Obvladovanje operacijskega sistema za robote (ROS): Globalni vodnik po programiranju ROS

Področje robotike se hitro razvija, z napredkom na področju umetne inteligence, strojnega učenja in avtomatizacije pa oblikuje industrije po vsem svetu. V osrčju te tehnološke revolucije leži operacijski sistem za robote (ROS), prilagodljiv in močan okvir, ki je postal nepogrešljivo orodje za razvoj robotov. Ta celovit vodnik je namenjen globalnemu občinstvu inženirjev, raziskovalcev, študentov in navdušencev, ki želijo razumeti in izkoristiti programiranje ROS za gradnjo sofisticiranih robotskih sistemov.

Kaj je operacijski sistem za robote (ROS)?

ROS ni operacijski sistem v tradicionalnem smislu, kot sta Windows ali Linux. Namesto tega je to prilagodljiva vmesna programska oprema (middleware), ki ponuja nabor knjižnic, orodij in konvencij za ustvarjanje programske opreme za robote. ROS, ki ga je prvotno razvil Willow Garage, zdaj pa ga vzdržuje skupnost ROS, ponuja standardiziran način za pisanje programske opreme za robote, ki jo je mogoče enostavno deliti in ponovno uporabiti med različnimi roboti in aplikacijami. Deluje kot komunikacijski sloj, ki omogoča nemoteno interakcijo različnih komponent robotskega sistema – kot so senzorji, aktuatorji, navigacijski algoritmi in uporabniški vmesniki.

Ključna načela ROS

ROS temelji na več ključnih načelih, ki prispevajo k njegovi prilagodljivosti in moči:

• Decentralizirana arhitektura: ROS spodbuja porazdeljeno arhitekturo, ki temelji na posredovanju sporočil. Namesto enega samega, monolitnega programa je funkcionalnost robota razdeljena na manjše, neodvisne procese, imenovane vozlišča (nodes).
• Komunikacija objavi-naroči se: Vozlišča komunicirajo med seboj tako, da objavljajo sporočila v teme (topics) in se naročajo na teme drugih vozlišč. To loči vozlišča, kar jim omogoča neodvisen razvoj.
• Paketi: Koda ROS je organizirana v pakete, ki so samostojne enote, ki lahko vključujejo vozlišča, knjižnice, konfiguracijske datoteke in drugo. Ta modularnost olajša ponovno uporabo kode in sodelovanje.
• Orodja in pripomočki: ROS prihaja z bogatim ekosistemom orodij za vizualizacijo (npr. RViz), simulacijo (npr. Gazebo), odpravljanje napak, beleženje podatkov (rosbag) in drugo, kar znatno poenostavi razvojni proces.

Zakaj izbrati ROS za vaše projekte v robotiki?

Široka uporaba ROS v raziskovalnih institucijah in industrijah po vsem svetu priča o njegovih številnih prednostih:

• Odprtokoden in voden s strani skupnosti: ROS je brezplačen za uporabo in ima živahno, globalno skupnost, ki aktivno prispeva k njegovemu razvoju ter ponuja širok nabor vnaprej pripravljenih paketov in virov podpore.
• Abstrakcija strojne opreme: ROS abstrahira večino kompleksnosti strojne opreme na nizki ravni, kar razvijalcem omogoča, da se osredotočijo na funkcionalnost robota na višji ravni.
• Združljivost med platformami: Čeprav je primarno razvit za Linux (Ubuntu), se ROS lahko uporablja tudi na macOS in Windows, kar omogoča širšo dostopnost.
• Bogat ekosistem: Na voljo je obilica knjižnic in orodij za naloge, kot so navigacija, manipulacija, zaznavanje in interakcija človek-robot, ki so pogosto integrirane s priljubljenimi senzorji in strojnimi platformami.
• Skalabilnost in modularnost: Arhitektura, ki temelji na vozliščih, omogoča gradnjo kompleksnih sistemov iz preprostih, ponovno uporabnih komponent, kar olajša skaliranje in spreminjanje obnašanja robota.

