Образовательный робот TurtleBro разработан для изучения основ современной робототехники на примере мета-операционной системы Robot Operating System (ROS), работающей в среде Linux.

Данная инструкция описывает устройство робота, основы работы с ним, а также рассказывает последовательность действий для работы с ROS на плате Raspberry Pi.

Обновление образа microSD-карты Raspberry Pi

Образ SD-карты с ROS2 создан на основе дистрибутива ROS2 Humble. В качестве базовой ОС используется Ubuntu Server 22.04 LTS

В образе уже установлены дополнительные пользовательские пакеты (аналоги старых пакетов ROS1):

Обновление прошивки системной платы робота

Запуск и подключение к роботу

После обновления SD-карты и прошивки - робот готов для работы.

Имя робота после установки нового образа: turtlebro01

Все необходимые сервисы и пакеты запускаются при включения робота.

Веб-интерфейс

Подключение к ROS на роботе

После подключения к роботу по SSH, работают все ros2 команды.

Робот запускает fastdds server с настройками -l 127.0.0.1 -p 11811

Управление fastdds через systemd

sudo systemctl start fastdds
sudo systemctl stop fastdds

Для настройки компьютера для подключению к ROS2 необходимо провести настройки в режим super_client. Для этого необходимо на компьютере:

1. Скачать .xml файл:

wget https://raw.githubusercontent.com/voltbro/turtlebro2/master/extra/fastdds_supeclient.xml

1. Поменять настройки адреса подключения в скаченном файле:

<udpv4>
	<address>127.0.0.1</address>
	<port>11811</port>
</udpv4>

Вместо 127.0.0.1 необходимо указать IP-адрес робота.

1. Установить переменную окружения, указав месторасположения файла:

export FASTRTPS_DEFAULT_PROFILES_FILE=./fastdds_supeclient.xml

После завершения настроек, при выполнении команды ros2 topic list вы увидите топики вашего робота.

Доступные сервисы

Основной сервис необходимый для работы робота turtlebro

sudo systemctl start turtlebro
sudo systemctl stop turtlebro

При выполнении запуска сервиса запускается launch файл пакета turtlebro turtlebro.xml

Сервис-агент для работы microros

sudo systemctl start microros
sudo systemctl stop microros

Обновление на версию 0.9 и новее

В прошивке начиная с версии 0.9 используется ROS Noetic и Python3. Для обновления на актуальную версию необходимо:

Начиная с версии 0.9 пакеты ROS устанавливаются в двух разных директориях окружений. Системные пакеты установлены в директорию ros_catkin_ws. В директорию catkin_ws установлены пользовательские пакеты.

Вид собранного робота

Робот поставляется в собранном виде. Для включения робота необходимо подать питание на разъем "DC IN" или подключить заряженный аккумулятор, а затем перевести переключатель питания в положение ON.

Аккумуляторный блок

Блок аккумуляторов состоит из 4 аккумуляторов типа 18650. Установку аккумуляторов необходимо производить согласно полюсов, изображенных на плате блока.

При выборе аккумуляторов необходимо проверить что напряжение каждого аккумулятора не должно отличать на более чем 0.2 вольта относительно друг друга. Если аккумулятор превышает заданное отклонение, необходимо провести перебалансировку всего блока.

При этом минимальное и максимальное напряжение должно быть в интервала от 2.6В до 4.2В

Телеграм-канал технической и информационной поддержки продуктов проекта «Братья Вольт»

Подключение к роботу по сети из ROS

На компьютере необходимо указать, по какому адресу находится ROS-мастер roscore. Для этого на компьютере в терминале необходимо установить переменную окружения ROS_MASTER_URI:

export ROS_MASTER_URI=http://192.168.0.250:11311/

Где 192.168.0.250 - это IP-адрес робота.

Для правильной работы сети, также необходимо установить на компьютере в терминале переменную ROS_HOSTNAME:

export ROS_HOSTNAME=192.168.0.100

Где 192.168.0.100 - это IP-адрес вашего компьютера.

Удобно прописать ROS_MASTER_URI и ROS_HOSTNAMEв файле .bashrc, для того чтобы каждый раз не делать export. Для этого необходимо открыть в текстовом редакторе файл ~/.bashrc и в самый конец добавить строчки:

export ROS_MASTER_URI=http://<IP-адрес робота>:11311/
export ROS_HOSTNAME=<IP-адрес компьютера>

Аналогичные настройки ROS_MASTER_URI и ROS_HOSTNAME уже применены на роботе через файл .bashrc.

Если все настройки проведены верно, вы можете выполнить на вашем компьютере команды ROS и увидеть результат их выполнения:

По умолчанию на Raspberry Pi запущен SSH сервис.

Каждый робот имеет уникальное имя вида turtlebroNN.local, где NN - это номер. При правильной настройке сети и вашего роутера, вы сможете сразу подключиться к Raspberry по его имени

ssh pi@turtlebro20.local

Если подключение не происходит, вам необходимо определить IP-адрес робота. Это можно сделать подключившись к роутеру и найдя имя робота в списке подключенных устройств.

Далее подключиться к роботу можно по IP, где 192.168.0.11 это адрес робота

ssh pi@192.168.0.11

Как определить IP-адрес робота

Если вы подключились к роботу, то для того, чтобы определить его IP-адрес наберите в терминале команду ifconfig

Если вы не смогли подключиться к роботу по его имени, вы можете посмотреть его IP-адрес на microSD карте.

Выключите робота, вытащите microSD карту и подключите ее к компьютеру. В разделе boot в папкеconfigs будут расположены файлы с данными о сетевых настройках робота.

В файле ifconfig.dump будет находиться IP-адрес.

Если вы видите, что робот не может подключиться к вашей сети, проверьте файл wpa_supplicant.conf на наличие в нем вашей Wi-Fi сети.

