Освоение Robot Operating System (ROS): Глобальное руководство по программированию ROS

Область робототехники стремительно развивается, а достижения в области искусственного интеллекта, машинного обучения и автоматизации формируют отрасли по всему миру. В основе этой технологической революции лежит Robot Operating System (ROS) — гибкая и мощная структура, ставшая незаменимым инструментом для разработки роботов. Данное полное руководство предназначено для глобальной аудитории инженеров, исследователей, студентов и энтузиастов, стремящихся понять и использовать программирование ROS для создания сложных роботизированных систем.

Что такое Robot Operating System (ROS)?

ROS — это не операционная система в традиционном смысле, как Windows или Linux. Вместо этого это гибкое промежуточное ПО, предоставляющее набор библиотек, инструментов и соглашений для создания программного обеспечения роботов. Разработанная изначально Willow Garage, а теперь поддерживаемая сообществом ROS, ROS предлагает стандартизированный способ написания программного обеспечения роботов, которое может быть легко обменено и повторно использовано на различных роботах и в приложениях. Она действует как коммуникационный слой, позволяя различным компонентам роботизированной системы — таким как датчики, исполнительные механизмы, алгоритмы навигации и пользовательские интерфейсы — беспрепятственно взаимодействовать.

Ключевые принципы ROS

ROS построена на нескольких основных принципах, способствующих ее гибкости и мощности:

• Децентрализованная архитектура: ROS продвигает распределенную архитектуру обмена сообщениями. Вместо одной монолитной программы функциональность робота разбивается на небольшие, независимые процессы, называемые узлами (nodes).
• Публикация-подписка: Узлы взаимодействуют друг с другом, публикуя сообщения в темах (topics) и подписываясь на темы от других узлов. Это отделяет узлы, позволяя им независимо развиваться.
• Пакеты (Packages): Код ROS организован в пакеты, представляющие собой автономные единицы, которые могут включать узлы, библиотеки, файлы конфигурации и многое другое. Эта модульность облегчает повторное использование кода и сотрудничество.
• Инструменты и утилиты: ROS поставляется с богатой экосистемой инструментов для визуализации (например, RViz), симуляции (например, Gazebo), отладки, записи данных (rosbag) и многого другого, что значительно упрощает процесс разработки.

Почему стоит выбрать ROS для своих робототехнических проектов?

Широкое распространение ROS в научно-исследовательских институтах и отраслях по всему миру является свидетельством ее многочисленных преимуществ:

• Открытый исходный код и поддержка сообщества: ROS бесплатна в использовании и имеет активное глобальное сообщество, которое активно участвует в ее разработке, предоставляя огромное количество готовых пакетов и ресурсов поддержки.
• Абстракция оборудования: ROS абстрагирует большую часть низкоуровневой сложности оборудования, позволяя разработчикам сосредоточиться на функциональности робота более высокого уровня.
• Кроссплатформенная совместимость: Хотя ROS в основном разработана на Linux (Ubuntu), ее можно использовать и на macOS, и на Windows, что обеспечивает более широкий доступ.
• Богатая экосистема: Доступен целый ряд библиотек и инструментов для таких задач, как навигация, манипуляция, восприятие и взаимодействие человека и робота, часто интегрированных с популярными датчиками и аппаратными платформами.
• Масштабируемость и модульность: Узловая архитектура позволяет создавать сложные системы из простых, многократно используемых компонентов, что упрощает масштабирование и изменение поведения робота.

Программирование ROS: Строительные блоки

Программирование ROS включает в себя понимание ее основных компонентов и их взаимодействия. Основными языками для разработки ROS являются Python и C++, что дает разработчикам выбор в зависимости от требований к производительности и личных предпочтений.

Узлы (Nodes)

Как упоминалось, узлы являются основными единицами вычислений в ROS. Каждый узел обычно выполняет определенную задачу, такую как управление двигателем, считывание данных с датчиков или выполнение алгоритма планирования пути. Узлы обмениваются данными через сообщения.

Пример: Узел может отвечать за считывание данных с IMU (инерциального измерительного блока) и публикацию их в виде сообщения sensor_msgs/Imu.

