micro-ROS 研究指南

 

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測驗 (簡答題)

1. 
   
2. 1#micro-ROS 的主要目標是什麼？它如何克服傳統 ROS 2 在資源受限環境中的限制？
3. 
   
4. 2#請簡述 micro-ROS Client Library 和 micro-ROS Agent 的功能以及它們之間的關係。
5. 
   
6. 3#micro-ROS Agent 在 micro-ROS 系統中扮演什麼關鍵角色？它如何促進微控制器與 ROS 2 網路之間的通訊？
7. 
   
8. 4#列舉至少三種 micro-ROS 支援的微控制器平台或開發板。
9. 
   
10. 5#使用預編譯的 micro-ROS 函式庫在 Arduino IDE 中建立 micro-ROS 專案的步驟是什麼？
11. 
    
12. 6#如果開發者需要修改 micro-ROS 的組態或新增自定義的訊息類型，他們應該如何重新編譯 micro-ROS 函式庫？
13. 
    
14. 7#micro-ROS 提供了哪些不同的傳輸方式來實現微控制器與 Agent 之間的通訊？請舉例說明。
15. 
    
16. 8#ROSMicroPy 專案的目標是什麼？它試圖整合哪些技術？
17. 
    
18. 9#根據提供的 GitHub Issue，開發者在使用 STM32CubeIDE 開發 micro-ROS 專案時可能會遇到什麼挑戰？
19. 
    
20. 10#為什麼不能直接使用標準 ROS 2 的 colcon build 工具來為 Arduino 產生 micro-ROS 韌體？應該使用哪些替代方法？

測驗答案

1. ans1#micro-ROS 的主要目標是將 ROS 2 的強大功能帶到資源受限的微控制器上。它透過輕量化的設計和最佳化，使得微控制器能夠運行 ROS 2 的核心概念，並無縫整合到 ROS 2 網路中，克服了傳統 ROS 2 通常運行在計算資源較高的單板電腦或 PC 上的限制。
2. 
   
3. ans2#micro-ROS Client Library 運行在微控制器上，提供 ROS 2 的基本功能如節點、主題、服務等；micro-ROS Agent 運行在資源更豐富的電腦上，是 Client 和 ROS 2 DDS 中介軟體之間的橋樑，負責發現、訊息路由和協調。Client 透過 Agent 連接到 ROS 2 網路。
4. 
   
5. ans3#micro-ROS Agent 是 micro-ROS 系統的核心中介，它負責代理微控制器上的 micro-ROS Client 與標準 ROS 2 網路進行通訊。Agent 處理 Client 的註冊與發現，並將 Client 發布和訂閱的訊息在 micro-ROS 世界和 ROS 2 世界之間進行轉發和路由，使得資源受限的微控制器也能參與到 ROS 2 的生態系統中。
6. 
   
7. ans4#至少三種 micro-ROS 支援的微控制器平台或開發板包括：
8. Arduino Portenta H7、Arduino Nano RP2040 Connect、
9. ESP32 Dev Module、Teensy 系列（4.0, 4.1, 3.2/3.1, 3.6）、
10. Raspberry Pi Pico。
11. 
    
12. ans5#使用預編譯的 micro-ROS 函式庫在 Arduino IDE 中建立專案的步驟包括：前往 release 區下載最新的 micro-ROS Arduino 函式庫，然後在 Arduino IDE 中使用
13. 「Sketch」->「Include library」->「Add .ZIP Library...」將其包含到專案中。
14. 之後可以測試 examples 資料夾中的範例。
15. 
    
16. ans6#如果開發者需要修改 micro-ROS 的組態或新增自定義的訊息類型，他們需要重新編譯 micro-ROS 函式庫。這通常涉及使用 Docker 容器來拉取 micro-ROS 的靜態函式庫建置工具，然後在容器中執行建置命令，指定自定義的 .meta 檔案或額外的套件路徑。
17. 
    
18. ans7#micro-ROS 提供了多種傳輸方式，包括 USB 序列埠 (UART/USB) 和網路傳輸（例如 UDP）。在 Arduino IDE 中使用預編譯函式庫時，主要提供 USB 序列傳輸。對於 ESP32，預設使用 UDP 傳輸，但也支援 UART 和其他自定義傳輸，需要在 colcon.meta 檔案中進行設定。
19. 
    
20. ans8#ROSMicroPy 專案的目標是整合 MicroROS 和 Micropython，以支援 ESP32 平台。它旨在讓開發者能夠使用 Micropython 語言在 ESP32 上開發 micro-ROS 應用，並正在尋求關於其文件清晰度、SDK 實作以及類型支援系統的回饋。
21. 
    
22. ans9#根據 GitHub Issue #5，開發者在使用 STM32CubeIDE 開發 FreeRTOS 上的 micro-ROS 專案時，可能會遇到將 appMain() 內部調用的函數放置到 IDE 風格程式碼中的困難，尤其是在使用自己配置的 .ioc 檔案時，以及在透過 bash scripts 上傳程式碼後節點或主題不可見的問題。
23. 
    