Смена пароля пользователя

Для смены пароля вам необходимо знать ваш текущий пароль или быть пользователем с возможностью запускать программы через sudo

Для смены пароля текущего пользователя, просто запустите программу passwd. Далее необходимо указать ваш текущий пароль и установить новый. В разных дистрибутивах могут быть свои ограничения на длину и "сложность" пароля. Поэтому поставить очень простой пароль вы не сможете.

Для смены пароля другому пользователю, выполните команду sudo passwd user_name Где user_name это имя пользователя, которому вы хотите сменить пароль. Так как вы запустили программу с привилегиями sudo то для смены пароля не нужно знать его текущий пароль. Также перестают работать ограничения на сложность пароля.

Для начала работы с роботом вы можете зайти на веб-сервер запущенный на роботе http://<IP-адрес робота>:8080 (указав IP адрес вашего робота)

На этой странице будут доступны основные данные робота и изображение получаемое из камеры:

Роботом можно управлять кнопками WSAD.

Перед использованием робота необходимо внимательно изучить данный раздел. В случае использования робота в учебном классе преподаватель должен ознакомить учеников с основными частями раздела.

Экстренное отключение моторов робота

Для экстренной остановки робота необходимо выдернуть "чеку" экстренной остановки. Чека выполнена замкнутым проводом "петлей" длиной около 10 см. и располагается справа от лидара.

При извлечении чеки (размыкании контакта) робот обесточивает моторы и подает постоянный звуковой сигнал. Отключение питания касается только моторов, другие системы робота продолжают работать.

Все люди, взаимодействующие с роботом (ученики, судьи, волонтеры и т.д.) должны изучить расположение чеки и произвести пробное ее выдергивание для запоминания алгоритма действий в экстренной ситуации.

Работа с Li-Po аккумулятором

В комплекте с роботом идет литий-полимерный аккумулятор. Данный тип аккумулятора может выдавать очень большие токи, что в случае короткого замыкания или механического повреждения может привести к его возгоранию.

Необходимо максимально аккуратно производить любые операции с аккумулятором, избегая его ударов, падений и других механических воздействий. Не допускается использование поврежденных (в том числе вздутых) аккумуляторов.

Аккумулятор оснащен разъемом T-Plug, который не позволит перепутать полярность при подключении к роботу.

На плате функционирует блок контроля напряжения аккумулятора, отключающий большинство систем робота при разряде батареи. В состоянии с разряженным аккумулятором робот прекращает работу и начинает издавать звуковой сигнал с интервалом 30 с. Для продолжения работы необходимо выключить тумблер питания и произвести зарядку батареи.

Подключение выносных датчиков

Запрещается подключать к роботу датчики, которые каким либо образом будут зафиксированы на теле человека:

• Медицинские датчики (ЭКГ и т.п.)

• Датчики интегрированные в одежду (перчатки с датчиками положения пальцев и т.п.)

Безопасное выключение (сохранение файлов на microSD карту)

Если вы редактировали файлы на роботе и хотите действительно убедиться что при выключении робота они не потеряются, то прежде чем выключить роботы необходимо выполнить команду:

sudo sync

Данная команда запишет все "закешированные" файлы на microSD карту.

Только после этого возможно выключить робота тумблером выключения питания или перезагрузить его.

Обновление образа ОС возможно через скачивание и полную перезапись microSD карты. Для работы необходима карта размером не менее 16 Gb.

Образ можно использовать для следующей модели Raspberry:

• Raspberry 4

• Raspberry 5

Образы операционной системы

Рекомендуем выбирать самую последнюю версию!

Загрузка образа ОС на SD-карту без настроек

По умолчанию, имя робота установлено turtlebro01. Рекомендуется сразу изменить его на имя согласно номера платы turtlebroNN. Для этого необходимо отредактировать файлы, которые находятся в разделе system в папке /etc:/hosts и/hostname , расположенные на роботе и переименовать turtlebro01->tutlebroNN. Удобнее всего это сделать на компьютере с ОС Linux подключив SD карту или уже на включенном роботе, а потом перезагрузить его.

Версию образа можно посмотреть в разделе system в /boot/version на microSD карте.

Загрузка образа ОС на SD-карту с дополнительными настройками

• Запустите Raspberry Pi Imager:

• Выберите устройство Raspberry Pi - Raspberry Pi 4:

• В окне выбора ОС перейдите в самый низ и выберите Use custom

• Далее выберите образ ОС, который вы хотите записать на microSD:

• Подключите microSD карту к ноутбуку и выберите её как устройство, на которое будет записана ОС:

• Если все настройки сделаны верно, то главный экран программы должен выглядеть вот так:

• Нажмите "Далее" и выберите "Изменить параметры":

• Далее, во вкладке "Общие", вы сможете установить необходимые вам настройки образа ОС такие как:

  • Имя хоста. Мы рекомендуем устанавливать имя хоста: turtlebroNN, где NN - номер робота на наклейке

  • Имя пользователя и пароль. Рекомендуем указывать имя робота: pi; пароль- brobro

  • Настройки Wi-Fi. Здесь вы можете указать настройки своей сети. По умолчанию мы рекомендуем использовать роутеры со следующими параметрами:

    • SSID: TurtleBro или TurtleBro5G

    • Пароль: turtlew001

• Во вкладке "Службы" необходимо включить протокол SSH:

• Во вкладке "Параметры" установите следующие настройки:

• Примените заданные параметры нажатием "Да"

• Согласитесь с форматированием запоминающего устройства:

• Дождитесь записи ОС на microSD:

• После окончания процесса записи, отключите microSD карту от ноутбука, вставьте её в Raspberry Pi робота TurtleBro и включите его. Обратите внимание, что первая загрузка робота может длиться дольше обычного (1.5 - 2 минуты). Если вы сделали всё правильно, то робот подключится к вашей сети с теми именами пользователя и хоста, которые вы указывали в вкладке "Общее" окна настроек.

