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2025年4月18日 星期五

在 ESP32 上使用 FreeRTOS 運行 micro-ROS 的操作步驟

 在 ESP32 上使用 FreeRTOS 運行 micro-ROS 的操作步驟

前置條件
  • 作業系統：Ubuntu 20.04 或 22.04（建議搭配 ROS 2 Humble）。
  • ROS 2：已安裝 ROS 2 Humble，並可透過 /opt/ros/humble/setup.bash 啟用。
  • ESP32 工具：已安裝 ESP-IDF（建議版本 v4.4 或更新，與 micro-ROS 相容）。
  • 依賴套件：已安裝 colcon、rosdep、flex 等必要工具。
  • 硬體：ESP32 或 ESP32-S3，具備 USB 轉串口連線。
步驟 1：建立並編譯 ROS 2 工作空間
創建一個用於 micro-ROS 設置的工作空間，並編譯相關套件。
bash
mkdir -p ~/firmware_esp32_ws/src
cd ~/firmware_esp32_ws
git clone https://github.com/micro-ROS/micro_ros_setup src/micro_ros_setup
rosdep update
sudo apt install flex
rosdep install --from-path src --ignore-src -y
source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build
source install/local_setup.bash
說明與檢查：
  • 這個步驟會下載 micro-ROS 的設置工具並編譯。
  • 確保 colcon build 執行無誤，無錯誤訊息。
  • 執行 source install/local_setup.bash 後，確認環境變數正確設置，可用 echo $ROS_DISTRO 檢查（應顯示 humble）。
步驟 2：建立 FreeRTOS 韌體工作空間
為 ESP32 創建基於 FreeRTOS 的 micro-ROS 韌體工作空間。
bash
ros2 run micro_ros_setup create_firmware_ws.sh freertos esp32
輸出結果：
  • 執行後會在當前目錄下生成 firmware/ 資料夾，結構如下：
    firmware/
├── apps/
├── esp-idf/
├── mcu_ws/
│   ├── src/
│   └── install/
├── CMakeLists.txt
├── sdkconfig
  • 這裡明確指定 freertos 作為作業系統，esp32 作為目標平台（其他支援平台包括 nucleo_f446re、crazyflie21 等）。
ESP32-S3 注意事項： 若使用 ESP32-S3，需在創建工作空間前設置以下環境變數：
bash
export IDF_TARGET=esp32s3
  • 這確保生成的工作空間適用於 ESP32-S3 的硬體配置。
步驟 3：編譯韌體
編譯針對 ESP32 的 micro-ROS 韌體。
bash
ros2 run micro_ros_setup build_firmware.sh
說明與檢查：
  • 該指令會自動載入 ESP-IDF 環境並編譯韌體。
  • 編譯過程應無錯誤，否則檢查 ESP-IDF 版本或依賴套件。
  • 對於 ESP32-S3，確認 IDF_TARGET=esp32s3 已設置，並檢查 sdkconfig 檔案中的 UART 和快閃記憶體大小設置是否正確。
進階配置（選擇性）： 若需調整 UART 引腳或快閃記憶體大小，可使用以下指令開啟配置介面：
bash
ros2 run micro_ros_setup configure_firmware.sh menuconfig
  • 在 menuconfig 中調整相關參數（例如 UART 引腳、快閃記憶體大小），特別適用於 ESP32-S3。
步驟 4：燒錄韌體到 ESP32
將編譯好的韌體燒錄到 ESP32 硬體。
bash
export MICROROS_FIRMWARE_SERIAL_DEVICE=/dev/ttyUSB0
ros2 run micro_ros_setup flash_firmware.sh
說明與檢查：
  • 將 /dev/ttyUSB0 替換為實際的 USB 串口（可用 ls /dev/tty* 檢查）。
  • 確保 ESP32 已正確連接到電腦，且有寫入權限（可能需 sudo chmod 666 /dev/ttyUSB0）。
  • 燒錄完成後，檢查是否有錯誤訊息。
步驟 5：啟動 micro-ROS Agent
啟動 micro-ROS Agent 以與 ESP32 上的 micro-ROS 應用程式通訊。
bash
ros2 run micro_ros_agent micro_ros_agent serial --dev /dev/ttyUSB0
說明與檢查：
  • 確保串口與燒錄時一致（例如 /dev/ttyUSB0）。
  • Agent 啟動後應顯示連線訊息，表示與 ESP32 的 micro-ROS 節點成功通訊。
  • 若無反應，檢查 ESP32 是否正確燒錄，或確認 UART 設置是否正確。
ESP32-S3 特別注意事項
若使用 ESP32-S3，請額外注意以下事項：
  1. 設置 IDF 目標：
    bash
    export IDF_TARGET=esp32s3
    • 在創建韌體工作空間前執行，確保生成正確的配置。
  2. 檢查 UART 和快閃記憶體：
    • ESP32-S3 的 UART 引腳和快閃記憶體大小可能與標準 ESP32 不同。
    • 使用 menuconfig 檢查並調整 sdkconfig 中的設置：
      bash
      ros2 run micro_ros_setup configure_firmware.sh menuconfig
    • 常見調整包括 UART 引腳分配和快閃記憶體大小（例如 4MB 或 8MB）。
  3. 燒錄問題：
    • ESP32-S3 的燒錄可能需要額外驅動程式，確保 USB 驅動（如 cp2102 或 ch340）已安裝。
    • 確認燒錄工具（如 esptool）與 ESP-IDF 版本相容。
常見問題與解決方法
  1. 編譯失敗：
    • 確認 ESP-IDF 版本與 micro-ROS 相容（建議 v4.4 或更新）。
    • 檢查是否遺漏依賴套件，可重跑 rosdep install。
  2. 燒錄失敗：
    • 確認串口正確（/dev/ttyUSB0 或其他）。
    • 檢查 ESP32 是否進入燒錄模式（可能需按住 BOOT 按鈕）。
  3. Agent 無法連線：
    • 確認 UART 設置與 Agent 的串口一致。
    • 檢查韌體是否正確燒錄，可透過串口監控工具（如 minicom）查看 ESP32 輸出。
總結
以上步驟涵蓋了從建立 ROS 2 工作空間到在 ESP32 上運行 micro-ROS 的完整流程。對於 ESP32-S3，需特別注意 IDF_TARGET 設置和 sdkconfig 配置。完成後，你將能夠在 ESP32 上運行 micro-ROS 節點，並透過 micro-ROS Agent 與 ROS 2 系統通訊。
若有進一步問題或需要範例程式碼（如 micro-ROS 節點程式），請提供更多細節，我可協助補充！


