ROS2 by micro-ROS 詳盡說明

 micro-ROS 詳盡說明

micro-ROS 是一個開源專案，其目標是將 ROS 2（Robot Operating System 2）的強大功能帶到資源受限的微控制器單元 (MCU) 上。這使得開發者能夠在嵌入式系統中利用 ROS 2 的架構、工具和龐大的社群資源，從而構建更智慧、更複雜的機器人和其他嵌入式應用。

為什麼需要 micro-ROS？

傳統的 ROS 2 通常運行在具有較高計算資源的單板電腦或 PC 上。然而，許多機器人應用和物聯網 (IoT) 設備的核心是微控制器，這些微控制器的處理能力、記憶體和功耗都非常有限。micro-ROS 的出現正是為了彌合這個差距，讓微控制器也能夠參與到 ROS 2 的生態系統中。

micro-ROS 的核心目標：

• 在資源受限的環境中實現 ROS 2 功能： 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，如節點、主題、服務、動作和參數。
• 無縫整合微控制器到 ROS 2 網路： 允許微控制器上的感測器、致動器和其他功能以標準的 ROS 2 方式與其他 ROS 2 節點（運行在更強大的電腦上）進行通訊。
• 簡化嵌入式機器人開發： 提供一套工具和函式庫，使得在微控制器上開發 ROS 2 應用程式更加容易。
• 促進硬體和軟體的互操作性： 透過標準化的 ROS 2 介面，不同的硬體和軟體組件可以更容易地協同工作。

micro-ROS 的關鍵組件：

1. micro-ROS Client Library (μROS Client Library):

   • 這是運行在微控制器上的核心函式庫。
   • 它提供了 ROS 2 的基本功能，例如：
     • 節點 (Nodes): 微控制器上的應用程式實例，可以發布和訂閱主題、提供和使用服務、以及管理參數。
     • 主題 (Topics): 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。
     • 訊息 (Messages): 以標準化的格式在主題上傳輸的資料結構。micro-ROS 支援標準 ROS 2 訊息類型以及自定義訊息。
     • 發布者 (Publishers): 節點用於將訊息發布到特定主題的實體。
     • 訂閱者 (Subscribers): 節點用於接收來自特定主題的訊息的實體。
     • 服務 (Services): 一種請求-回應的通訊機制，一個節點提供服務，另一個節點可以發送請求並等待回應。
     • 動作 (Actions): 一種更複雜的非同步請求-回應機制，包含目標、回饋和結果。
     • 參數 (Parameters): 節點的可配置設定。
   • Client Library 需要針對不同的微控制器架構和硬體平台進行移植。

2. micro-ROS Agent (μROS Agent):

   • 這是一個運行在資源更豐富的電腦（例如 PC 或 Raspberry Pi）上的代理程式。
   • 它是 micro-ROS Client 和 ROS 2 DDS (Data Distribution Service) 中介軟體之間的橋樑。
   • Agent 負責：
     • 發現 (Discovery): 幫助 micro-ROS Client 在 ROS 2 網路上找到其他節點。
     • 訊息路由 (Message Routing): 將來自 Client 的訊息轉發到 ROS 2 網路，並將來自 ROS 2 網路的訊息傳遞給 Client。
     • 協調 (Coordination): 管理 Client 的生命週期和資源。
   • Agent 支援多種與 Client 通訊的傳輸方式，包括序列埠 (UART/USB)、UDP、TCP 等。

micro-ROS 的運作流程：

1. 微控制器端：

   • 在 Arduino 或其他支援的微控制器上編寫程式碼，使用 micro-ROS Client Library 創建 ROS 2 節點、發布者、訂閱者等。
   • 配置與 micro-ROS Agent 的通訊方式（例如指定序列埠或 UDP 位址和埠號）。
   • 將編譯後的程式碼燒錄到微控制器上。

