Глава 3. Основы ROS

ROS (Robot Operating System) — это открытая программная платформа, которая помогает инженерам и программистам создавать, тестировать и управлять роботами.

Хотя в названии есть словосочетание “операционная система”, на самом деле ROS — это не самостоятельная ОС, а набор инструментов, библиотек и стандартов, упрощающих создание сложных робототехнических систем.

На текущий момент ROS является самым популярным фреймворком для применения в робототехнике. Только в России ROS широко используют следующие компании:

С большим количеством роботов можно ознакомиться на сайте https://robots.ros.org/.

Одной из двух ключевых концепций ROS является нода (node). Само слово node переводится как "узел", имея в виду узел сети обмена данными, но на курсе мы не будем использовать перевод, а будем называть эту сущность "нода".

В первом приближении нода представляет собой просто программу, написанную на языке Python или C++ (штатно ROS поддерживает только эти языки).

Отличия от простой программы заключаются в том, что программа для робота с точки зрения ROS - это набор нод, взаимодействующих между собой, обмениваясь сообщениями.

Это достаточно старая концепция в программировании - разделение программы на модули, взаимодействующие относительно небольшим количеством способов с другими модулями, и не раскрывающая своё внутреннее устройство (свою реализацию).

В математике такого рода сущности называют "черным ящиком" - вы знаете что нужно подать на вход чёрного ящика чтобы получить нужный вам результат, но вы не знаете (или не хотите знать) как этот результат получить.

Пусть концепция "чёрного ящика" может показаться странной, однако вы уже наверняка с ней знакомы, если вы использовали на калькуляторе кнопку вычисления квадратного корня. Вы наверняка знаете, какой результат вы получите от операции извлечения квадратного корня, однако подавляющее большинство читающих не знают как вычислить квадратный корень без помощи калькулятора или компьютера.

Более того, ограничение способов общения с модулем даёт вам заметные преимущества. Вообразим, что в вашем программном обеспечении модуль вычисления квадратного корня работает очень медленно. С точки зрения ROS - вы просто меняете ноду, которая вычисляет квадратный корень, не трогая остальное программное обеспечение.

Предложенный пример достаточно умозрителен, но вот более реальный пример: вы хотите узнать факт наличия на изображении, получаемом с USB-камеры QR-кода и если он есть, то вас интересует значение, которое он содержит. Конечно, вы бы могли разработать весь код самостоятельно, но было бы это эффективно с точки зрения затрат времени и качества кода?

Очевидно, что задача работы с USB-камерами была решена до вас и решена хорошо. От того, что вы напишете ещё одну реализацию, мир не станет лучше. Правильнее взять готовый модуль, получить от него изображение, передать его в другой готовый модуль, который умеет выделять на изображении QR-код, и выдавать далее его значение.

Задача разработчика — не переизобретать в тысячный раз велосипеды, а добавлять нечто новое, основываясь на уже реализованных разработках. Как говорил Исаак Ньютон "Если я и смог посмотреть дальше других, то только потому что стоял на плечах гигантов".

Обычно, в этом месте некоторое количество студентов курса высказывают желание написать весь код самостоятельно, не опираясь на готовые библиотеки. Традиционно рекомендуем им начать с добычи кварца для того, чтобы изготовить самостоятельно процессор для компьютера а также с добычи медной руды, чтобы изготовить провода для компьютера.

Стоит понимать, что иногда доступные реализации задач действительно по той или иной причине не устраивают нас, и тогда необходимо написать код самостоятельно. Мы абсолютно не против такого подхода, а лишь настоятельно рекомендуем проверить обоснованность такого решения и напоминаем что недостаток "код написан не мной" является слабым обоснованием.

Итак, мы примерно поняли что такое нода (если вы не разобрались до конца - не переживайте, у вас будет время попрактиковаться и разобраться). Однако для того, чтобы система заработала, кроме нод нужен способ обмена данными между нодами.

В ROS основным способом обмена данными между нодами являются топики (topic) - этот термин мы также не будем переводить.

Топик - это именованный, типизированный канал, куда ноды могут отправлять (publish) сообщения, а также ноды могут быть подписаны (subscribe) на топики.

Важно отметить, что ноды отправляют сообщения не другим нодам, а именно в топик. Также ноды получают сообщения не от конкретной ноды, а из топика. Это позволяет ещё сильнее уменьшить связанность нод между собой, уменьшить требования о раскрытии внутренней структуры нод и, в итоге, это приводит к тому что ноды легче объединять в сеть, даже не занимаясь непосредственно программированием (в рамках практического занятия мы попробуем это сделать).