Установленное ПО на SD карту

На карте установлены основные необходимые ROS пакеты:

rosinstall_generator, actionlib, actionlib_msgs, amcl, angles, base_local_planner, bond, bondcpp, camera_calibration_parsers, camera_info_manager, carrot_planner, catkin, class_loader, clear_costmap_recovery, cmake_modules, costmap_2d, cpp_common, cpp_package_demo, cv_bridge, cv_camera, diagnostic_msgs, dwa_local_planner, dynamic_reconfigure, fake_localization, gencpp, geneus, genlisp, genmsg, gennodejs, genpy, geometry_msgs, global_planner, gmapping, image_transport, joint_state_publisher, kdl_parser, laser_geometry, map_msgs, map_server, message_filters, message_generation, message_runtime, mk, move_base, move_base_msgs, move_slow_and_clear, nav_core, nav_msgs, navfn, nodelet, openslam_gmapping, orocos_kdl, pluginlib, python_orocos_kdl, python_qt_binding, robot_state_publisher, ros_environment, rosapi, rosauth, rosbag, rosbag_migration_rule, rosbag_storage, rosbash, rosboost_cfg, rosbridge_library, rosbridge_msgs, rosbridge_server, rosbuild, rosclean, rosconsole, rosconsole_bridge, roscpp, roscpp_serialization, roscpp_traits, roscpp_tutorials, roscreate, rosgraph, rosgraph_msgs, roslang, roslaunch, roslib, roslint, roslisp, roslz4, rosmake, rosmaster, rosmsg, rosnode, rosout, rospack, rosparam, rospy, rospy_tutorials, rosserial_arduino, rosserial_client, rosserial_msgs, rosserial_python, rosservice, rostest, rostime, rostopic, rosunit, roswtf, rotate_recovery, rplidar_ros, sensor_msgs, smclib, std_msgs, std_srvs, stereo_msgs, tf, tf2, tf2_geometry_msgs, tf2_kdl, tf2_msgs, tf2_py, tf2_ros, tf2_sensor_msgs, topic_tools, trajectory_msgs, urdf, urdf_parser_plugin, uvc_camera, visualization_msgs, voxel_grid, xmlrpcpp

Также установлены пакеты для функционирования робота:

turtlebro turtlebro_extra turtlebro_navigation turtlebro_web

Рабочее окружение

На роботе создано два рабочих окружения для ROS пакетов. Директория catkin_ws для пользовательский пакетов и ros_catkin_ws для системных пакетов.

Пользовательское окружение в директории catkin_ws

Рекомендуется все новые и пользовательские пакеты устанавливать а директорию catkin_ws/src

Например установка пакета из git-репозитория:

При работе в директории catkin_ws ROS использует исходные файлы сразу из этой директории. Поэтому, например, при изменении лаунч-файлов, дополнительно собирать пакеты не нужно. Такой подход упрощает тестирование и разработку.

Обновление системных пакетов

Системные пакеты ROS установлены из исходных кодов, а не загружены при помощи пакетного менеджера apt.Таким образом, для обновления старых системных пакетов и установки новых необходимо собирать пакеты из исходных кодов.

Сборка дистрибутива ROS

Все команды выполняются в директории основного окружения ROS /home/pi/ros_catkin_ws

Пересобрать все системные пакеты ROS

Все системные пакеты после сборки будут остановленны в директорию /opt/ros/noetic

Собрать один конкретный пакет можно командой:

где pkg_name это имя того пакета, который надо собрать отдельно.

Установка новых системных пакетов из дистрибутива ROS

Все новые пакеты необходимо также устанавливать из дистрибутива пакетов ROS.

Установка пакета new_pack из дистрибутива пакетов ROS:

Если пакет не имеет зависимостей, то его можно собрать без сборки всего ROS.

Пакет необходимо установить в директорию /home/pi/catkin_ws/src/turtlebro

Скачать пакет (если пакет не был установлен):

Обновить пакет (если пакет был установлен через git):

После обновления необходимо произвести сборку пакета turtlebro утилитой catkin_make:

При сборке будут перезаписаны все файлы пакета в директорию /opt/ros/noetic и все файлы управления systemd сервисами.

При загрузке ОС происходит запуск сервиса turtlebro (файл /lib/systemd/system/turtlebro.service), который запускает roscore и запускает лаунч-файл пакета turtlebro из /etc/ros/turtlebro.d/turtlebro.launch .

Оба файла перезаписываются при сборке пакета, поэтому их редактирование имеет смысл только в экспериментальных целях. Все изменения необходимо производить в файлах пакета turtlebro, а потом производить его "сборку".

Команды управления сервисом turtlebro

Остановить сервис

sudo systemctl stop turtlebro

Запустить сервис

sudo systemctl start turtlebro

Убрать сервис из автозагрузки

sudo systemctl disable turtlebro

Поставить сервис в автозагрузку

sudo systemctl enable turtlebro

Пакет должен быть установлен в ОС робота на SD карте Raspberry, который подключен непосредственно к системной плате TurtleBoard

В пакете собраны все необходимые зависимости и лаунч-файлы, необходимые для работы с периферией TurtleBoard

• Библиотека rosserial, настроенная для работы с пользовательским МК Arduino и системным микроконтроллером STM32

• Работа с Лидарами RPLidar/YDLidar

• Базовая модель робота в формате URDF, а также настройки robot_state_publisher для работы с /tf топиками

Проверить текущую версию пакета можно командой rosversion turtlebro

Мы рекомендуем использовать единую сеть для всех устройств входящих в учебный класс. Желательно наличие интернета в этой сети.

Все роботы по умолчанию настроены для работы в WiFi и Ethernet в режиме клиента с получением настроек по DHCP.

Настройка подключения к Wi-Fi

Подключение к точке WiFi по умолчанию

По умолчанию при старте Raspberry Pi попытается подключиться к Wi-Fi точке доступа с параметрами:

SSID: TurtleBro
Pass: turtlew001

или

SSID: TurtleBro5G
Pass: turtlew001

Поэтому мы рекомендуем использовать именно такие настройки Wi-Fi роутера для работы с роботом TurtleBro

Настройка подключения к новой Wi-Fi через Ethernet кабель

Это самый простой способ, но требует наличия Ethernet кабеля, подключенного к роутеру.

