micro-ROS 介绍

 

micro-ROS 介绍

micro-ROS 是 ROS 2 的轻量级实现，旨在将 ROS（Robot Operating System）的功能扩展到资源受限设备（如微控制器）。它让开发者能够在嵌入式设备上运行 ROS 2 节点，与更大的 ROS 2 系统无缝集成。

特点

1. 轻量化：针对微控制器优化，资源占用极小。
2. 扩展性：可与完整的 ROS 2 网络集成，实现复杂的分布式逻辑。
3. 实时性能：支持实时操作，是实时系统的理想选择。
4. 跨平台支持：兼容多种嵌入式平台（如 Raspberry Pi Pico、STM32 等）。

应用场景

• 工业自动化：数据采集和控制。
• 环境监测：分布式传感器网络。
• 教育与科研：机器人系统的教学和实验。
• 物联网（IoT）：边缘设备与云服务的集成。

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micro-ROS 安装方法

1. 准备环境

• 一台运行 ROS 2 的主机（支持 Linux）。
• 开发工具链：
  • CMake 构建系统。
  • arm-none-eabi-gcc 编译器。
• Raspberry Pi Pico W 或其他支持 micro-ROS 的设备。

2. 下载 micro-ROS SDK

micro-ROS 提供了专门的 SDK 用于 Raspberry Pi Pico。可以从以下链接获取：

• micro-ROS for Raspberry Pi Pico SDK

通过以下命令克隆 SDK 到本地：

git clone --recursive https://github.com/micro-ROS/micro_ros_raspberrypi_pico_sdk.git

3. 设置开发环境

1. 安装依赖

   • 安装 CMake：

     sudo apt update
     sudo apt install cmake
     

   • 安装 ARM GCC 工具链：

     sudo apt install gcc-arm-none-eabi
     

2. 初始化环境 在 SDK 目录中运行以下命令：

   source configure.sh
   

4. 编写 micro-ROS 程序

• 创建一个 C 程序，例如 app.c：

  
  #include <rcl/rcl.h>
  #include <rclc/rclc.h>
  #include <rclc/executor.h>
  
  void timer_callback(rcl_timer_t * timer, int64_t last_call_time) {
      (void) last_call_time;
      printf("Hello micro-ROS on Pico W!\n");
  }
  
  int main() {
      rcl_allocator_t allocator = rcl_get_default_allocator();
      rclc_support_t support;
  
      rclc_support_init(&support, 0, NULL, &allocator);
      rcl_node_t node;
      rclc_node_init_default(&node, "pico_node", "", &support);
      
      rcl_timer_t timer;
      rclc_timer_init_default(&timer, &support, RCL_MS_TO_NS(1000), timer_callback);
      
      while (1) {
          rclc_executor_spin_some(&timer, RCL_MS_TO_NS(100));
      }
  }
  

5. 编译和部署

1. 编译程序 在 SDK 根目录中运行以下命令：

   mkdir build
   cd build
   cmake ..
   make
   

2. 将程序部署到 Pico W 将生成的 UF2 文件拖放到 Pico W 的存储设备中。

6. 安装 micro-ROS Agent

micro-ROS Agent 是运行在主机端的服务，用于管理 ROS 2 节点。

1. 使用 Docker 安装

   docker pull microros/micro-ros-agent:humble
   docker run -it --rm --net=host microros/micro-ros-agent serial --dev /dev/ttyACM0
   

2. 使用 Snap 安装

   sudo snap install micro-ros-agent --classic
   micro-ros-agent serial --dev /dev/ttyACM0
   

7. 测试连接

确保设备通过 USB 或串口与主机连接，然后启动 micro-ROS Agent。如果连接成功，设备将被识别为一个 ROS 2 节点，可以与其他 ROS 2 系统交互。

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micro-ROS 使用建议

• 调试工具：建议使用串口调试工具（如 Minicom 或 Screen）监控设备的输出日志。
• 优化资源：针对微控制器的资源限制，合理配置节点功能和通信频率。
• 实时性：结合 FreeRTOS 等实时操作系统，可以进一步提升系统性能。