以下是為 ESP32 + micro-ROS + FreeRTOS 平台設計的一份簡單但完整的 app.c 範例程式，它會：

  • 初始化 micro-ROS 節點（rclc_node）

  • 建立一個 publisher，發佈 std_msgs/msg/Int32 訊息到 /int_topic

  • 每 500ms 發送一筆遞增的數字

  • 使用 rclc_executor 管理 timer callback

✅ firmware/apps/microros_esp32_extensions/app.c

c
#include <stdio.h>
#include <rcl/rcl.h>
#include <rcl/error_handling.h>
#include <rclc/rclc.h>
#include <rclc/executor.h>
#include <std_msgs/msg/int32.h>
#include <freertos/FreeRTOS.h>
#include <freertos/task.h>

rcl_publisher_t publisher;
std_msgs__msg__Int32 msg;
int32_t count = 0;

void timer_callback(rcl_timer_t * timer, int64_t last_call_time)
{
    RCLC_UNUSED(last_call_time);
    if (timer != NULL) {
        msg.data = count++;
        rcl_publish(&publisher, &msg, NULL);
    }
}

void appMain(void * arg)
{
    // === micro-ROS 初始化 ===
    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, "esp32_node", "", &support);

    rclc_publisher_init_default(
        &publisher,
        &node,
        ROSIDL_GET_MSG_TYPE_SUPPORT(std_msgs, msg, Int32),
        "int_topic"
    );

    // === Timer 500ms ===
    rcl_timer_t timer;
    rclc_timer_init_default(
        &timer,
        &support,
        RCL_MS_TO_NS(500),
        timer_callback
    );

    // === Executor ===
    rclc_executor_t executor;
    rclc_executor_init(&executor, &support.context, 1, &allocator);
    rclc_executor_add_timer(&executor, &timer);

    // === 主循環 ===
    while (1) {
        rclc_executor_spin_some(&executor, RCL_MS_TO_NS(100));
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
    }

    // 不會執行到這裡，但若需清理可加上：
    // rcl_publisher_fini(&publisher, &node);
    // rcl_node_fini(&node);
}

📦 配套資訊

這份程式預設的 Topic 是：

bash
Topic: /int_topic
Type: std_msgs/msg/Int32

你可以在主機端使用：

bash
ros2 topic echo /int_topic

來觀察資料。

🧩 接下來怎麼用這份 app.c？

  1. 把上面的內容存進你的 firmware app 目錄，例如：

    bash
    firmware/apps/microros_esp32_extensions/app.c

  2. 重新 build：

    bash
    ros2 run micro_ros_setup build_firmware.sh

  3. 確保 ESP32 連接 USB，燒錄：

    bash
    export MICROROS_FIRMWARE_SERIAL_DEVICE=/dev/ttyUSB0
ros2 run micro_ros_setup flash_firmware.sh

  4. 啟動 Agent：

    bash
    ros2 run micro_ros_agent micro_ros_agent serial --dev /dev/ttyUSB0

  5. 查看 ROS 2 topic：

    bash
    ros2 topic list
ros2 topic echo /int_topic

如果你希望加上 subscriber、parameter 或 IMU / UART 傳感器整合，我可以幫你擴展這個 template。是否需要我也加上一個 subscriber 範例？


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