Опанування Robot Operating System (ROS): Глобальний посібник з програмування ROS

Сфера робототехніки стрімко розвивається, а досягнення в галузі штучного інтелекту, машинного навчання та автоматизації змінюють промисловість по всьому світу. В основі цієї технологічної революції лежить Robot Operating System (ROS) — гнучка та потужна платформа, що стала незамінним інструментом для розробки роботів. Цей вичерпний посібник призначений для глобальної аудиторії інженерів, дослідників, студентів та ентузіастів, які прагнуть зрозуміти та використовувати програмування ROS для створення складних роботизованих систем.

Що таке Robot Operating System (ROS)?

ROS — це не операційна система в традиційному розумінні, як Windows або Linux. Натомість, це гнучке проміжне програмне забезпечення (middleware), що надає набір бібліотек, інструментів та угод для створення програмного забезпечення для роботів. Розроблена спочатку компанією Willow Garage, а тепер підтримувана спільнотою ROS, ця система пропонує стандартизований спосіб написання програм для роботів, якими можна легко обмінюватися та повторно використовувати на різних роботах та у різних застосунках. Вона діє як комунікаційний шар, що дозволяє різним компонентам системи робота — таким як сенсори, виконавчі механізми, алгоритми навігації та користувацькі інтерфейси — безперебійно взаємодіяти.

Ключові принципи ROS

ROS побудована на кількох основних принципах, які забезпечують її гнучкість та потужність:

• Децентралізована архітектура: ROS сприяє розподіленій архітектурі на основі передачі повідомлень. Замість однієї монолітної програми, функціональність робота розбивається на менші, незалежні процеси, що називаються вузлами (nodes).
• Комунікація за моделлю видавець-підписник: Вузли спілкуються один з одним, публікуючи повідомлення в теми (topics) та підписуючись на теми від інших вузлів. Це роз'єднує вузли, дозволяючи їм розвиватися незалежно.
• Пакети (Packages): Код ROS організований у пакети, які є самодостатніми одиницями, що можуть містити вузли, бібліотеки, файли конфігурації та інше. Ця модульність сприяє повторному використанню коду та співпраці.
• Інструменти та утиліти: ROS постачається з багатою екосистемою інструментів для візуалізації (напр., RViz), симуляції (напр., Gazebo), налагодження, запису даних (rosbag) та багато іншого, що значно спрощує процес розробки.

Чому варто обрати ROS для ваших проєктів у робототехніці?

Широке впровадження ROS у дослідницьких установах та промисловості по всьому світу є свідченням її численних переваг:

• Відкритий код та керованість спільнотою: ROS є безкоштовною для використання та має активну глобальну спільноту, яка робить внесок у її розвиток, надаючи величезну кількість готових пакетів та ресурсів підтримки.
• Абстракція від апаратного забезпечення: ROS абстрагує значну частину низькорівневої складності апаратного забезпечення, дозволяючи розробникам зосередитися на високорівневій функціональності робота.
• Кросплатформна сумісність: Хоча ROS переважно розробляється на Linux (Ubuntu), її також можна використовувати на macOS та Windows, що сприяє ширшій доступності.
• Багата екосистема: Доступна велика кількість бібліотек та інструментів для таких завдань, як навігація, маніпуляція, сприйняття та взаємодія людини з роботом, які часто інтегровані з популярними сенсорами та апаратними платформами.
• Масштабованість та модульність: Архітектура на основі вузлів дозволяє створювати складні системи з простих, багаторазово використовуваних компонентів, що полегшує масштабування та модифікацію поведінки робота.

Програмування ROS: Основні елементи

Програмування ROS передбачає розуміння її фундаментальних компонентів та їхньої взаємодії. Основними мовами для розробки на ROS є Python та C++, що дає розробникам вибір залежно від вимог до продуктивності та особистих уподобань.

Вузли (Nodes)

Як уже згадувалося, вузли є основними обчислювальними одиницями в ROS. Кожен вузол зазвичай виконує певне завдання, наприклад, керує двигуном, зчитує дані з сенсора або виконує алгоритм планування шляху. Вузли спілкуються один з одним через повідомлення.

Приклад: Вузол може відповідати за зчитування даних із сенсора IMU (інерційного вимірювального блоку) та публікацію їх у вигляді повідомлення типу sensor_msgs/Imu.

Теми (Topics)

Теми — це іменовані шини, які дозволяють вузлам обмінюватися даними. Вузол, що створює дані (видавець), надсилає повідомлення в тему, а інші вузли (підписники), зацікавлені в цих даних, можуть отримувати ці повідомлення з теми. Ця модель "видавець-підписник" є ключовою для децентралізованої природи ROS.

