M

MLOG

Latviešu

Padziļināta ROS programmēšanas izpēte robotikas entuziastiem visā pasaulē, aptverot tās pamatkoncepcijas, izstrādi un praktiskus pielietojumus inteliģentu sistēmu veidošanā.

Robotu operētājsistēmas (ROS) apgūšana: globāls ceļvedis ROS programmēšanā

Robotikas nozare strauji attīstās, un mākslīgā intelekta, mašīnmācīšanās un automatizācijas sasniegumi veido nozares visā pasaulē. Šīs tehnoloģiskās revolūcijas pamatā ir Robotu operētājsistēma (ROS) — elastīga un jaudīga ietvarprogramma, kas kļuvusi par neaizstājamu rīku robotu izstrādē. Šis visaptverošais ceļvedis ir paredzēts globālai auditorijai — inženieriem, pētniekiem, studentiem un entuziastiem, kuri vēlas izprast un izmantot ROS programmēšanu, lai veidotu sarežģītas robotu sistēmas.

Kas ir Robotu operētājsistēma (ROS)?

ROS nav operētājsistēma tradicionālajā izpratnē, piemēram, Windows vai Linux. Tā drīzāk ir elastīga starpprogrammatūra, kas nodrošina bibliotēku, rīku un konvenciju kopumu robotu programmatūras izveidei. Sākotnēji to izstrādāja Willow Garage un tagad uztur ROS kopiena. ROS piedāvā standartizētu veidu, kā rakstīt robotu programmatūru, kuru var viegli koplietot un atkārtoti izmantot dažādos robotos un lietojumprogrammās. Tā darbojas kā komunikācijas slānis, ļaujot dažādām robotu sistēmas sastāvdaļām — piemēram, sensoriem, izpildmehānismiem, navigācijas algoritmiem un lietotāja saskarnēm — netraucēti mijiedarboties.

Galvenie ROS principi

ROS pamatā ir vairāki galvenie principi, kas veicina tās elastību un jaudu:

Kāpēc izvēlēties ROS saviem robotikas projektiem?

ROS plašā izplatība pētniecības iestādēs un nozarēs visā pasaulē liecina par tās daudzajām priekšrocībām:

ROS programmēšana: pamatelementi

ROS programmēšana ietver tās fundamentālo komponenšu un to mijiedarbības izpratni. Galvenās valodas ROS izstrādei ir Python un C++, piedāvājot izstrādātājiem izvēli, pamatojoties uz veiktspējas prasībām un personīgajām vēlmēm.

Mezgli (Nodes)

Kā minēts, mezgli ir fundamentālās skaitļošanas vienības ROS. Katrs mezgls parasti veic konkrētu uzdevumu, piemēram, kontrolē motoru, nolasa sensoru datus vai izpilda ceļa plānošanas algoritmu. Mezgli savā starpā sazinās ar ziņojumu palīdzību.

Piemērs: Mezgls varētu būt atbildīgs par datu nolasīšanu no IMU (Inerciālās mērīšanas vienības) sensora un to publicēšanu kā sensor_msgs/Imu ziņojumu.

Tēmas (Topics)

Tēmas ir nosauktas maģistrāles, kas ļauj mezgliem apmainīties ar datiem. Mezgls, kas ražo datus (publicētājs), nosūta ziņojumus uz tēmu, un citi mezgli (abonenti), kas ir ieinteresēti šajos datos, var saņemt šos ziņojumus no tēmas. Šis publicēšanas-abonēšanas modelis ir ROS decentralizētās dabas atslēga.

Piemērs: Mezgls, kas publicē kameras attēlus, varētu publicēt tos tēmā ar nosaukumu /camera/image_raw. Cits mezgls, kas veic objektu noteikšanu, abonētu šo tēmu.