24. ans10#不能直接使用標準 ROS 2 的 colcon build 工具來為 Arduino 產生 micro-ROS 韌體，因為 Arduino 使用不同的微控制器架構，需要不同的編譯器和連結器，並且通常沒有作業系統抽象層。應該使用 Arduino 生態系統提供的工具（如 Arduino IDE、PlatformIO）或底層的嵌入式系統開發工具鏈，並搭配 micro-ROS 提供的特定函式庫（如 micro_ros_arduino）來開發、編譯和上傳韌體。

論述題 (不提供答案)

1. 1##比較並對比在資源受限的微控制器上使用 micro-ROS 與直接使用 ROS 2 在更強大的硬體上進行開發的優缺點。在哪些應用場景下 micro-ROS 可能是更合適的選擇？
2. 
   
3. 2##探討 micro-ROS Agent 在整個 micro-ROS 生態系統中的重要性。如果沒有 Agent，micro-ROS Client 的功能將會受到哪些限制？是否有可能設計一個完全無 Agent 的 micro-ROS 系統？
4. 
   
5. 3##分析 micro-ROS 對於嵌入式機器人開發的潛在影響。它如何簡化開發流程，促進硬體和軟體的互操作性？同時，也請討論在實際應用中可能遇到的挑戰。
6. 
   
7. 4##根據提供的資料，討論 micro-ROS 對不同微控制器平台（例如 Arduino、ESP32、STM32）的支援情況和整合方式。不同平台的整合方法有何異同？開發者在選擇平台時應考慮哪些因素？
8. 
   
9. 5##評估 ROSMicroPy 專案將 MicroROS 與 Micropython 整合的潛力與挑戰。這種整合對於嵌入式開發者可能帶來哪些便利？同時，又可能面臨哪些技術難題和限制？

詞彙表

• micro-ROS Client Library (μROS Client Library): 運行在微控制器上的輕量級函式庫，提供 ROS 2 的核心功能，如節點、主題、服務等。
• micro-ROS Agent (μROS Agent): 運行在資源更豐富的電腦上的代理程式，充當 micro-ROS Client 和 ROS 2 DDS 中介軟體之間的橋樑，負責發現、訊息路由和協調。
• ROS 2 (Robot Operating System 2): 開源的機器人作業系統，提供工具、函式庫和慣例，用於構建複雜的機器人應用。
• Microcontroller Unit (MCU): 一種集成了處理器、記憶體和外設的單晶片微型電腦，通常用於嵌入式系統。
• Arduino IDE: Arduino 官方提供的整合開發環境，用於編寫和上傳程式碼到 Arduino 開發板。
• PlatformIO: 一個開源的跨平台建置系統，支援多種嵌入式開發板和框架。
• ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework): Espressif 提供的用於 ESP32 系列晶片的開發框架。
• FreeRTOS: 一個輕量級的即時作業系統，常Used in嵌入式系統中用於任務管理和排程。
• STM32CubeMX: STMicroelectronics 提供的圖形化工具，用於配置 STM32 微控制器和產生初始化程式碼。
• DDS (Data Distribution Service): ROS 2 預設使用的資料分發服務中介軟體，提供即時、可靠和可擴展的資料交換。
• RMW (ROS Middleware): ROS 2 的中介軟體抽象層，允許使用不同的 DDS 實作。
• colcon: ROS 2 的命令行建置工具。
• .meta file: micro-ROS 中用於定義函式庫組態和 RMW 參數的檔案。
• Precompiled library: 已經編譯好的函式庫，可以直接在專案中使用而無需重新編譯。
• Baremetal: 指程式直接運行在硬體上，沒有作業系統的支援。
• RTOS (Real-Time Operating System): 一種專為即時應用設計的作業系統，能夠在嚴格的時間限制內處理任務。
• Firmware: 燒錄到硬體設備（如微控制器）中的軟體，用於控制硬體的操作。
• Transport: micro-ROS Client 和 Agent 之間通訊的方式，例如序列埠 (Serial)、UDP、TCP 等。
• Node: ROS 2 中的一個執行單元，可以發布和訂閱主題、提供和使用服務。
• Topic: ROS 2 中具名的資料流，節點可以發布訊息到主題，其他節點可以訂閱感興趣的主題以接收訊息。
• Message: 以標準化的格式在 ROS 2 主題上傳輸的資料結構。
• Publisher: 將訊息發布到特定主題的節點。
• Subscriber: 接收來自特定主題訊息的節點。
• Service: ROS 2 中一種請求-回應的通訊機制。
• Action: ROS 2 中一種更複雜的非同步請求-回應機制，包含目標、回饋和結果。
• Parameter: ROS 2 節點的可配置設定。
• Type Support: ROS 2 中用於處理訊息序列化和反序列化的機制。