Приклад: Вузол, що публікує зображення з камери, може робити це в тему з назвою /camera/image_raw. Інший вузол, що виконує розпізнавання об'єктів, підпишеться на цю тему.

Повідомлення (Messages)

Повідомлення — це структури даних, що використовуються для комунікації між вузлами. ROS визначає стандартні типи повідомлень для поширених робототехнічних даних, таких як показання сенсорів, пози та команди. Розробники також можуть визначати власні типи повідомлень для потреб конкретного застосунку.

Поширені типи повідомлень:

• std_msgs/String: Просте рядкове повідомлення.
• geometry_msgs/Twist: Використовується для надсилання команд швидкості (лінійної та кутової).
• sensor_msgs/Image: Представляє дані зображення з камери.
• nav_msgs/Odometry: Містить інформацію про позу та швидкість робота.

Сервіси (Services)

Тоді як теми використовуються для безперервних потоків даних, сервіси використовуються для комунікації за моделлю "запит-відповідь". Вузол-клієнт може викликати сервіс, наданий вузлом-сервером, а серверний вузол виконає дію та поверне відповідь. Сервіси корисні для операцій, які не потребують безперервного потоку даних, наприклад, для скидання стану робота або виконання конкретного обчислення.

Приклад: Сервіс можна використати для того, щоб робот перемістився до певної цільової точки, при цьому сервіс повертає статус успіху або невдачі.

Дії (Actions)

Дії надають високорівневий інтерфейс для виконання довготривалих завдань зі зворотним зв'язком. Вони підходять для цілей, на виконання яких потрібен час і які вимагають постійного моніторингу. Дії складаються з мети, зворотного зв'язку та результату.

Приклад: Сервер дій навігації може приймати мету типу geometry_msgs/PoseStamped для цільового місцеположення. Потім він надаватиме безперервний зворотний зв'язок про прогрес робота та поверне результат, що вказує, чи було досягнуто мети успішно.

Початок роботи з програмуванням ROS

Початок вашої подорожі у світ програмування ROS — це захопливий крок. Ось дорожня карта, яка допоможе вам розпочати:

1. Встановлення

Перший крок — це встановити ROS на вашу робочу машину. ROS є найбільш стабільною та широко підтримуваною на Ubuntu Linux. Процес встановлення зазвичай включає:

• Додавання репозиторію ROS до вашої системи.
• Встановлення дистрибутива ROS (напр., ROS Noetic Ninjemys, ROS 2 Humble Hawksbill).
• Налаштування середовища ROS.

Офіційна ROS wiki (wiki.ros.org) надає детальні інструкції зі встановлення для конкретного дистрибутива та для різних операційних систем.

2. Розуміння інструментів ROS

Ознайомтеся з основними інструментами командного рядка ROS:

• roscore: Головний вузол, який керує та координує всі інші вузли.
• rosrun: Виконує вузол ROS з пакету.
• roslaunch: Запускає один або декілька вузлів ROS за допомогою файлу запуску (формат XML), що спрощує запуск складних систем.
• rostopic: Дозволяє перевіряти теми та взаємодіяти з ними (список тем, вивід повідомлень, публікація повідомлень).
• rosservice: Дозволяє перевіряти сервіси та взаємодіяти з ними.
• rosnode: Перелічує та перевіряє вузли.

3. Створення вашого першого пакету ROS

Пакет ROS є фундаментальною одиницею організації програмного забезпечення. Ви навчитеся створювати пакети, які містять ваші вузли, скрипти та файли конфігурації.

Кроки для створення пакету:

1. Перейдіть до каталогу src вашого робочого простору ROS.
2. Використайте команду: catkin_create_pkg my_package_name roscpp rospy std_msgs (для ROS 1) або ros2 pkg create --build-type ament_cmake my_package_name (для ROS 2).

Ця команда створює новий каталог зі стандартними файлами пакету ROS, такими як package.xml та CMakeLists.txt (для C++) або setup.py (для Python).

4. Написання вузлів ROS

Написання вузлів ROS передбачає використання клієнтських бібліотек ROS (roscpp для C++ та rospy для Python) для створення видавців, підписників, клієнтів/серверів сервісів та клієнтів/серверів дій.