Темы (Topics)

Темы — это именованные шины, позволяющие узлам обмениваться данными. Узел, который генерирует данные (издатель), отправляет сообщения в тему, а другие узлы (подписчики), заинтересованные в этих данных, могут получать эти сообщения из темы. Эта модель публикации-подписки является ключом к децентрализованной природе ROS.

Пример: Узел, публикующий изображения с камеры, может публиковать их в тему под названием /camera/image_raw. Другой узел, выполняющий обнаружение объектов, будет подписан на эту тему.

Сообщения (Messages)

Сообщения — это структуры данных, используемые для обмена данными между узлами. ROS определяет стандартные типы сообщений для общих роботизированных данных, таких как показания датчиков, положения и команды. Разработчики также могут определять пользовательские типы сообщений для удовлетворения конкретных потребностей приложения.

Общие типы сообщений:

• std_msgs/String: Простое сообщение типа строка.
• geometry_msgs/Twist: Используется для отправки команд скорости (линейной и угловой).
• sensor_msgs/Image: Представляет данные изображения с камеры.
• nav_msgs/Odometry: Содержит информацию о положении и скорости робота.

Сервисы (Services)

В то время как темы используются для потоков непрерывных данных, сервисы используются для связи по принципу «запрос-ответ». Клиентский узел может вызвать сервис, предоставляемый серверным узлом, а серверный узел выполнит действие и вернет ответ. Сервисы полезны для операций, не требующих непрерывного потока данных, таких как сброс состояния робота или выполнение определенного расчета.

Пример: Сервис может использоваться для запуска движения робота к определенному целевому местоположению, при этом сервис вернет статус успеха или неудачи.

Действия (Actions)

Действия предоставляют интерфейс более высокого уровня для выполнения длительных задач с обратной связью. Они подходят для целей, выполнение которых занимает время и требует постоянного мониторинга. Действия состоят из цели, обратной связи и результата.

Пример: Сервер действий навигации может принимать цель geometry_msgs/PoseStamped для целевого местоположения. Затем он будет предоставлять постоянную обратную связь о прогрессе робота и возвращать результат, указывающий, была ли цель успешно достигнута.

Начало работы с программированием ROS

Начать свой путь в программировании ROS — захватывающий шаг. Вот дорожная карта, которая поможет вам начать:

1. Установка

Первый шаг — установка ROS на вашей машине разработки. ROS наиболее стабильна и широко поддерживается в Ubuntu Linux. Процесс установки обычно включает:

• Добавление репозитория ROS в вашу систему.
• Установка дистрибутива ROS (например, ROS Noetic Ninjemys, ROS 2 Humble Hawksbill).
• Настройка вашей среды ROS.

Официальная вики ROS (wiki.ros.org) предоставляет подробные инструкции по установке для конкретных дистрибутивов на различных операционных системах.

2. Понимание инструментов ROS

Ознакомьтесь с основными инструментами командной строки ROS:

• roscore: Мастер-узел, который управляет всеми другими узлами и координирует их.
• rosrun: Выполняет узел ROS из пакета.
• roslaunch: Запускает один или несколько узлов ROS с использованием файла запуска (в формате XML), что упрощает запуск сложных систем.
• rostopic: Просматривает темы и взаимодействует с ними (список тем, отображение сообщений, публикация сообщений).
• rosservice: Просматривает сервисы и взаимодействует с ними.
• rosnode: Перечисляет узлы и просматривает их.

3. Создание первого пакета ROS

Пакет ROS — это основная единица организации программного обеспечения. Вы научитесь создавать пакеты, содержащие ваши узлы, скрипты и файлы конфигурации.

Шаги по созданию пакета:

1. Перейдите в каталог src вашего рабочего пространства ROS.
2. Используйте команду: catkin_create_pkg my_package_name roscpp rospy std_msgs (для ROS 1) или ros2 pkg create --build-type ament_cmake my_package_name (для ROS 2).

Эта команда создает новый каталог с стандартными файлами пакета ROS, такими как package.xml и CMakeLists.txt (для C++) или setup.py (для Python).

4. Написание узлов ROS

Написание узлов ROS включает в себя использование клиентских библиотек ROS (roscpp для C++ и rospy для Python) для создания издателей, подписчиков, клиентов/серверов сервисов и клиентов/серверов действий.