通过这些步骤，您可以在 Raspberry Pi Pico W 上成功安装和运行 micro-ROS，实现与更大 ROS 2 网络的集成。

============= micro-ROS for microPython ================================

在 Raspberry Pi Pico W 上结合 micro-ROS 和 MicroPython 使用，可以实现灵活的物联网（IoT）和嵌入式应用。虽然 micro-ROS 本身主要基于 C/C++，但可以通过某些方法使它与 MicroPython 集成，例如使用 MicroPython 的外部模块（绑定 C 函数）与 micro-ROS 通信。

以下是一个示例流程，展示如何通过 MicroPython 使用 micro-ROS。

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准备工作

1. 安装 MicroPython： 确保 Raspberry Pi Pico W 上已经安装 MicroPython，并配置好开发环境（例如 Thonny IDE）。

2. 安装 micro-ROS Agent： 在主机端安装 micro-ROS Agent，用于管理 Pico W 的 ROS 2 节点（参考之前的安装说明）。

3. 构建 micro-ROS 和 MicroPython 的桥接库： 需要将 micro-ROS 的核心功能封装为 MicroPython 模块。可以通过 ffi 或 ctypes 加载已经编译好的 micro-ROS 动态链接库。

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示例代码：MicroPython 与 micro-ROS 集成

以下示例展示了如何用 MicroPython 实现一个简单的 micro-ROS 节点，该节点发布消息到 ROS 2 网络：

1. 编写 micro-ROS 动态库

在主机上创建一个简单的 micro-ROS 节点（C 语言），并将其编译为动态库（.so 文件）。示例如下：

c>>
#include <rcl/rcl.h>
#include <rclc/rclc.h>
#include <rclc/executor.h>
#include <stdio.h>

void publish_message(rcl_publisher_t *publisher, const char *msg) {
    std_msgs__msg__String message;
    message.data.data = (char *)msg;
    message.data.size = strlen(msg);
    message.data.capacity = strlen(msg) + 1;

    rcl_publish(publisher, &message, NULL);
}

将其编译为 micro_ros_publisher.so，并将 .so 文件拷贝到 MicroPython 的文件系统中。

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2. MicroPython 调用动态库

使用 ffi 或 ctypes 加载动态库并调用其功能。以下是示例代码：

python>>
import network
import time
import ctypes

# 初始化网络连接
ssid = '你的SSID'
password = '你的密码'

sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
sta_if.active(True)
if not sta_if.isconnected():
    print("正在连接网络...")
    sta_if.connect(ssid, password)
    while not sta_if.isconnected():
        time.sleep(1)
print("网络连接成功:", sta_if.ifconfig())

# 加载 micro-ROS 动态库
micro_ros = ctypes.CDLL('/micro_ros_publisher.so')

# 初始化 micro-ROS 节点
micro_ros.init_node.argtypes = []
micro_ros.init_node.restype = ctypes.c_int
micro_ros.init_publisher.argtypes = []
micro_ros.init_publisher.restype = ctypes.c_void_p

node_status = micro_ros.init_node()
if node_status == 0:
    print("micro-ROS 节点初始化成功")
else:
    print("micro-ROS 节点初始化失败")

# 创建 ROS 发布者
publisher = micro_ros.init_publisher()

# 发布消息
for i in range(10):
    message = f"Hello ROS 2! Message {i}"
    micro_ros.publish_message(publisher, message.encode('utf-8'))
    print("已发布:", message)
    time.sleep(1)

print("完成 micro-ROS 消息发布")

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注意事项

1. 动态库的编译：

   • 使用 arm-none-eabi-gcc 编译 C 程序为动态库。
   • 确保目标架构与 MicroPython 运行环境匹配。

2. 性能优化：

   • 由于 MicroPython 的资源限制，尽量优化消息发布频率和 ROS 2 主题的复杂性。

3. 环境配置：

   • 确保 micro-ROS Agent 正在主机端运行，并与 Pico W 通过串口或 Wi-Fi 保持连接。

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应用场景

• 分布式传感器数据发布：Pico W 收集传感器数据，并通过 micro-ROS 将数据发布到 ROS 2 网络。
• IoT 控制系统：通过 micro-ROS 实现设备间的实时通信和协调。
• 教学和实验：将 MicroPython 与 micro-ROS 结合，用于机器人和嵌入式系统教学。

此流程可以帮助开发者将 MicroPython 和 micro-ROS 的优势结合起来，灵活地实现嵌入式 IoT 应用。