• Подключите Ethernet кабель к соответствующему разъему Raspberry Pi на включенном роботе

• Зайдите в веб-интерфейс роутера и определите IP адрес робота

ssh pi@IP-адрес

или

pi@turtlebroNN.local

• Откройте в текстовом редакторе на роботе файл wpa_supplicant.conf

sudo nano /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

• В конец файла добавьте настройки Wi-Fi вашей сети в виде:

network={
    ssid="WIFI_NETWORK_NAME"
    psk="wifipassword"
}

При указании пароля от Wi-Fi сети, обязательно наличие кавычек.

• Сохраните файл (CTRL + S) и перезагрузите Raspberry Pi.

Настройка подключения к новой Wi-Fi через SD карту

На SD карте, содержащей готовый образ системы для запуска на роботе, есть два раздела разного размера. Обычно они называются system и boot, но иногда система может назвать их по-другому при подключении к компьютеру.

Если на этапе загрузки Raspberry найдет файл wpa_supplicant.conf в разделе boot то этот файл будет перемещен в раздел system, а именно в /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf и таким образом станет конфигурационным файлом подключения к Wi-Fi сетям.

Чтобы сконфигурировать Raspberry Pi в этом режиме необходимо:

• Подключите microSD карту Raspberry к вашему компьютеру с помощью карт-ридера

• Откройте раздел boot и создайте файл wpa_supplicant.conf:

touch wpa_supplicant.conf

• Откройте текстовый редактор и добавьте в этот файл следующее содержание:

ctrl_interface=DIR=/var/run/wpa_supplicant GROUP=netdev
update_config=1
country=US

network={
    ssid="WIFI_NETWORK_NAME"
    psk="wifipassword"
}

Использование кавычек " в файле с настройками обязательно!

• Сохраните файл (CTRL + S)

• Установите microSD карту в Raspberry и дождитесь завершения загрузки.

Генерация passphrase

Если вы не хотите показывать ваш пароль для пользователей, вы можете сгенерировать специальный ключ passphrase и указать его в файле wpa_supplicant.conf. Пользователи не смогут "подсмотреть" в файле пароль от Wi-Fi и подключать к вашей сети свои устройства.

Для генерации passphrase необходимо запустить программу wpa_passphrase далее указать имя Wi-Fi сети и пароль. Далее вывод который покажет программа необходимо записать в файл wpa_supplicant.conf в параметр passphrase = ""

Дополнительные команды Wi-Fi

sudo iwlist wlan0 scan | grep ESSID #сканирование сети
sudo iwlist wlan0 freq  #доступные каналы Wi-Fi

В рамках обновления робота TurtleBro были подобраны новые моторы с энкодерами, которые отличаются большей надежностью по сравнению с моторами старого образца и имеют улучшенные характеристики.

В связи с увеличением типоразмера новых моторов необходимо пересобрать колесную базу робота.

Разбор колесной базы со старыми моторами

Для разбора колесной базы со старыми моторами необходимо:

1. Отключить робота от питания, вытащить аккумуляторную батарею

2. Отключить кабели моторов и провода питания от платы TurtleBoard, а также usb-кабель подключения камеры от Rasberry Pi

3. Используя крестовую отвёртку открутить 6 винтов М3х8 c верхней части робота и снять плату TurtleBoard

4. Используя крестовую отвёртку открутить 6 винтов М3х8 с верхней части основания колесной базы

5. Отсоединить кронштейны крепления моторов и переднюю панель от нижней части колесной базы

6. Используя крестовую отвёртку открутить 6 винтов М3х8 c нижней части колесной базы и снять 6 монтажных стоек М3х35

Сборка колесной базы с новыми моторами

Используемые элементы:

• Мотор - 2 шт.;

• Кабель подключения мотора к плате TurtleBoard - 2 шт.;

• Боковые кронштейны для крепления мотора - 2 шт.;

• Передний кронштейн - 1 шт.;

• Монтажные стойки М3х40 - 6 шт.;

• Винты М3х8 - 18 шт.;

• Винты М3х10 - 12 шт.;

• Винты М4х8 - 6 шт.;

• Муфты для крепления колес, диаметр вала 6 мм. - 2 шт.;

• Колесо - 2 шт.;

• Крестовая отвертка - 1 шт.;

• Шлицовая отвертка - 1 шт.

Для сбора колесной базы с новыми моторами необходимо:

1. Собрать кронштейн для крепления мотора с левой стороны робота, используя 6 винтов М3х10, в соответствии с рисунком:

2. Собрать кронштейн для крепления мотора с правой стороны робота, используя 6 винтов М3х10, в соответствии с рисунком:

3. К нижней части колесной базы прикрутить 6 монтажных стоек М3х40 используя 6 винтов М3х8

4. Присоединить к мотору кабель подключения. Учтите, что кабель имеет два разных типа коннекторов:

• 6-ти пиновый с шагом 2 мм - для подключения к плате TurtleBoard

• 6-ти пиновый с шагом 2.5 мм - для подключения к мотору

5. Установить на нижнюю часть колесной базы кронштейны крепления моторов и переднюю панель

Обратите внимание, при монтаже кронштейна крепления левого мотора "направляющий треугольник" на кронштейне должен находиться в правом верхнем углу, а для кронштейна крепления правого мотора "направляющий треугольник" должен находиться в левом верхнем углу, как показано на рисунке:

6. Установить верхнюю часть колесной базы и прикрутить её к монтажным стойками используя 6 винтов М3х8

7. На вал мотора установить муфту для крепления колес и колесо, используя 3 винта М4х8

8. Смонтировать плату Turtleboard на верхнюю часть колесной базы используя 6 винтов М3х8

9. Подключить кабели моторов и провода питания от платы TurtleBoard, а также usb-кабель подключения камеры от Rasberry Pi

Изменения режимов работы лидара возможна в лаунч-файле rplidar.launch:

Лидары старой модели (с нижней платой под лидаром) могут работать в слудеющийх режимах:

Новые лидары могу работать в следующих режимах:

По умолчанию, лидар включается в режиме Boost, в котором он выводит 720 точек в топик /scan

Выбор режима работы лидара зависит от условий отражений объектов и размера тестового полигона. В некоторых случаях требует изменение режима работы для более подходящих условий.

