M

MLOG

Polski

Dogłębna eksploracja programowania w ROS dla entuzjastów robotyki na całym świecie, obejmująca podstawowe koncepcje, rozwój i praktyczne zastosowania do budowy inteligentnych systemów.

Opanowanie Robot Operating System (ROS): Globalny przewodnik po programowaniu w ROS

Dziedzina robotyki szybko się rozwija, a postępy w sztucznej inteligencji, uczeniu maszynowym i automatyzacji kształtują branże na całym świecie. Sercem tej rewolucji technologicznej jest Robot Operating System (ROS), elastyczne i potężne środowisko, które stało się niezastąpionym narzędziem do rozwoju robotów. Ten kompleksowy przewodnik jest przeznaczony dla globalnej publiczności inżynierów, badaczy, studentów i entuzjastów, którzy chcą zrozumieć i wykorzystać programowanie w ROS do budowy zaawansowanych systemów robotycznych.

Co to jest Robot Operating System (ROS)?

ROS nie jest systemem operacyjnym w tradycyjnym sensie, jak Windows czy Linux. Zamiast tego jest to elastyczne oprogramowanie pośredniczące (middleware), które zapewnia zestaw bibliotek, narzędzi i konwencji do tworzenia oprogramowania dla robotów. ROS, opracowany początkowo przez Willow Garage, a obecnie utrzymywany przez społeczność ROS, oferuje standardowy sposób pisania oprogramowania dla robotów, które można łatwo udostępniać i ponownie wykorzystywać w różnych robotach i aplikacjach. Działa jako warstwa komunikacyjna, umożliwiając bezproblemową interakcję różnych komponentów systemu robotycznego – takich jak czujniki, aktuatory, algorytmy nawigacji i interfejsy użytkownika.

Kluczowe zasady ROS

ROS opiera się na kilku podstawowych zasadach, które przyczyniają się do jego elastyczności i mocy:

Dlaczego warto wybrać ROS do swoich projektów robotycznych?

Powszechne przyjęcie ROS w instytucjach badawczych i branżach na całym świecie jest dowodem na jego liczne zalety:

Programowanie w ROS: Elementy składowe

Programowanie w ROS obejmuje zrozumienie jego podstawowych komponentów i sposobu, w jaki one oddziałują. Podstawowym językiem programowania w ROS jest Python i C++, oferując programistom wybór w oparciu o wymagania wydajnościowe i osobiste preferencje.

Węzły

Jak wspomniano, węzły są podstawowymi jednostkami obliczeniowymi w ROS. Każdy węzeł zazwyczaj wykonuje określone zadanie, takie jak sterowanie silnikiem, odczytywanie danych z czujnika lub wykonywanie algorytmu planowania ścieżki. Węzły komunikują się ze sobą za pomocą wiadomości.

Przykład: Węzeł może być odpowiedzialny za odczytywanie danych z czujnika IMU (Inertial Measurement Unit) i publikowanie ich jako wiadomość sensor_msgs/Imu.

Tematy

Tematy to nazwane magistrale, które umożliwiają węzłom wymianę danych. Węzeł, który produkuje dane (wydawca), wysyła wiadomości do tematu, a inne węzły (subskrybenci), które są zainteresowane tymi danymi, mogą odbierać te wiadomości z tematu. Ten model publikuj-subskrybuj jest kluczem do zdecentralizowanego charakteru ROS.

Przykład: Węzeł publikujący obrazy z kamery może publikować w temacie o nazwie /camera/image_raw. Inny węzeł wykonujący wykrywanie obiektów subskrybowałby ten temat.

Wiadomości

Wiadomości to struktury danych używane do komunikacji między węzłami. ROS definiuje standardowe typy wiadomości dla typowych danych robotycznych, takich jak odczyty z czujników, pozy i polecenia. Programiści mogą również definiować niestandardowe typy wiadomości, aby dopasować je do konkretnych potrzeb aplikacji.

Typowe typy wiadomości:

Usługi

Podczas gdy tematy są używane do ciągłych strumieni danych, usługi są używane do komunikacji typu żądanie-odpowiedź. Węzeł kliencki może wywołać usługę świadczoną przez węzeł serwerowy, a węzeł serwerowy wykona akcję i zwróci odpowiedź. Usługi są przydatne w przypadku operacji, które nie wymagają ciągłego przepływu danych, takich jak resetowanie stanu robota lub wykonywanie określonych obliczeń.

Przykład: Usługa może być używana do wyzwalania ruchu robota do określonej lokalizacji docelowej, a usługa zwraca stan powodzenia lub niepowodzenia.

Akcje

Akcje zapewniają interfejs wyższego poziomu do wykonywania długotrwałych zadań z informacją zwrotną. Są one odpowiednie dla celów, których realizacja zajmuje dużo czasu i wymaga ciągłego monitorowania. Akcje składają się z celu, informacji zwrotnej i wyniku.

Przykład: Serwer akcji nawigacji może zaakceptować cel geometry_msgs/PoseStamped dla lokalizacji docelowej. Następnie zapewniałby ciągłe informacje zwrotne na temat postępów robota i zwracałby wynik wskazujący, czy cel został osiągnięty pomyślnie.

Pierwsze kroki z programowaniem w ROS

Wyruszenie w podróż po programowaniu w ROS to ekscytujący krok. Oto plan działania, który pomoże Ci zacząć:

1. Instalacja

Pierwszym krokiem jest zainstalowanie ROS na maszynie deweloperskiej. ROS jest najbardziej stabilny i powszechnie obsługiwany w systemie Ubuntu Linux. Proces instalacji zazwyczaj obejmuje:

Oficjalna wiki ROS (wiki.ros.org) zawiera szczegółowe instrukcje instalacji specyficzne dla dystrybucji dla różnych systemów operacyjnych.