Пример на Python (ROS 1 `rospy`): Простой издатель

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 Гц
    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

Пример на C++ (ROS 1 `roscpp`): Простой издатель

#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. Компиляция рабочего пространства

После создания или изменения пакетов ROS вам необходимо скомпилировать ваше рабочее пространство, используя catkin_make (ROS 1) или colcon build (ROS 2). Этот процесс компилирует ваши C++ узлы и делает ваши Python скрипты обнаруживаемыми ROS.

ROS 1:

cd ~/catkin_ws # Или каталог вашего рабочего пространства
catkin_make
source devel/setup.bash

ROS 2:

cd ~/ros2_ws # Или каталог вашего рабочего пространства
colcon build
source install/setup.bash

Продвинутые концепции и приложения ROS

После того как вы освоите основы, вы можете изучить более продвинутые концепции и приложения ROS:

Стек навигации ROS

Стек навигации ROS — это мощный набор инструментов для обеспечения автономной навигации мобильных роботов в их среде. Он обрабатывает такие задачи, как:

• Глобальное планирование: Поиск пути от начальной до целевой позиции на карте.
• Локальное планирование: Генерация команд скорости для следования глобальному пути при избегании непосредственных препятствий.
• Локализация: Оценка положения робота на карте.
• Управление картами: Создание и использование карт занятости сетки.

Этот стек имеет решающее значение для таких приложений, как автономные складские роботы, дроны-доставщики и сервисные роботы, работающие в различных условиях.

Манипуляция ROS

Для роботов с манипуляторами или захватами ROS предоставляет библиотеки и инструменты для манипуляции. Это включает:

• MoveIt!: Широко используемый фреймворк для планирования движений, проверки столкновений и управления манипуляторами роботов.
• Восприятие: Библиотеки для обработки 3D данных с датчиков (например, от датчиков глубины) для обнаружения объектов и оценки их положений.
• Захват: Алгоритмы для планирования и выполнения захватов объектов.

Эти возможности необходимы для промышленной автоматизации, роботизированной хирургии и задач сборки.

ROS для восприятия

Восприятие является краеугольным камнем современной робототехники, позволяя роботам понимать окружающую среду. ROS бесшовно интегрируется с многочисленными библиотеками компьютерного зрения и обработки датчиков:

• OpenCV: Фундаментальная библиотека для обработки изображений и задач компьютерного зрения.
• PCL (Point Cloud Library): Для обработки 3D данных с датчиков, таких как сканирование LiDAR.
• Узлы компьютерного зрения: Готовые узлы для таких задач, как обнаружение объектов (например, с использованием YOLO, SSD), сопоставление признаков и SLAM (одновременная локализация и картографирование).

Эти инструменты жизненно важны для роботов, работающих в динамичных и неструктурированных средах, таких как автономные транспортные средства и инспекционные дроны.

Интеграция ROS с ИИ/МО

Синергия между ROS и искусственным интеллектом/машинным обучением оказывает преобразующее воздействие на робототехнику. ROS выступает в качестве идеальной платформы для развертывания и тестирования моделей МО:

• Интеграция TensorFlow/PyTorch: Узлы ROS могут быть разработаны для выполнения инференса для моделей МО, позволяя выполнять такие задачи, как продвинутое распознавание объектов, семантическая сегментация и управление на основе обучения с подкреплением.
• Сбор данных: Инструмент rosbag в ROS неоценим для сбора больших наборов данных с датчиков, которые затем используются для обучения моделей МО.
• Перенос из симуляции в реальность (Sim-to-Real): Симуляторы, такие как Gazebo, интегрированные с ROS, позволяют обучать роботов в виртуальных средах перед развертыванием на физическом оборудовании, что является критически важным аспектом современной робототехники с ИИ.

ROS 2: Следующее поколение

ROS 2 — это значительная эволюция оригинальной структуры ROS, устраняющая ограничения и включающая новые функции для современной разработки роботов:

• Поддержка реального времени: Улучшенная поддержка систем управления в реальном времени.
• Многороботные системы: Улучшенные возможности для координации нескольких роботов.
• Безопасность: Встроенные функции безопасности для более надежной связи.
• Кроссплатформенность: Лучшая поддержка платформ, помимо Linux, включая Windows и macOS.
• DDS (Data Distribution Service): Заменил старый коммуникационный слой ROS, предлагая улучшенную производительность и надежность.