Загрузка робота

После включения робота, происходит загрузка системы и автоматический запуск всех необходимых для работы робота нод. Управление нодами, которые будут загружены, возможно через лаунч-файл /etc/ros/turtlebro.d/turtlebro.launch

По умолчанию запускаются следующие ноды:

/arduino_serial_node /republish_raw /robot_state_publisher /rosapi /rosbridge_websocket /rosout /rplidarNode /simple_odom /stm_serial_node /uvc_camera_node /web_telemetry_node /web_video_server /webserver

Работают топики:

/bat /client_count /cmd_vel /connected_clients /diagnostics /front_camera/camera_info /front_camera/image_raw /front_camera/image_raw/compressed /imu /joint_states /odom /odom_pose2d /raw_odom /republish_raw/compressed/parameter_descriptions /republish_raw/compressed/parameter_updates /rosout /rosout_agg /scan /tf /tf_static /web_tele

Запущены сервисы:

/arduino_serial_node/get_loggers /arduino_serial_node/set_logger_level /board_info /power/off /power/reset /republish_raw/compressed/set_parameters /republish_raw/get_loggers /republish_raw/set_logger_level /reset /robot_state_publisher/get_loggers /robot_state_publisher/set_logger_level /rosapi/action_servers /rosapi/delete_param /rosapi/get_loggers /rosapi/get_param /rosapi/get_param_names /rosapi/get_time /rosapi/has_param /rosapi/message_details /rosapi/node_details /rosapi/nodes /rosapi/publishers /rosapi/search_param /rosapi/service_host /rosapi/service_node /rosapi/service_providers /rosapi/service_request_details /rosapi/service_response_details /rosapi/service_type /rosapi/services /rosapi/services_for_type /rosapi/set_logger_level /rosapi/set_param /rosapi/subscribers /rosapi/topic_type /rosapi/topics /rosapi/topics_and_raw_types /rosapi/topics_for_type /rosbridge_websocket/get_loggers /rosbridge_websocket/set_logger_level /rosout/get_loggers /rosout/set_logger_level /rplidarNode/get_loggers /rplidarNode/set_logger_level /set_camera_info /set_pid /simple_odom/get_loggers /simple_odom/set_logger_level /start_motor /stm_serial_node/get_loggers /stm_serial_node/set_logger_level /stop_motor /uvc_camera_node/get_loggers /uvc_camera_node/set_logger_level /web_telemetry_node/get_loggers /web_telemetry_node/set_logger_level /web_video_server/get_loggers /web_video_server/set_logger_level /webserver/get_loggers /webserver/set_logger_level

Настройка параметров запуска

Настройка параметров в файле .ros_params

Файл /home/pi/.ros_params содержит параметры окружения для старта ROS:

Переменная окружения ROVER_WHEEL_PARAM определяет параметр wheel_param для определения типа моторов. Для старых моторов применяется значение: 22500; для новых моторов: 12280. Если одометрия робота из топика не совпадает с реальным перемещением робота, необходимо провести калибровку параметра.

Параметры одометрии

Для того, чтобы одометрия точно отображала реальное перемещение робота используются два параметра:

• stm_serial_node/wheel_distance double

  • тип данных - числовой 64-битный тип

  • размерность - метры

  • обозначает - расстояние между колесами

• stm_serial_node/wheel_param uint32_t

  • тип данных - числовой 32-битовый без знака

  • размерность - безразмерный

  • обозначает- число тиков энкодера на метр. Является расчётным коэффициентом.

Для расчёта параметра wheel_param используется следующая формула:

Установка параметров

Установка параметра wheel_distance возможна в launch-файле rosserial.launch в пакете turtlebro:

Также в лаунч-файле rosserial.launch есть возможность задачи параметра wheel_param:

но как можно заметить, значение данного параметра берется из переменной окружения операционной системы, а конкретнее задается в файле .ros_params:

После изменения параметров необходимо выполнить на роботе команду синхронизации данных:

и путем выключения/включения тумблера питания перезагрузить всего робота.

В случае, когда пользователь не установил никаких параметров, происходит загрузка платы TurtleBoard с параметрами по умолчанию, которые обеспечивают работу идущих в комплекте с роботом моторов и колес. Процедура обновления параметров нужна только в том случае, когда плата TurtleBoard настраивается для работы с нестандартным шасси.

Загруженные параметры не сохраняются в постоянную память контроллера, поэтому при установке неправильных параметров необходимо произвести перезапуск устройства, чтобы загрузить значения по умолчанию.