Ziņojumi (Messages)

Ziņojumi ir datu struktūras, ko izmanto saziņai starp mezgliem. ROS definē standarta ziņojumu tipus bieži sastopamiem robotikas datiem, piemēram, sensoru rādījumiem, pozām un komandām. Izstrādātāji var arī definēt pielāgotus ziņojumu tipus, lai tie atbilstu konkrētām lietojumprogrammas vajadzībām.

Biežākie ziņojumu tipi:

Pakalpojumi (Services)

Kamēr tēmas tiek izmantotas nepārtrauktām datu plūsmām, pakalpojumi tiek izmantoti pieprasījuma-atbildes saziņai. Klienta mezgls var izsaukt pakalpojumu, ko nodrošina servera mezgls, un servera mezgls veiks darbību un atgriezīs atbildi. Pakalpojumi ir noderīgi operācijām, kas neprasa nepārtrauktu datu plūsmu, piemēram, robota stāvokļa atiestatīšanai vai konkrēta aprēķina veikšanai.

Piemērs: Pakalpojumu varētu izmantot, lai liktu robotam pārvietoties uz noteiktu mērķa atrašanās vietu, un pakalpojums atgrieztu panākumu vai neveiksmes statusu.

Darbības (Actions)

Darbības nodrošina augstāka līmeņa saskarni ilgstošu uzdevumu veikšanai ar atgriezenisko saiti. Tās ir piemērotas mērķiem, kuru izpilde prasa laiku un nepārtrauktu uzraudzību. Darbības sastāv no mērķa, atgriezeniskās saites un rezultāta.

Piemērs: Navigācijas darbību serveris varētu pieņemt geometry_msgs/PoseStamped mērķi noteiktai atrašanās vietai. Pēc tam tas sniegtu nepārtrauktu atgriezenisko saiti par robota progresu un atgrieztu rezultātu, norādot, vai mērķis tika veiksmīgi sasniegts.

Kā sākt darbu ar ROS programmēšanu

Sākt savu ROS programmēšanas ceļu ir aizraujošs solis. Šeit ir ceļvedis, kā sākt:

1. Instalēšana

Pirmais solis ir instalēt ROS savā izstrādes datorā. ROS ir visstabilākā un visplašāk atbalstītā uz Ubuntu Linux. Instalācijas process parasti ietver:

Oficiālā ROS wiki (wiki.ros.org) nodrošina detalizētas, katrai distribūcijai specifiskas instalēšanas instrukcijas dažādām operētājsistēmām.

2. ROS rīku izpratne

Iepazīstieties ar būtiskiem ROS komandrindas rīkiem:

3. Pirmās ROS pakotnes izveide

ROS pakotne ir fundamentāla programmatūras organizācijas vienība. Jūs iemācīsities izveidot pakotnes, kas satur jūsu mezglus, skriptus un konfigurācijas failus.

Soļi pakotnes izveidei:

  1. Naviģējiet uz savas ROS darbvietas src direktoriju.
  2. Izmantojiet komandu: catkin_create_pkg my_package_name roscpp rospy std_msgs (ROS 1 gadījumā) vai ros2 pkg create --build-type ament_cmake my_package_name (ROS 2 gadījumā).

Šī komanda izveido jaunu direktoriju ar standarta ROS pakotnes failiem, piemēram, package.xml un CMakeLists.txt (C++ gadījumā) vai setup.py (Python gadījumā).

4. ROS mezglu rakstīšana

ROS mezglu rakstīšana ietver ROS klienta bibliotēku (roscpp C++ un rospy Python) izmantošanu, lai izveidotu publicētājus, abonentus, pakalpojumu klientus/serverus un darbību klientus/serverus.

Python piemērs (ROS 1 `rospy`): vienkāršs publicētājs


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

C++ piemērs (ROS 1 `roscpp`): vienkāršs publicētājs


#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. Darbvietas kompilēšana

Pēc ROS pakotņu izveides vai modificēšanas jums ir jākompilē sava darbvieta, izmantojot catkin_make (ROS 1) vai colcon build (ROS 2). Šis process veido jūsu C++ mezglus un padara jūsu Python skriptus atrodamos ROS sistēmai.