2. 主機端 (運行 Agent 的電腦)：

   • 啟動 micro-ROS Agent，並指定與微控制器通訊的介面和參數（例如序列埠名稱或 UDP 埠號）。

3. 通訊建立：

   • micro-ROS Client 連接到 micro-ROS Agent。
   • Agent 將 Client 註冊到 ROS 2 網路中。

4. 資料交換：

   • 微控制器上的節點可以像標準 ROS 2 節點一樣發布訊息到主題，這些訊息會透過 Agent 傳輸到 ROS 2 網路中的其他訂閱者。
   • 微控制器上的節點也可以訂閱 ROS 2 網路中的主題，Agent 會將相關的訊息傳遞給 Client。
   • 服務和動作的通訊也透過 Agent 進行中轉。

micro-ROS 的優勢：

• 利用 ROS 2 生態系統： 可以使用 ROS 2 的強大工具（例如 ros2 topic、ros2 service、rqt 等）來監控、調試和與微控制器上的應用程式互動。
• 標準化介面： 提供了一種標準化的方式來整合不同硬體的感測器和致動器。
• 簡化複雜系統的開發： 允許將複雜的機器人系統分解為在不同處理器上運行的獨立節點，提高了開發效率和可維護性。
• 跨平台支援： micro-ROS Client Library 被移植到多種微控制器平台和作業系統上。
• 活躍的社群支援： 作為 ROS 2 的一部分，micro-ROS 擁有龐大的社群支援和豐富的學習資源。

micro-ROS 的限制與挑戰：

• 資源限制： 微控制器的資源（記憶體、處理能力）遠不如 PC，因此需要在設計 micro-ROS 應用程式時仔細考慮資源使用。
• 複雜性： 即使 micro-ROS 盡力簡化，但理解 ROS 2 的基本概念仍然是必要的。
• 移植工作： 將 micro-ROS Client Library 移植到新的微控制器平台可能需要相當的工作量。
• 網路依賴： micro-ROS 應用程式通常依賴於與運行 Agent 的主機進行網路通訊。

總結：

micro-ROS 為在資源受限的微控制器上使用 ROS 2 開闢了新的可能性。它使得開發者能夠構建更智慧、更互聯的嵌入式系統，並充分利用 ROS 2 的強大功能和廣泛的生態系統。對於需要將微控制器整合到 ROS 2 機器人或 IoT 應用中的開發者來說，micro-ROS 是一個非常有價值的工具。

[ROS2  link micro-ROS]

micro-ROS 是 ROS 2 的一個專案分支，旨在將 ROS 2 的核心概念和功能帶到資源受限的微控制器（MCU）上，例如 Arduino 開發板。它並非完整的 ROS 2 運行在微控制器上，而是一個輕量級的客戶端函式庫 (micro-ROS Client)，能夠與運行在更強大電腦上的 ROS 2 網路中的代理程式 (micro-ROS Agent) 通訊。

micro-ROS 與 ROS 2 的關係：

• 橋樑 (Bridge): micro-ROS Agent 充當了微控制器上的 micro-ROS Client 和標準 ROS 2 中介層（通常是 DDS，Data Distribution Service）之間的橋樑。
• 客戶端-伺服器架構 (Client-Server): Arduino 上的 micro-ROS Client 像是 ROS 2 網路中的一個特殊客戶端，它依賴於 Agent 來與其他 ROS 2 節點進行通訊。
• 相容性 (Compatibility): micro-ROS 儘可能地遵循 ROS 2 的通訊標準和 API（例如 rclc），以確保與 ROS 2 生態系統的高度相容性和互操作性。
• 功能子集 (Subset of Features): 由於微控制器的資源限制，micro-ROS 並非支援 ROS 2 的所有功能。它專注於最常用的通訊機制，如發布/訂閱 (Publish/Subscribe)、服務 (Services)、動作 (Actions) 和參數 (Parameters)。

