ادراک سنگ بنای رباتیک مدرن است و ربات‌ها را قادر می‌سازد تا محیط اطراف خود را درک کنند. ROS به طور یکپارچه با کتابخانه‌های متعدد پردازش حسگر و بینایی کامپیوتر ادغام می‌شود:

این ابزارها برای ربات‌هایی که در محیط‌های پویا و بدون ساختار کار می‌کنند، مانند وسایل نقلیه خودران و پهپادهای بازرسی، حیاتی هستند.

یکپارچه‌سازی ROS و هوش مصنوعی/یادگیری ماشین

هم‌افزایی بین ROS و هوش مصنوعی/یادگیری ماشین عمیقاً در حال تغییر رباتیک است. ROS به عنوان پلتفرم ایده‌آل برای استقرار و آزمایش مدل‌های یادگیری ماشین عمل می‌کند:

ROS 2: نسل بعدی

ROS 2 یک تکامل قابل توجه از چارچوب اصلی ROS است که محدودیت‌ها را برطرف کرده و ویژگی‌های جدیدی را برای توسعه رباتیک مدرن به کار گرفته است:

با بلوغ چشم‌انداز رباتیک، درک هر دو ROS 1 و ROS 2 به طور فزاینده‌ای اهمیت می‌یابد.

تأثیر جهانی و کاربردهای ROS

تأثیر ROS در سطح جهانی گسترش یافته و نوآوری را در بخش‌های مختلف تقویت می‌کند:

چالش‌ها و بهترین شیوه‌ها در برنامه‌نویسی ROS

در حالی که ROS قدرتمند است، توسعه مؤثر نیازمند توجه به چالش‌های خاص و پایبندی به بهترین شیوه‌هاست:

چالش‌ها

بهترین شیوه‌ها

آینده برنامه‌نویسی ROS

تکامل ROS ارتباط تنگاتنگی با پیشرفت‌های رباتیک و هوش مصنوعی دارد. با تقاضای روزافزون برای سیستم‌های هوشمند و خودران، ROS همچنان یک چارچوب حیاتی خواهد بود. تحولات آینده احتمالاً بر موارد زیر تمرکز خواهد کرد:

نتیجه‌گیری

برنامه‌نویسی سیستم عامل ربات (ROS) یک مهارت اساسی برای هر کسی است که آرزوی ساخت سیستم‌های رباتیک مدرن را دارد. معماری انعطاف‌پذیر، کتابخانه‌های گسترده و جامعه جهانی پر جنب و جوش آن، ROS را به ابزاری بی‌نظیر برای نوآوری تبدیل کرده است. با درک اصول اصلی آن، تسلط بر ابزارهایش و پذیرش بهترین شیوه‌ها، می‌توانید پتانسیل ROS را برای ایجاد ربات‌های هوشمندی که صنایع را شکل می‌دهند و زندگی‌ها را در سراسر جهان بهبود می‌بخشند، آزاد کنید. چه در حال کار بر روی وسایل نقلیه خودران در کالیفرنیا، اتوماسیون صنعتی در ژاپن یا تحقیق در اروپا باشید، ROS یک زبان و ابزار مشترک برای پیشبرد پیشرفت رباتیک فراهم می‌کند.