Приклад на Python (ROS 1 `rospy`): Простий видавець

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 = "привіт, світе %s" % rospy.get_time()
        rospy.loginfo(hello_str)
        pub.publish(hello_str)
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        talker()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

Приклад на C++ (ROS 1 `roscpp`): Простий видавець

#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 = "Привіт, світе";
    chatter_pub.publish(msg);
    
    ros::spinOnce();

    loop_rate.sleep();
  }

  return 0;
}

5. Компіляція вашого робочого простору

Після створення або зміни пакетів ROS, вам потрібно скомпілювати ваш робочий простір за допомогою catkin_make (ROS 1) або colcon build (ROS 2). Цей процес збирає ваші вузли на C++ і робить ваші скрипти на Python доступними для ROS.

ROS 1:

cd ~/catkin_ws # Або ваш каталог робочого простору
catkin_make
source devel/setup.bash

ROS 2:

cd ~/ros2_ws # Або ваш каталог робочого простору
colcon build
source install/setup.bash

Просунуті концепції та застосування ROS

Коли ви опануєте основи, ви зможете досліджувати більш просунуті концепції та застосунки ROS:

Навігаційний стек ROS

Навігаційний стек ROS — це потужний набір інструментів, що дозволяє мобільним роботам автономно переміщатися у своєму середовищі. Він виконує такі завдання, як:

• Глобальне планування: Пошук шляху від початкової до цільової позиції на карті.
• Локальне планування: Генерування команд швидкості для слідування глобальним шляхом, уникаючи при цьому безпосередніх перешкод.
• Локалізація: Оцінка пози робота на карті.
• Керування картою: Створення та використання карт зайнятості простору (occupancy grid maps).

Цей стек є вирішальним для таких застосунків, як автономні складські роботи, дрони-доставники та сервісні роботи, що працюють у різноманітних середовищах.

Маніпуляції в ROS

Для роботів з маніпуляторами або захватами ROS надає бібліотеки та інструменти для маніпуляцій. Сюди входить:

• MoveIt!: Широко використовувана платформа для планування рухів, перевірки зіткнень та керування роботизованими руками.
• Сприйняття (Perception): Бібліотеки для обробки даних 3D-сенсорів (наприклад, з камер глибини) для виявлення об'єктів та оцінки їхніх поз.
• Захоплення (Grasping): Алгоритми для планування та виконання захоплень об'єктів.

Ці можливості є важливими для промислової автоматизації, роботизованої хірургії та завдань зі складання.

ROS для сприйняття (Perception)

Сприйняття є наріжним каменем сучасної робототехніки, що дозволяє роботам розуміти своє оточення. ROS безперешкодно інтегрується з численними бібліотеками комп'ютерного зору та обробки даних із сенсорів:

• OpenCV: Фундаментальна бібліотека для обробки зображень та завдань комп'ютерного зору.
• PCL (Point Cloud Library): Для обробки даних 3D-сенсорів, таких як скани LiDAR.
• Вузли комп'ютерного зору: Готові вузли для таких завдань, як виявлення об'єктів (наприклад, за допомогою YOLO, SSD), зіставлення ознак та SLAM (одночасна локалізація та картографування).

Ці інструменти є життєво важливими для роботів, що працюють у динамічних та неструктурованих середовищах, таких як автономні транспортні засоби та інспекційні дрони.

Інтеграція ROS та ШІ/МН

Синергія між ROS та штучним інтелектом/машинним навчанням глибоко трансформує робототехніку. ROS виступає ідеальною платформою для розгортання та тестування моделей МН:

• Інтеграція з TensorFlow/PyTorch: Вузли ROS можна розробляти для виконання висновків (inference) моделей МН, що дозволяє реалізувати такі завдання, як розширене розпізнавання об'єктів, семантична сегментація та керування на основі навчання з підкріпленням.
• Збір даних: Інструмент ROS rosbag є безцінним для збору великих наборів даних із сенсорів, які потім використовуються для навчання моделей МН.
• Перенесення з симуляції в реальність (Sim-to-Real): Симулятори, такі як Gazebo, інтегровані з ROS, дозволяють тренувати роботів у віртуальних середовищах перед їх розгортанням на фізичному обладнанні, що є ключовим аспектом сучасної робототехніки на базі ШІ.

ROS 2: Наступне покоління

ROS 2 — це значна еволюція оригінальної платформи ROS, що вирішує її обмеження та включає нові функції для сучасної розробки в робототехніці:

• Підтримка реального часу: Покращена підтримка для систем керування в реальному часі.
• Системи з кількома роботами: Покращені можливості для координації кількох роботів.
• Безпека: Вбудовані функції безпеки для більш надійного зв'язку.
• Кросплатформність: Краща підтримка платформ, крім Linux, включаючи Windows та macOS.
• DDS (Data Distribution Service): Замінив старий комунікаційний шар ROS, пропонуючи покращену продуктивність та надійність.