如何使用 ROS 2 工具產生韌體 (Firmware) 並連結 (Link)：

直接使用標準的 ROS 2 工具鏈（例如 colcon build）來產生可以直接燒錄到 Arduino 上的韌體是不可能的。這是因為：

1. 目標架構不同 (Different Target Architectures): ROS 2 工具鏈是為在具有作業系統（通常是 Linux）的更強大處理器上編譯和連結程式碼而設計的。Arduino 使用不同的微控制器架構（例如 AVR、ARM），需要不同的編譯器和連結器。
2. 沒有作業系統抽象層 (No OS Abstraction Layer): Arduino 通常運行在裸機 (bare-metal) 或輕量級即時作業系統 (RTOS) 上，缺乏標準作業系統提供的抽象層，這與 ROS 2 的設計假設不同。
3. 不同的建置系統 (Different Build Systems): Arduino 開發通常使用 Arduino IDE 或 Arduino CLI，或者更底層的工具鏈。micro-ROS 為微控制器有其特定的建置流程。

產生 micro-ROS 韌體和連結的典型方法：

micro-ROS 的韌體產生和連結過程通常涉及以下步驟，並且不直接使用標準的 ROS 2 工具來產生最終的可燒錄韌體：

1. 開發 micro-ROS 應用程式程式碼： 使用 micro_ros_arduino 函式庫（或其他針對特定微控制器平台的 micro-ROS 函式庫）編寫 Arduino 程式碼，定義 ROS 2 節點、主題、服務等。

2. 建置 micro-ROS Client 函式庫：

   • 預編譯函式庫 (Pre-compiled Library): 對於 Arduino IDE 和 PlatformIO，通常直接使用函式庫管理器安裝預先編譯好的 micro_ros_arduino 函式庫。這種情況下，您不需要自己建置 Client 函式庫。
   • 從原始碼建置 (Building from Source): 如果您需要自訂 micro-ROS 或針對特定平台進行優化，您可能需要從 micro-ROS 的原始碼建置 Client 函式庫。這通常會使用 CMake 或其他針對嵌入式系統的建置工具鏈。micro-ROS 提供了一些工具和腳本來輔助這個過程，但這與標準 ROS 2 的 colcon build 不同。

3. 編譯 Arduino 應用程式碼並連結 micro-ROS Client 函式庫：

   • Arduino IDE: Arduino IDE 會處理程式碼的編譯和與所選函式庫的連結，最終產生可以上傳到 Arduino 的二進制檔案（.hex 或 .bin）。
   • PlatformIO: PlatformIO 是一個更進階的跨平台建置系統，它可以管理依賴項（包括 micro_ros_arduino），編譯程式碼並連結函式庫，產生可上傳的韌體。
   • 更底層的工具鏈: 如果您不使用 IDE，您需要配置適合您目標 Arduino 板的編譯器和連結器，並手動或透過腳本將您的應用程式碼與建置好的 micro-ROS Client 函式庫連結。

4. 上傳韌體到 Arduino： 使用 Arduino IDE 的上傳功能或特定於您開發板的燒錄工具（例如 avrdude、esptool.py）將編譯和連結後的二進制檔案上傳到 Arduino 開發板。

總結來說，您不能直接使用像 colcon build 這樣的標準 ROS 2 工具來產生 Arduino 的韌體並連結 micro-ROS。 您需要使用 Arduino 生態系統提供的工具（Arduino IDE、PlatformIO）或更底層的嵌入式系統開發工具鏈，並搭配 micro_ros_arduino 函式庫來開發、編譯和上傳您的 micro-ROS 應用程式。

micro-ROS 專案提供了一些工具和範例來簡化在不同平台上建置 micro-ROS Client 函式庫和範例應用程式的過程，但這些工具是為了適應微控制器的特殊性而設計的，與標準 ROS 2 的工作流程有所不同。 您通常會在 micro-ROS 的文件或相關平台的教學中找到關於建置和上傳韌體的具體步驟。