Programiranje ROS: Gradniki

Programiranje ROS vključuje razumevanje njegovih temeljnih komponent in njihove medsebojne interakcije. Primarna jezika za razvoj ROS sta Python in C++, kar razvijalcem omogoča izbiro glede na zahteve po zmogljivosti in osebne preference.

Vozlišča

Kot že omenjeno, so vozlišča temeljne računske enote v ROS. Vsako vozlišče običajno izvaja določeno nalogo, kot je krmiljenje motorja, branje podatkov s senzorja ali izvajanje algoritma za načrtovanje poti. Vozlišča komunicirajo med seboj preko sporočil.

Primer: Vozlišče je lahko odgovorno za branje podatkov s senzorja IMU (Inercijska merilna enota) in njihovo objavo kot sporočilo sensor_msgs/Imu.

Teme

Teme so poimenovana vodila, ki omogočajo vozliščem izmenjavo podatkov. Vozlišče, ki proizvaja podatke (objavitelj), pošilja sporočila v temo, druga vozlišča (naročniki), ki jih ti podatki zanimajo, pa lahko ta sporočila iz teme prejemajo. Ta model objavi-naroči se je ključen za decentralizirano naravo ROS.

Primer: Vozlišče, ki objavlja slike s kamere, jih lahko objavi v temi z imenom /camera/image_raw. Drugo vozlišče, ki izvaja zaznavanje predmetov, bi se naročilo na to temo.

Sporočila

Sporočila so podatkovne strukture, ki se uporabljajo za komunikacijo med vozlišči. ROS definira standardne tipe sporočil za običajne podatke v robotiki, kot so odčitki senzorjev, položaji in ukazi. Razvijalci lahko definirajo tudi lastne tipe sporočil, ki ustrezajo specifičnim potrebam aplikacije.

Pogosti tipi sporočil:

• std_msgs/String: Preprosto sporočilo z nizom.
• geometry_msgs/Twist: Uporablja se za pošiljanje ukazov za hitrost (linearno in kotno).
• sensor_msgs/Image: Predstavlja slikovne podatke s kamere.
• nav_msgs/Odometry: Vsebuje informacije o položaju in hitrosti robota.

Storitve

Medtem ko se teme uporabljajo za neprekinjene tokove podatkov, se storitve uporabljajo za komunikacijo tipa zahteva-odgovor. Odjemalsko vozlišče lahko pokliče storitev, ki jo nudi strežniško vozlišče, strežniško vozlišče pa bo izvedlo dejanje in vrnilo odgovor. Storitve so uporabne za operacije, ki ne zahtevajo neprekinjenega pretoka podatkov, kot je ponastavitev stanja robota ali izvedba določenega izračuna.

Primer: Storitev bi se lahko uporabila za sprožitev premika robota na določeno ciljno lokacijo, pri čemer bi storitev vrnila status uspešnosti ali neuspešnosti.

Akcije

Akcije ponujajo vmesnik na višji ravni za izvajanje dolgotrajnih nalog s povratnimi informacijami. Primerne so za cilje, ki zahtevajo čas za dokončanje in potrebujejo nenehno spremljanje. Akcije so sestavljene iz cilja, povratnih informacij in rezultata.

Primer: Akcijski strežnik za navigacijo bi lahko sprejel cilj geometry_msgs/PoseStamped za ciljno lokacijo. Nato bi zagotavljal neprekinjene povratne informacije o napredku robota in vrnil rezultat, ki bi kazal, ali je bil cilj uspešno dosežen.

Kako začeti s programiranjem ROS

Podati se na pot programiranja ROS je vznemirljiv korak. Tukaj je načrt, ki vam bo pomagal začeti:

1. Namestitev

Prvi korak je namestitev ROS na vaš razvojni računalnik. ROS je najbolj stabilen in široko podprt na Ubuntu Linux. Postopek namestitve običajno vključuje:

• Dodajanje repozitorija ROS v vaš sistem.
• Namestitev distribucije ROS (npr. ROS Noetic Ninjemys, ROS 2 Humble Hawksbill).
• Nastavitev vašega okolja ROS.