Теперь рассмотрим ту часть определения, где упоминается что топики являются типизированными. Это означает, что данные внутри топиков имеют определенный тип и для топика он всегда один, отправка сообщений разного типа в топики приведёт к ошибкам.

Наконец, мы многократно говорили, что ноды в ROS обмениваются данным, но что из себя представляют эти самые данные?

Передача данных в топиках является основой взаимодействия узлов в ROS, поэтому важно понимать, какие типы сообщений могут использоваться. В ROS 2 применяется строго определённая система типов: каждый топик публикует сообщения фиксированного формата, описанного в файлах с расширением .msg. Базовые типы данных включают простые числовые и логические значения:

Помимо примитивных типов ROS поддерживает составные структуры данных. Они представляют собой сообщения, состоящие из нескольких полей, каждое из которых тоже является типом ROS. Примером может служить пакет geometry_msgs/Twist (с ним мы будем работать в практической части занятия).

Важно отметить, что пользователь не ограничен только стандартными типами: в ROS можно самостоятельно создавать собственные форматы сообщений. Для этого достаточно определить структуру в файле .msg, указать нужные поля и задать зависимости в пакете. После сборки такие пользовательские сообщения становятся доступными для публикации и подписки так же, как встроенные типы. Это даёт разработчику гибкость в создании тех форматов данных, которые наиболее точно описывают работу конкретного робота или алгоритма.

Далее разберём устройство сообщения geometry_msgs/Twist.msg.

Основная концепция ROS - это набор модулей, взаимодействующих между собой при помощи обмена сообщениями. Это очень старая и важная концепция в мире IT, ещё в 1967 году один из отцов современного программирования работал над аналогичной концепцией:

Данная концепция значительно расширяет возможности повторного переиспользования кода и отладки программ.

На курсе мы будем работать с версией ROS Jazzy. Установка выполняется по инструкции:

https://docs.ros.org/en/jazzy/Installation/Ubuntu-Install-Debs.html

Для установки на ПК используйте версию desktop а для одноплатного компьютера (например на катамаран) - версию base.

После установки выполните команду:

Эта команда используется для того, чтобы автоматически подключать окружение ROS 2 при каждом открытии нового терминала. Файл setup.bash, находящийся в каталоге установленного дистрибутива ROS, добавляет в систему необходимые переменные среды: пути к пакетам, библиотекам, инструментам командной строки и настройкам ROS_DOMAIN_ID. Если выполнить команду source вручную, окружение будет активно только в текущем окне терминала, и после его закрытия настройки исчезнут. Добавление строки source /opt/ros/jazzy/setup.bash в файл ~/.bashrc делает подключение постоянным: при каждом запуске терминала оболочка автоматически загружает окружение ROS, и все команды (ros2 run, ros2 topic, ros2 node) становятся доступными без дополнительных действий. Это упрощает работу учащихся и снижает вероятность ошибок, связанных с забытым подключением среды.

Turtlesim — это простой учебный симулятор, входящий в состав ROS 2 и предназначенный для первых упражнений по работе с нодами, топиками и управлением роботом. Он представляет собой двумерную среду, в которой «черепашка» двигается по экрану, реагируя на команды скорости. Благодаря минималистичному устройству turtlesim позволяет быстро увидеть, как данные, опубликованные одной нодой, влияют на поведение другой, и тем самым наглядно демонстрирует принципы архитектуры ROS.

Для работы с turtlesim необходимо запустить две разные ноды, каждая в своём терминале. Команда

запускает сам симулятор — это нода, которая отображает черепашку и принимает команды движения через соответствующий топик. В другом терминале запускается команда

которая открывает ноду управления с клавиатуры. Она считывает нажатия клавиш и публикует сообщения о скоростях черепашки. Разделение на два процесса важно, потому что ноды ROS работают независимо, а обмен данными между ними происходит через топики. Такое упражнение позволяет учащимся на практике увидеть взаимодействие нод, публикующих и принимающих сообщения.

После запуска симулятора turtlesim и ноды управления с клавиатуры можно использовать консольные утилиты ROS 2, чтобы изучить, какие ноды активны, какие топики существуют и какие сообщения передаются между компонентами. Такие инструменты помогают понять внутреннюю структуру работающей системы и увидеть, как ноды взаимодействуют друг с другом в реальном времени.