Оскільки ландшафт робототехніки розвивається, розуміння як ROS 1, так і ROS 2 стає все більш важливим.

Глобальний вплив та застосування ROS

Вплив ROS поширюється по всьому світу, сприяючи інноваціям у різних секторах:

• Автономні транспортні засоби: Компанії та дослідницькі установи по всьому світу використовують ROS для розробки технологій безпілотних автомобілів, використовуючи її можливості для навігації, сприйняття та керування.
• Промислова автоматизація: Виробники застосовують ROS для інтелектуальних роботів на складальних лініях, у логістиці та для контролю якості. Приклади можна знайти на автомобільних заводах у Німеччині, виробництві електроніки в Азії та автоматизованих складах у Північній Америці.
• Охорона здоров'я: Системи роботизованої хірургії, роботи-помічники для пацієнтів та платформи для автоматизації лабораторій часто використовують ROS для точного керування та взаємодії.
• Сільське господарство: Автономні трактори, дрони для точного обприскування та роботи-збирачі врожаю в аграрних центрах Європи, Північної Америки та Австралії все частіше впроваджують ROS.
• Дослідження та освіта: ROS є стандартом в університетах та дослідницьких лабораторіях по всьому світу, виховуючи наступне покоління робототехніків та дослідників ШІ.

Виклики та найкращі практики в програмуванні ROS

Хоча ROS є потужною, ефективна розробка вимагає уваги до певних викликів та дотримання найкращих практик:

Виклики

• Налагодження складних систем: Налагодження розподілених систем може бути складним. Опанування інструментів ROS, таких як rqt_graph та rosbag, є важливим.
• Оптимізація продуктивності: Для завдань з високою частотою або для роботів з обмеженими ресурсами оптимізація вузлів на C++ та ефективна серіалізація повідомлень є вирішальними.
• Продуктивність у реальному часі: Досягнення справжнього керування в реальному часі в ROS вимагає ретельного налаштування системи та часто спеціалізованих операційних систем реального часу (RTOS). ROS 2 пропонує кращі основи для цього.
• Інтеграція з існуючими системами: Інтеграція ROS зі застарілим обладнанням або пропрієтарним програмним забезпеченням може створювати проблеми сумісності.

Найкращі практики

• Модульний дизайн: Розбивайте складні завдання на невеликі, багаторазово використовувані вузли.
• Чіткі угоди про іменування: Використовуйте описові назви для вузлів, тем та параметрів.
• Вичерпна документація: Ретельно документуйте ваші пакети та вузли.
• Контроль версій: Використовуйте Git або інші системи контролю версій для спільної розробки.
• Симуляція: Широко використовуйте симулятори, як-от Gazebo, для тестування та розробки перед розгортанням на фізичному обладнанні.
• Впровадження ROS 2: Для нових проєктів розглядайте можливість почати з ROS 2 через її сучасну архітектуру та розширені можливості.

Майбутнє програмування ROS

Еволюція ROS тісно пов'язана з досягненнями в робототехніці та ШІ. Зі зростаючим попитом на інтелектуальні, автономні системи, ROS продовжуватиме бути життєво важливою платформою. Майбутні розробки, ймовірно, будуть зосереджені на:

• Покращеній підтримці граничних обчислень (edge computing) та вбудованих систем.
• Більш досконалих інструментах для інтеграції та розгортання ШІ/МН.
• Покращених функціях кібербезпеки та безпеки.
• Більшій сумісності з іншими платформами та стандартами робототехніки.

Висновок

Програмування Robot Operating System (ROS) є фундаментальною навичкою для кожного, хто прагне створювати сучасні роботизовані системи. Її гнучка архітектура, великі бібліотеки та активна глобальна спільнота роблять її неперевершеним інструментом для інновацій. Розуміючи її основні принципи, опановуючи її інструменти та дотримуючись найкращих практик, ви зможете розкрити потенціал ROS для створення інтелектуальних роботів, які будуть формувати промисловість та покращувати життя людей по всьому світу. Незалежно від того, чи працюєте ви над автономними транспортними засобами в Каліфорнії, промисловою автоматизацією в Японії чи дослідженнями в Європі, ROS надає спільну мову та інструментарій для просування прогресу в робототехніці.