Uradni ROS wiki (wiki.ros.org) ponuja podrobna, distribucijsko specifična navodila za namestitev za različne operacijske sisteme.

2. Razumevanje orodij ROS

Spoznajte bistvena orodja ukazne vrstice ROS:

• roscore: Glavno vozlišče, ki upravlja in koordinira vsa ostala vozlišča.
• rosrun: Zažene vozlišče ROS iz paketa.
• roslaunch: Zažene eno ali več vozlišč ROS z uporabo zagonske datoteke (format XML), kar poenostavi zagon kompleksnih sistemov.
• rostopic: Pregleduje in interagira s temami (seznam tem, izpis sporočil, objava sporočil).
• rosservice: Pregleduje in interagira s storitvami.
• rosnode: Seznam in pregled vozlišč.

3. Ustvarjanje prvega paketa ROS

Paket ROS je temeljna enota organizacije programske opreme. Naučili se boste ustvarjati pakete, ki vsebujejo vaša vozlišča, skripte in konfiguracijske datoteke.

Koraki za ustvarjanje paketa:

1. Pomaknite se v mapo src vašega delovnega prostora ROS.
2. Uporabite ukaz: catkin_create_pkg moje_ime_paketa roscpp rospy std_msgs (za ROS 1) ali ros2 pkg create --build-type ament_cmake moje_ime_paketa (za ROS 2).

Ta ukaz ustvari novo mapo s standardnimi datotekami paketa ROS, kot sta package.xml in CMakeLists.txt (za C++) ali setup.py (za Python).

4. Pisanje vozlišč ROS

Pisanje vozlišč ROS vključuje uporabo odjemalskih knjižnic ROS (roscpp za C++ in rospy za Python) za ustvarjanje objaviteljev, naročnikov, odjemalcev/strežnikov storitev in odjemalcev/strežnikov akcij.

Primer v Pythonu (ROS 1 `rospy`): Preprost objavitelj

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

Primer v C++ (ROS 1 `roscpp`): Preprost objavitelj

#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. Prevajanje vašega delovnega prostora

Po ustvarjanju ali spreminjanju paketov ROS morate prevesti svoj delovni prostor z uporabo catkin_make (ROS 1) ali colcon build (ROS 2). Ta postopek zgradi vaša vozlišča v C++ in naredi vaše Python skripte vidne za ROS.

ROS 1:

cd ~/catkin_ws # Ali vaša mapa delovnega prostora
catkin_make
source devel/setup.bash

ROS 2:

cd ~/ros2_ws # Ali vaša mapa delovnega prostora
colcon build
source install/setup.bash

Napredni koncepti in uporabe ROS

Ko obvladate osnove, lahko raziščete naprednejše koncepte in aplikacije ROS:

Navigacijski sklad ROS

Navigacijski sklad ROS je močan nabor orodij, ki mobilnim robotom omogoča avtonomno navigacijo v svojem okolju. Obravnava naloge, kot so:

• Globalno načrtovanje: Iskanje poti od začetne do ciljne pozicije na zemljevidu.
• Lokalno načrtovanje: Generiranje ukazov za hitrost za sledenje globalni poti ob izogibanju neposrednim oviram.
• Lokalizacija: Ocenjevanje položaja robota na zemljevidu.
• Upravljanje z zemljevidi: Ustvarjanje in uporaba mrežnih zemljevidov zasedenosti.

Ta sklad je ključen za aplikacije, kot so avtonomni skladiščni roboti, dostavni droni in storitveni roboti, ki delujejo v različnih okoljih.