Настройка ПИД параметров моторов

Для настройки коэффициентов ПИД регулятора можно использовать сервис ros /set_pid

Файл turtlebro.launch

Главный файл конфигурации -- подключает другие .launch файлы и глобальные настройки.

run_rosserial -- запуск rosserial.launch для соединения с Arduino и STM МК run_rplidar -- запустить получение данные с RPLidar run_turtlebro_web -- запуск веб-интерфейса робота run_camera_ros -- включить камеру через пакет uvc_camera run_simple_odom -- подключить паблишер приведенной одометрии. Топик /odom_pose2d

Файл rosserial.launch

Файл запуска нод stm_serial_node и arduino_serial_node необходимых для работы с Arduino и STM

МК STM TurtleBoard

Подключается через устройство, скорость 460800 бод/с/dev/serial/by-id/usb-Silicon_Labs_CP2102_USB_to_UART_Bridge_Controller_0012-if00-port0

Arduino

Подключается через устройство, скорость 115200 бод/с/dev/serial/by-id/usb-Silicon_Labs_CP2102_USB_to_UART_Bridge_Controller_0010-if00-port0

Файл rplidar.launch

Файл для запуска ноды обработки данных с лидара. Для работы необходим пакет rplidar от производителя лидара. Параметры файла настроены для работы с лидаром RPLidar A1 на скорости 115200 бод/с через устройство /dev/serial/by-id/usb-Silicon_Labs_CP2102_USB_to_UART_Bridge_Controller_0011-if00-port0

Данные с лидара вычисляются относительно фрейма base_scan

Файл camera_ros.launch

При включении робота автоматически включается камера video0 и начинают публиковаться данные в топики камеры:

/front_camera/camera_info # Информация о камере
/front_camera/image_raw  # Данные в формате sensor_msgs/Image (.jpeg)
/front_camera/image_raw/compressed sensor_msgs/CompressedImage 

Данные c камеры принимаются в формате mjpeg и без дополнительной обработки публикуются в топик /front_camera/image_raw/compressed. Для заполнения топика /front_camera/image_raw происходит перекодирование jpeg->raw с использованием пакета image_transport.

Если вы не используете данные /front_camera/image_raw рекомендуется отключить лишнее преобразование (аргумент republish_raw).

Визуализация данных

Веб-интерфейс

Rviz

Вы можете использовать rviz для отображения видеопотока камеры. При удаленной работе рекомендуем выбирать для просмотра сжатые видеоданные (топик /front_camera/image_raw/compressed)

rqt_image_view или image_view

Пакет uvc_camera

Пакет публикует сжатые данные sensor_msgs/CompressedImage в топик front_camera/image_raw/compressed

Работа с камерой в OpenCV

Для работы с OpenCV данные из камеры ROS необходимо конвертировать из топиков в объект OpenCV

Использование RAW топика

Для создания объекта с OpenCV используется библиотеке CvBridge и метод imgmsg_to_cv2, где image_msg это сообщение из топика.

from cv_bridge import CvBridge
from sensor_msgs.msg import CompressedImage, Image

cvBridge = CvBridge()
cv_image = cvBridge.imgmsg_to_cv2(image_msg, "bgr8")

Использование Сompressed топика

from cv_bridge import CvBridge
from sensor_msgs.msg import CompressedImage, Image

cvBridge = CvBridge()
cv_image = cvBridge.compressed_imgmsg_to_cv2(image_msg, desired_encoding='passthrough')

Важно понимать, что в случае использования compressed происходит дополнительное преобразование jpeg->raw. Но при этом происходит экономия сетевых ресурсов.

Прямой захват видео

Также вы можете отключить ноду ROS по захвату изображения с камеры и сделать захват данных из своего OpenCV приложения самостоятельно.

cap = cv2.VideoCapture(0)

После этого удобно опубликовать данные в топик самостоятельно для просмотра через веб-интерфейс и тп.

Далее производить с видео все необходимые манипуляции, и после этого, при необходимости, публиковать видео в топики.

Для ROS Noetic необходимо обязательно загружать прошивку версии 2.0 или более новую.

Для обновления микропрограммы системной платы TurtleBro можно использовать USB-UART переходник или программатор ST-LINK V2

Далее представлены две инструкции по обновлению микропрограмм с помощью этих двух устройств.

При включении робота автоматический стартует вещание видео необходимое для работы web интерфейса. Для этого используется launch файл camera_stream.launch, который запускает ROS ноду mjpg_camera

Web интерфейс для просмотра видео и управления роботом доступен на URL http://192.168.0.100:8080 где 192.168.0.100 IP вашего робота. Данный способ работы с камерой не создает ROS топика с данными камеры. Но его удобно использовать для работы с камерой в браузере, без дополнительных настроек.

Работа с камерой через ROS

Если вам необходимо получить данные из камеры в ROS, то вам необходимо поменять запускаемый launch файл для работы с пакетом uvc_camera.

Для запуска ноды uvc_camera необходимо использовать файл camera_ros.launch

Две ноды не могут одновременно работать с камерой, поэтому необходимо переконфигурировать файл запуска /etc/ros/turtlebro.d/turtlebro.launch в части:

<arg name="run_turtlebro_web" default="true"/>
<arg name="run_camera_ros" default="false"/>

Выключить веб интерфейс run_turtlebro_web и включить run_camera_ros

Пакет uvc_camera

Пакет публикует сжатые данные sensor_msgs/CompressedImage в топик front_camera/compressed

Пакет cv_camera

Данный пакет работает с камерой через библиотеку ОpenCV, может работать как в режиме node , так и вnodelet

Конфигурация в файле camera_cv.launch данные в формате sensor_msgs/Image в топик front_camera/image_raw Данные передаются в RAW формате (без компрессии), что удобно для дальнейшей программной обработки.

Работа с камерой через OpenCV

На роботе установлена библиотека OpenCV, поэтому с камерой можно работать напрямую, подключившись к камере "стандартной" для opencv функцией вида cap = cv2.VideoCapture(0)

Далее производить с видео все необходимые манипуляции, и после этого, при необходимости, публиковать видео в топики.

Схема платы

Назначение кнопок на плате

restart Нажатие кнопки перезапускает программу МК STM32. Происходит чтение rosparam, сбрасываются значения датчика IMU, одометрии, текущих скоростей колес. Кнопку необходимо использовать при изменении rosparams на стороне Raspberry. Перезапуск идет около 30 секунд.

stop При нажатии сбрасывается значение cmd_vel (робот останавливается), обнуляются значения одометрии и IMU датчика. Удобно пользоваться этой кнопкой для установки нулевого положения робота на полигоне.

hw_reset Кнопка сброса МК STM32. Осуществляет полный перезапуск робота, включая Raspberry.

reset Кнопка сброса Arduino. Осуществляет полный перезапуск Arduino.