ROS 1:


cd ~/catkin_ws # Vai jūsu darbvietas direktorija
catkin_make
source devel/setup.bash

ROS 2:


cd ~/ros2_ws # Vai jūsu darbvietas direktorija
colcon build
source install/setup.bash

Padziļinātas ROS koncepcijas un pielietojumi

Kad esat apguvis pamatus, varat izpētīt sarežģītākas ROS koncepcijas un pielietojumus:

ROS navigācijas steks

ROS navigācijas steks ir jaudīgs rīku kopums, kas ļauj mobilajiem robotiem autonomi pārvietoties savā vidē. Tas veic tādus uzdevumus kā:

Šis steks ir būtisks tādām lietojumprogrammām kā autonomi noliktavu roboti, piegādes droni un apkalpojošie roboti, kas darbojas dažādās vidēs.

ROS manipulācija

Robotiem ar rokām vai satvērējiem ROS nodrošina bibliotēkas un rīkus manipulācijai. Tas ietver:

Šīs iespējas ir būtiskas rūpnieciskajā automatizācijā, robotu ķirurģijā un montāžas uzdevumos.

ROS uztverei

Uztvere ir mūsdienu robotikas stūrakmens, kas ļauj robotiem saprast savu apkārtni. ROS nevainojami integrējas ar daudzām datorredzes un sensoru apstrādes bibliotēkām:

Šie rīki ir vitāli svarīgi robotiem, kas darbojas dinamiskās un nestrukturētās vidēs, piemēram, autonomiem transportlīdzekļiem un inspekcijas droniem.

ROS un AI/ML integrācija

Sinerģija starp ROS un mākslīgo intelektu/mašīnmācīšanos dziļi pārveido robotiku. ROS darbojas kā ideāla platforma ML modeļu izvietošanai un testēšanai:

ROS 2: Nākamā paaudze

ROS 2 ir nozīmīga oriģinālā ROS ietvara evolūcija, kas risina ierobežojumus un ietver jaunas funkcijas mūsdienu robotikas izstrādei:

Tā kā robotikas ainava kļūst nobriedušāka, arvien svarīgāk ir izprast gan ROS 1, gan ROS 2.

ROS globālā ietekme un pielietojumi

ROS ietekme sniedzas globāli, veicinot inovācijas dažādās nozarēs:

Izaicinājumi un labākā prakse ROS programmēšanā

Lai gan ROS ir jaudīga, efektīvai izstrādei nepieciešama uzmanība noteiktiem izaicinājumiem un labākās prakses ievērošana:

Izaicinājumi

Labākā prakse

ROS programmēšanas nākotne

ROS evolūcija ir cieši saistīta ar sasniegumiem robotikā un AI. Ar pieaugošo pieprasījumu pēc inteliģentām, autonomām sistēmām ROS turpinās būt vitāli svarīgs ietvars. Nākotnes attīstība, visticamāk, koncentrēsies uz:

Noslēgums

Robotu operētājsistēmas (ROS) programmēšana ir fundamentāla prasme ikvienam, kurš vēlas veidot modernas robotu sistēmas. Tās elastīgā arhitektūra, plašās bibliotēkas un aktīvā globālā kopiena padara to par nepārspējamu inovāciju rīku. Izprotot tās pamatprincipus, apgūstot tās rīkus un ievērojot labāko praksi, jūs varat atraisīt ROS potenciālu, lai radītu inteliģentus robotus, kas veidos nozares un uzlabos dzīves visā pasaulē. Neatkarīgi no tā, vai strādājat pie autonomiem transportlīdzekļiem Kalifornijā, rūpnieciskās automatizācijas Japānā vai pētniecības Eiropā, ROS nodrošina kopīgu valodu un rīkkopu robotikas progresa virzīšanai.

Robotu operētājsistēmas (ROS) apgūšana: globāls ceļvedis ROS programmēšanā | MLOG