Manipulacija v ROS

Za robote z rokami ali prijemali ROS ponuja knjižnice in orodja za manipulacijo. To vključuje:

• MoveIt!: Široko uporabljen okvir za načrtovanje gibanja, preverjanje trkov in krmiljenje robotskih rok.
• Zaznavanje: Knjižnice za obdelavo podatkov 3D senzorjev (npr. iz globinskih kamer) za zaznavanje predmetov in ocenjevanje njihovih položajev.
• Prijemanje: Algoritmi za načrtovanje in izvajanje prijemov predmetov.

Te zmožnosti so bistvene za industrijsko avtomatizacijo, robotsko kirurgijo in naloge sestavljanja.

ROS za zaznavanje

Zaznavanje je temelj sodobne robotike, ki robotom omogoča razumevanje njihove okolice. ROS se nemoteno integrira s številnimi knjižnicami za računalniški vid in obdelavo senzorjev:

• OpenCV: Temeljna knjižnica za obdelavo slik in naloge računalniškega vida.
• PCL (Point Cloud Library): Za obdelavo podatkov 3D senzorjev, kot so skeniranja LiDAR.
• Vozlišča za računalniški vid: Vnaprej pripravljena vozlišča za naloge, kot so zaznavanje predmetov (npr. z uporabo YOLO, SSD), ujemanje značilnosti in SLAM (simultana lokalizacija in kartiranje).

Ta orodja so ključna za robote, ki delujejo v dinamičnih in nestrukturiranih okoljih, kot so avtonomna vozila in inšpekcijski droni.

Integracija ROS z UI/SU

Sinergija med ROS in umetno inteligenco/strojnim učenjem (UI/SU) globoko preoblikuje robotiko. ROS deluje kot idealna platforma za uvajanje in testiranje modelov SU:

• Integracija s TensorFlow/PyTorch: Vozlišča ROS se lahko razvijejo za izvajanje sklepanja za modele SU, kar omogoča naloge, kot so napredno prepoznavanje predmetov, semantična segmentacija in krmiljenje na podlagi ojačitvenega učenja.
• Zbiranje podatkov: Orodje rosbag v ROS je neprecenljivo za zbiranje velikih naborov podatkov s senzorjev, ki se nato uporabijo za učenje modelov SU.
• Prenos iz simulacije v realnost: Simulatorji, kot je Gazebo, integrirani z ROS, omogočajo učenje robotov v virtualnih okoljih pred njihovo uporabo na fizični strojni opremi, kar je ključen vidik sodobne UI robotike.

ROS 2: Naslednja generacija

ROS 2 je pomembna evolucija prvotnega okvira ROS, ki odpravlja omejitve in vključuje nove funkcije za sodoben razvoj robotike:

• Podpora za realnočasovno delovanje: Izboljšana podpora za realnočasovne krmilne sisteme.
• Sistemi z več roboti: Izboljšane zmožnosti za koordinacijo več robotov.
• Varnost: Vgrajene varnostne funkcije za robustnejšo komunikacijo.
• Medplatformnost: Boljša podpora za platforme izven Linuxa, vključno z Windows in macOS.
• DDS (Data Distribution Service): Zamenjal je starejši komunikacijski sloj ROS, kar ponuja izboljšano zmogljivost in zanesljivost.

Ker se področje robotike razvija, postaja razumevanje tako ROS 1 kot ROS 2 vse bolj pomembno.

Globalni vpliv in uporabe ROS

Vpliv ROS sega po vsem svetu in omogoča inovacije v različnih sektorjih:

• Avtonomna vozila: Podjetja in raziskovalne ustanove po vsem svetu uporabljajo ROS za razvoj tehnologij za samovozeče avtomobile, pri čemer izkoriščajo njegove zmožnosti navigacije, zaznavanja in krmiljenja.
• Industrijska avtomatizacija: Proizvajalci uporabljajo ROS za inteligentne robote na tekočih trakovih, v logistiki in za pregled kakovosti. Primere najdemo v avtomobilskih tovarnah v Nemčiji, proizvodnji elektronike v Aziji in avtomatiziranih skladiščih v Severni Ameriki.
• Zdravstvo: Robotski kirurški sistemi, roboti za pomoč pacientom in platforme za avtomatizacijo laboratorijev pogosto uporabljajo ROS za natančno krmiljenje in interakcijo.
• Kmetijstvo: Avtonomni traktorji, droni za natančno škropljenje in roboti za žetev v kmetijskih središčih po Evropi, Severni Ameriki in Avstraliji vse bolj prevzemajo ROS.
• Raziskave in izobraževanje: ROS je stalnica na univerzah in v raziskovalnih laboratorijih po vsem svetu, kjer spodbuja naslednjo generacijo robotikov in raziskovalcev UI.

Izzivi in najboljše prakse pri programiranju ROS

Čeprav je ROS močan, učinkovit razvoj zahteva pozornost na določene izzive in upoštevanje najboljših praks:

Izzivi

• Odpravljanje napak v kompleksnih sistemih: Odpravljanje napak v porazdeljenih sistemih je lahko zapleteno. Obvladovanje orodij ROS, kot sta rqt_graph in rosbag, je bistveno.
• Optimizacija zmogljivosti: Za naloge z visoko frekvenco ali robote z omejenimi viri je optimizacija vozlišč v C++ in učinkovita serializacija sporočil ključnega pomena.
• Realnočasovna zmogljivost: Doseganje pravega realnočasovnega krmiljenja v ROS zahteva skrbno konfiguracijo sistema in pogosto specializirane realnočasovne operacijske sisteme (RTOS). ROS 2 ponuja boljše temelje za to.
• Integracija z obstoječimi sistemi: Integracija ROS s staro strojno opremo ali lastniško programsko opremo lahko predstavlja izzive glede združljivosti.

Najboljše prakse

• Modularna zasnova: Razdelite kompleksne naloge na majhna, ponovno uporabna vozlišča.
• Jasne konvencije poimenovanja: Uporabljajte opisna imena za vozlišča, teme in parametre.
• Celovita dokumentacija: Temeljito dokumentirajte svoje pakete in vozlišča.
• Nadzor različic: Uporabljajte Git ali druge sisteme za nadzor različic za sodelovalni razvoj.
• Simulacija: Pred uvedbo na fizični strojni opremi obširno uporabljajte simulatorje, kot je Gazebo, za testiranje in razvoj.
• Prevzem ROS 2: Za nove projekte razmislite o začetku z ROS 2 zaradi njegove sodobne arhitekture in izboljšanih funkcij.

Prihodnost programiranja ROS

Evolucija ROS je tesno povezana z napredkom v robotiki in UI. Z naraščajočim povpraševanjem po inteligentnih, avtonomnih sistemih bo ROS še naprej ključen okvir. Prihodnji razvoj se bo verjetno osredotočil na:

• Izboljšano podporo za računalništvo na robu in vgrajene sisteme.
• Bolj sofisticirana orodja za integracijo in uvajanje UI/SU.
• Izboljšane funkcije kibernetske varnosti in varnosti.
• Večjo interoperabilnost z drugimi okviri in standardi v robotiki.

Zaključek

Programiranje operacijskega sistema za robote (ROS) je temeljna veščina za vsakogar, ki si prizadeva graditi sodobne robotske sisteme. Njegova prilagodljiva arhitektura, obsežne knjižnice in živahna globalna skupnost ga delajo za neprimerljivo orodje za inovacije. Z razumevanjem njegovih ključnih načel, obvladovanjem njegovih orodij in upoštevanjem najboljših praks lahko sprostite potencial ROS za ustvarjanje inteligentnih robotov, ki bodo oblikovali industrije in izboljšali življenja po vsem svetu. Ne glede na to, ali delate na avtonomnih vozilih v Kaliforniji, industrijski avtomatizaciji na Japonskem ali raziskavah v Evropi, ROS ponuja skupen jezik in orodjarno za spodbujanje napredka v robotiki.