EMRG Выходы для подключения чеки экстренной остановки моторов. Для работы в нормальном режиме контакты должны быть замкнуты.

На плате запущены Издатели и Подписчики, взаимодействующие с ROS через библиотеку rosserial. STM32 и Arduino не имеют собственного интерфейса USB, поэтому, для того, чтобы они могли общаться с Raspberry, на плате TurtleBoard установлены UART-USB преобразователи и USB-hub, которые позволяют обеспечить коммуникацию с микрокомпьютером с помощью всего лишь одного провода USB.

Контроллер платы TurtleBoard - STM32 публикует в ROS Raspberry следующие топики, поддерживающие стандартные для ROS типы сообщений:

Топик /bat

Содержит данные о состоянии подключенной батарейки к плате. Тип сообщения: sensor_msgs/BatteryState

std_msgs/Header header
  uint32 seq
  time stamp
  string frame_id
float32 voltage
float32 current
float32 charge
float32 capacity
float32 design_capacity
float32 percentage
uint8 power_supply_status
uint8 power_supply_health
uint8 power_supply_technology
bool present
float32[] cell_voltage
string location
string serial_number

Топик /cmd_vel

Топик для управления перемещением робота. Тип сообщения: geometry_msgs/Twist При публикации данных в топик робот начинает движение. Робот выполняет последнюю полученную команду до тех пор, пока не получит новые данные. Поэтому, например, для остановки робота необходимо передать "нулевые" значения скорости.

geometry_msgs/Vector3 linear
  float64 x
  float64 y
  float64 z
geometry_msgs/Vector3 angular
  float64 x
  float64 y
  float64 z

Топик /imu

Данные инерционного датчика (Inertial measurement unit), включающего в себя гироскоп, акселерометр и компас. Тип сообщения: sensor_msgs/Imu

std_msgs/Header header
  uint32 seq
  time stamp
  string frame_id
geometry_msgs/Quaternion orientation
  float64 x
  float64 y
  float64 z
  float64 w
float64[9] orientation_covariance
geometry_msgs/Vector3 angular_velocity
  float64 x
  float64 y
  float64 z
float64[9] angular_velocity_covariance
geometry_msgs/Vector3 linear_acceleration
  float64 x
  float64 y
  float64 z
float64[9] linear_acceleration_covariance

Данные о ковариации не заполняются. Данные публикуются с частотой 20 Герц.

В связи с тем, что RViz по умолчанию некорректно отображает данные IMU, необходимо поставить соответствующий плагин для корректного отображения данных с IMU. Установка плагина осуществляется командой в терминале компьютера:

sudo apt install ros-noetic-rviz-imu-plugin

При добавлении визуализации данных в rviz необходимо выбрать тип сообщения rviz_imu_plugin->Imu

Топик /odom

Данные одометрии (положения робота, рассчитанного на основании вращения колес). В текущей версии повороты робота рассчитываются по данным IMU датчика, а перемещение на основе данных энкодеров на моторах. Тип сообщения: nav_msgs/Odometry

std_msgs/Header header
  uint32 seq
  time stamp
  string frame_id
string child_frame_id
geometry_msgs/PoseWithCovariance pose
  geometry_msgs/Pose pose
    geometry_msgs/Point position
      float64 x
      float64 y
      float64 z
    geometry_msgs/Quaternion orientation
      float64 x
      float64 y
      float64 z
      float64 w
  float64[36] covariance
geometry_msgs/TwistWithCovariance twist
  geometry_msgs/Twist twist
    geometry_msgs/Vector3 linear
      float64 x
      float64 y
      float64 z
    geometry_msgs/Vector3 angular
      float64 x
      float64 y
      float64 z
  float64[36] covariance

Топик /odom_pose2d

Упрощенные данные одометрии в 2d пространстве. Тип сообщения: geometry_msgs/Pose2D

float64 x
float64 y
float64 theta

Топик /scan

Данные, полученные с лидара (облако точек). Данные идут через Serial интерфейс лидара, USB-UART преобразователь и через USB hub. Тип сообщения: sensor_msgs/LaserScan

std_msgs/Header header
  uint32 seq
  time stamp
  string frame_id
float32 angle_min
float32 angle_max
float32 angle_increment
float32 time_increment
float32 scan_time
float32 range_min
float32 range_max
float32[] ranges
float32[] intensities

Топик /raw_odom

Данные полученные энкодеров колес. Время, счетчик "тиков" и угол датчика IMU. Тип сообщения: turtlebro/RawOdom

uint64 timestamp
int32 left_ticks
int32 right_ticks
float32 theta

Через библиотеку rosserial доступны следующие сервисы для управления роботом TurtleBro.

Сервис /reset

Сервис вызывает сброс одометрии (данные /odom) и текущих установленных скоростей (/cmd_vel) робота. Робот останавливается и сбрасывает свое положение. Сервис вызывается без параметров.

Сервис /set_pid

Сервис устанавливает значения ПИД регулятора для управления моторами тележки. Тип сообщения turtlebro/PidRegulator

Сервис /board_info

Сервис выдает актуальную информацию о версии прошивки системной платы и уникальный номер процессора

Сервис /power/reset

При вызове сервиса происходит перезагрузки платы TurtleBoard и Raspberry Pi. Вызывается без параметров

Придерживайтесь следующей инструкции:

• Выключите питание робота и извлеките из него батарею.

• Подсоедините USB-UART переходник к разъему ST-UPDT голубого цвета на системной плате. Обратите внимание на то, что ножка TX переходника должна быть соединена с ножкой RX разъема ST-UPDT, а ножка RX - к TX.

• Переведите DIP-переключатель №4 в положение "ON"

• Подключите USB-UART к компьютеру, он должен определиться системой как COM порт.

• Нажмите кнопку HW_RESET на плате, это должно привести к тому, что все светодиоды погаснут (если ранее были включены) и плата перейдет в режим ожидания прошивки.