2. Zrozumienie narzędzi ROS

Zapoznaj się z podstawowymi narzędziami wiersza poleceń ROS:

3. Tworzenie pierwszego pakietu ROS

Pakiet ROS to podstawowa jednostka organizacji oprogramowania. Nauczysz się tworzyć pakiety zawierające węzły, skrypty i pliki konfiguracyjne.

Kroki tworzenia pakietu:

  1. Przejdź do katalogu src obszaru roboczego ROS.
  2. Użyj polecenia: catkin_create_pkg my_package_name roscpp rospy std_msgs (dla ROS 1) lub ros2 pkg create --build-type ament_cmake my_package_name (dla ROS 2).

To polecenie tworzy nowy katalog ze standardowymi plikami pakietu ROS, takimi jak package.xml i CMakeLists.txt (dla C++) lub setup.py (dla Pythona).

4. Pisanie węzłów ROS

Pisanie węzłów ROS obejmuje użycie bibliotek klienckich ROS (roscpp dla C++ i rospy dla Pythona) do tworzenia wydawców, subskrybentów, klientów/serwerów usług i klientów/serwerów akcji.

Przykład w Pythonie (ROS 1 `rospy`): Prosty wydawca


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

Przykład w C++ (ROS 1 `roscpp`): Prosty wydawca


#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. Kompilowanie obszaru roboczego

Po utworzeniu lub zmodyfikowaniu pakietów ROS należy skompilować obszar roboczy za pomocą catkin_make (ROS 1) lub colcon build (ROS 2). Ten proces buduje węzły C++ i sprawia, że skrypty Pythona są wykrywalne przez ROS.

ROS 1:


cd ~/catkin_ws # Lub katalog obszaru roboczego
catkin_make
source devel/setup.bash

ROS 2:


cd ~/ros2_ws # Lub katalog obszaru roboczego
colcon build
source install/setup.bash

Zaawansowane koncepcje i aplikacje ROS

Po opanowaniu podstaw, możesz zbadać bardziej zaawansowane koncepcje i aplikacje ROS:

Stos nawigacyjny ROS

Stos nawigacyjny ROS to potężny zestaw narzędzi umożliwiających robotom mobilnym autonomiczną nawigację po otoczeniu. Obsługuje zadania takie jak:

Ten stos ma kluczowe znaczenie dla aplikacji, takich jak autonomiczne roboty magazynowe, drony dostawcze i roboty usługowe działające w różnych środowiskach.

Manipulacja ROS

Dla robotów z ramionami lub chwytakami ROS zapewnia biblioteki i narzędzia do manipulacji. Obejmuje to:

Te możliwości są niezbędne do automatyzacji przemysłowej, chirurgii robotycznej i zadań montażowych.

ROS do percepcji

Percepcja jest kamieniem węgielnym nowoczesnej robotyki, umożliwiając robotom rozumienie otoczenia. ROS bezproblemowo integruje się z licznymi bibliotekami wizji komputerowej i przetwarzania czujników:

Te narzędzia są niezbędne dla robotów działających w dynamicznych i nieustrukturyzowanych środowiskach, takich jak pojazdy autonomiczne i drony inspekcyjne.

ROS i integracja AI/ML

Synergia między ROS a sztuczną inteligencją/uczeniem maszynowym głęboko zmienia robotykę. ROS działa jako idealna platforma do wdrażania i testowania modeli ML:

ROS 2: Nowa generacja

ROS 2 to znacząca ewolucja oryginalnego środowiska ROS, która eliminuje ograniczenia i zawiera nowe funkcje do nowoczesnego rozwoju robotyki:

Wraz z dojrzewaniem krajobrazu robotyki, zrozumienie zarówno ROS 1, jak i ROS 2 staje się coraz ważniejsze.

Globalny wpływ i zastosowania ROS

Wpływ ROS rozciąga się na cały świat, wspierając innowacje w różnych sektorach:

Wyzwania i najlepsze praktyki w programowaniu w ROS

Chociaż ROS jest potężny, efektywny rozwój wymaga zwrócenia uwagi na pewne wyzwania i przestrzegania najlepszych praktyk:

Wyzwania

Najlepsze praktyki

Przyszłość programowania w ROS

Ewolucja ROS jest ściśle związana z postępem w robotyce i sztucznej inteligencji. Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na inteligentne, autonomiczne systemy, ROS będzie nadal ważnym środowiskiem. Przyszłe kierunki rozwoju prawdopodobnie skupią się na:

Podsumowanie

Programowanie w Robot Operating System (ROS) jest podstawową umiejętnością dla każdego, kto aspiruje do budowy nowoczesnych systemów robotycznych. Jego elastyczna architektura, rozbudowane biblioteki i tętniąca życiem globalna społeczność czynią go niezrównanym narzędziem do innowacji. Rozumiejąc jego podstawowe zasady, opanowując jego narzędzia i stosując najlepsze praktyki, możesz odblokować potencjał ROS do tworzenia inteligentnych robotów, które będą kształtować branże i poprawiać życie na całym świecie. Niezależnie od tego, czy pracujesz nad autonomicznymi pojazdami w Kalifornii, automatyzacją przemysłową w Japonii, czy badaniami w Europie, ROS zapewnia wspólny język i zestaw narzędzi do napędzania postępu robotyki.