По мере созревания ландшафта робототехники понимание как ROS 1, так и ROS 2 становится все более важным.

Глобальное влияние и применение ROS

Влияние ROS простирается по всему миру, стимулируя инновации в различных секторах:

• Автономные транспортные средства: Компании и научно-исследовательские институты по всему миру используют ROS для разработки технологий самоуправляемых автомобилей, используя ее возможности навигации, восприятия и управления.
• Промышленная автоматизация: Производители используют ROS для интеллектуальных роботов на сборочных линиях, в логистике и для контроля качества. Примеры можно найти на автомобильных заводах в Германии, производствах электроники в Азии и автоматизированных складах в Северной Америке.
• Здравоохранение: Системы роботизированной хирургии, роботы-помощники пациентов и платформы автоматизации лабораторий часто используют ROS для точного управления и взаимодействия.
• Сельское хозяйство: Автономные тракторы, дроны для точного опрыскивания и роботы для сбора урожая в сельскохозяйственных центрах Европы, Северной Америки и Австралии все чаще используют ROS.
• Исследования и образование: ROS является основным инструментом в университетах и исследовательских лабораториях по всему миру, способствуя подготовке нового поколения специалистов по робототехнике и исследователей в области ИИ.

Проблемы и лучшие практики в программировании ROS

Хотя ROS мощная, эффективная разработка требует внимания к определенным проблемам и соблюдения лучших практик:

Проблемы

• Отладка сложных систем: Отладка распределенных систем может быть сложной. Освоение инструментов ROS, таких как rqt_graph и rosbag, имеет важное значение.
• Оптимизация производительности: Для задач с высокой частотой или ограниченных ресурсов роботов оптимизация C++ узлов и эффективная сериализация сообщений имеют решающее значение.
• Производительность в реальном времени: Достижение истинного управления в реальном времени в ROS требует тщательной конфигурации системы и часто специализированных операционных систем реального времени (RTOS). ROS 2 предлагает лучшие основы для этого.
• Интеграция с существующими системами: Интеграция ROS с устаревшим оборудованием или проприетарным программным обеспечением может создавать проблемы совместимости.

Лучшие практики

• Модульный дизайн: Разбивайте сложные задачи на небольшие, многократно используемые узлы.
• Четкие соглашения об именовании: Используйте описательные имена для узлов, тем и параметров.
• Комплексная документация: Тщательно документируйте свои пакеты и узлы.
• Контроль версий: Используйте Git или другие системы контроля версий для совместной разработки.
• Симуляция: Активно используйте симуляторы, такие как Gazebo, для тестирования и разработки перед развертыванием на физическом оборудовании.
• Принятие ROS 2: Для новых проектов рассмотрите возможность начала работы с ROS 2 из-за ее современной архитектуры и расширенных функций.

Будущее программирования ROS

Эволюция ROS тесно связана с достижениями в области робототехники и ИИ. С растущим спросом на интеллектуальные автономные системы ROS будет и дальше оставаться жизненно важной структурой. Будущие разработки, вероятно, будут сосредоточены на:

• Улучшенная поддержка периферийных вычислений и встраиваемых систем.
• Более совершенная интеграция и инструменты развертывания ИИ/МО.
• Улучшенные функции кибербезопасности и безопасности.
• Большая интероперабельность с другими фреймворками и стандартами робототехники.

Заключение

Программирование Robot Operating System (ROS) — это фундаментальный навык для всех, кто стремится создавать современные роботизированные системы. Ее гибкая архитектура, обширные библиотеки и активное глобальное сообщество делают ее непревзойденным инструментом для инноваций. Понимая ее основные принципы, осваивая ее инструменты и применяя лучшие практики, вы сможете раскрыть потенциал ROS для создания интеллектуальных роботов, которые будут формировать отрасли и улучшать жизнь по всему миру. Независимо от того, работаете ли вы над автономными транспортными средствами в Калифорнии, промышленной автоматизацией в Японии или исследованиями в Европе, ROS предоставляет общий язык и набор инструментов для продвижения прогресса в робототехнике.