• Запустите программу STM32 Flash loader demonstrator, выберите COM порт своего UART преобразователя. Нажмите кнопку Next.

Вы должны увидеть сообщение:

• В следующем окне вы должны увидеть приблизительно следующее:

Обратите внимание на поле Target: его содержимое должно точно совпадает с картинкой выше.

• В следующем окне необходимо выставить настройки точно так же, как на картинке внизу:

• После нажатия кнопки Next должен начаться процесс обновления микропрограммы. Он может занять несколько минут, пожалуйста, дождитесь его окончания. После окончания загрузки вы должны увидеть сообщение:

• Закройте программу

• Отключите USB-UART переходник от компьютера

• Отключите USB-UART переходник от платы TurtleBoard

• Переведите DIP-переключатель №4 в положение Off

Придерживайтесь следующей инструкции:

• Выключите питание робота и извлеките из него батарею.

• Подсоедините программатор ST-LINK V2 к разъему ST-LINK чёрного цвета на системной плате. Обратите внимание на то, что ножка SWDIO программатора должна быть соединена с ножкой DIO разъема ST-LINK, а ножка SWCLK программатора - к CLK разъема ST-LINK.

• Подключите ST-LINK V2 к компьютеру, он должен определиться системой как Устройство USB: STM32 STLink.

• Запустите программу STM32 ST-LINK Utility. Нажмите кнопку Connect to the target.

• После соединения вы должны увидеть приблизительно следующее:

• Далее необходимо перейти в меню Target и выбрать пункт Program & Verify... :

• Произведите необходимые настройки согласно изображению ниже и нажмите кнопку Start:

• После нажатия кнопки Start должен начаться процесс обновления микропрограммы. Он может занять несколько минут, пожалуйста, дождитесь его окончания. После окончания загрузки вы должны увидеть следующее сообщение:

• Нажмите кнопку Disconnect from the target:

• Закройте программу

• Отключите программатор ST-LINK V2 от компьютера

• Отсоедините программатор ST-LINK V2 от платы TurtleBoard

На плате размещен микроконтроллер ATMega 2560 с обвязкой, идентичной плате Arduino Mega. Контроллер поставляется с прошитым бутлоадером Arduino. Таким образом, микроконтроллер полностью готов к запуску скетчей Arduino IDE и работе со стандартными шилдами для Ардуино.

Библиотека Arduino ros_lib

Для работы с Arduino через ROS необходимо установить библиотеку ros_lib: <ros.h>.

Скачать библиотеку необходимо с вашего робота. Для этого можно воспользоваться утилитой копирования файлов между компьютерами SCP:

Но если вы используете собственные сообщения или у вас появляются ошибки при сборке скетчей, вам необходимо "пересобрать" библиотеку ros_lib самостоятельно с помощью команды (выполнив ее на роботе)

Вызванная утилита rosserial_arduino соберет новую библиотеку на основе настроек ROS вашего робота и положит ее в корневую директорию пользователя /home/pi/. Дальше вам надо переписать ros_lib с робота на ваш компьютер и поместить его в директорию библиотек Arduino в соответствии с инструкцией по установке библиотек для Arduino IDE.

Взаимодействие с ROS

Arduino Mega подключена к Raspberry через порт Serial1. Со стороны ROS запущен сервис rosserial который организует взаимодействие МК и ROS.

Для подключения к ROS со стороны Arduino необходимо инициализировать библиотеку ros_lib <ros.h> отвечающую за коммуникацию между Arduino и ROS, указав параметры Serial1 и скорость 115200, как показано ниже.

Дополнительные возможности Arduino

В передней части системной платы робота расположены две кнопки, подключенные к ножкам D24 и D23 МК Arduino и два переключателя, подключенные соответственно к D22 и D25. При нажатии кнопки или переключателя на пине Arduino будет сигнал HIGH Для чтения значения необходимо использовать Arduino функцию digitalRead(pin)

С левой стороны системной платы находятся пины D44 D45 D46, которые можно использовать для подключения сервомашинок.

Перед лидаром расположены 4 светодиода, подключенные к пинам D26, D27, D28, D29.

Общение с Arduino через Serial

для завершения чтения следует нажать Ctrl-A и затем X. Скорость и параметры подключения следует указать такими же, как при инициализации Serial в скетче Arduino.

Пример простого скрипта для чтения данных от Arduino:

Работа со светодиодной лентой

WS2812 - это три RGB-светодиода и микросхема-драйвер для управления этими светодиодами, собранные в одном SMD корпусе. Корпус каждого светодиода имеет 4 вывода: два вывода данных и два вывода питания. Выводы данных предыдущих светодиодов соединены со входами следующих, создавая цепочку светодиодов, управляемых через один пин микроконтроллера.

Для тестирования работоспособности светодиодной ленты, можно воспользоваться тестовым скетчем

Удаленная загрузка скетча Arduino

Если есть необходимость удаленно (без доступа к роботу) обновить прошивку Arduino, то это возможно сделать имея только удаленный доступ.

Подготовить скетч к загрузке

1. В Arduino IDE выбрать МК Arduino/Genuino Mega or Mega 2560

2. Скомпилировать программу (кнопка Проверить)

3. В меню выбрать Скетч→Экспорт Бинарного файла

4. В директории где находиться файл скетча, будут созданы два файла с бинарными данными вида (sketch_mar24a.ino.mega.hex sketch_mar24a.ino.with_bootloader.mega.hex)

5. Мы должны использовать файл sketch_mar24a.ino.mega.hex

Загрузить бинарный файл на Arduino:

1. Скопировать файлы .hex на робота, например командой linux scp

2. На роботе выполнить команду "прошивки" платы Arduino

Где sketch_mar24a.ino.mega.hex имя файла с прошивкой. Для возможности удаленной прошивки платы, необходимо чтобы Arduino разъем на плате Turtlebro был подключен к RaspberryPi через Micro-USB.