После знакомства с консольными утилитами, такими как ros2 node list, ros2 topic list и ros2 topic echo, важно показать учащимся инструмент, который позволяет увидеть архитектуру работающей системы в наглядной графической форме. Такой инструмент — rqt_graph. Он отображает ноды, топики и направления передачи данных в виде схемы, что помогает понять структуру ROS-приложения быстрее, чем вручную анализировать списки и выводы в терминале. В учебных примерах этот инструмент особенно полезен, поскольку позволяет сразу увидеть, какие ноды взаимодействуют друг с другом, какие топики активны и как распределяются сообщения в системе.

Запуск rqt_graph выполняется командой в консоли:

После её выполнения откроется окно с графическим представлением текущей ROS-сети. Если в системе запущены ноды turtlesim и teleop_turtle, то схема будет включать минимум три элемента: ноду /teleop_turtle, ноду /turtlesim и топик /turtle1/cmd_vel. На графе будет видно, что /teleop_turtle публикует команды скорости в этот топик, а /turtlesim подписывается на него. Также могут отображаться дополнительные служебные топики, такие как /parameter_events или /rosout, появляющиеся автоматически при работе ROS 2.

Использование rqt_graph помогает увидеть взаимосвязи между компонентами, убедиться, что сообщения доходят до нужных нод, и в целом лучше понять архитектуру системы. Это делает инструмент важной частью начального обучения работе с ROS, дополняя консольные утилиты визуальными средствами анализа.

Одно из важных преимуществ ROS заключается в том, что систему можно настраивать и собирать из готовых нод даже без написания собственного кода. Механизм remapping позволяет переназначать имена топиков, нод и сервисов прямо при запуске программы, что даёт возможность объединять разные компоненты в рабочую систему, не изменяя исходный код и не создавая новых пакетов. Благодаря этому разработчик может «сконструировать» поведение робота из готовых элементов: одна нода генерирует команды, другая принимает их, а связь между ними задаётся через параметры запуска. Такой подход особенно полезен учащимся, потому что позволяет начать экспериментировать с функциональностью робота сразу, не ожидая написания и сборки программ.

Хорошим примером является управление turtlesim при помощи джойстика. Для этого используются две готовые ноды: joy_node, которая считывает состояние игрового контроллера, и teleop_node из пакета teleop_twist_joy, которая преобразует движения джойстика в сообщения типа Twist. Для начала необходимо установить пакет поддержки джойстика, если он ещё не установлен. Это делается командой:

После установки можно запустить чтение данных джойстика:

Эта нода публикует состояние всех осей и кнопок в топик /joy. О том, что такое --ros-args -p dev:="/dev/input/js0" мы поговорим позднее.

В другом терминале запустим:

Давайте посмотрим на вывод rqt_graph:

Мы видим, что нода teleop_twist_joy не соединена с нодой turtlesim, а инспекция ноды в терминале покажет, что хотя топик с нужным типом данных есть, но называется он иначе:

Вывод идёт в топик /cmd_vel, вместо нужного нам /turtle1/cmd_vel. Изменим это без программирования. Остановим ноду, и запустим её с параметром

Затем в другом терминале запускается нода управления:

Здесь используется remapping: --remap cmd_vel:=/turtle1/cmd_vel

Он переназначает стандартный выходной топик cmd_vel на тот, который понимает turtlesim, то есть /turtle1/cmd_vel. Без такой перенастройки нода teleop_twist_joy публиковала бы сообщения в другой топик, и симулятор не получал бы команд.

Теперь rqt_graph показывает правильную картину:

Для повышения удобства работы ещё сильнее изменим настройки ноды:

Остальные параметры управляют тем, как именно интерпретируются оси джойстика. Параметр axis_linear.x:=4 указывает, что линейная скорость робота берётся из оси номер 4 контроллера, а axis_angular.yaw:=3 задаёт ось номер 3 как источник угловой скорости. Значения scale_linear.x и scale_angular.yaw определяют коэффициенты масштабирования: они ограничивают диапазон скоростей, чтобы движение оставалось плавным и предсказуемым. Например, уменьшив scale_linear.x, можно сделать движение медленнее, что полезно при обучении. И, наконец, команда -p require_enable_button:=false снимает требования нажатия кнопки разблокировки для управления.

Необходимо скачать нужную версию симулятора (windows или linux). Для Linux мы рекомендуем работать в папке ~/ros2/sim-lin.

Для версии Linux необходимо разрешить запуск файла симулятора:

После этого запуска программу WS_SIM_UBUNTU.x86_64 можно запускать или из терминала или из GUI.

Для соединения с ROS2 используется ROS TCP Connector для отправки/получения сообщений из ROS и пакет визуализаций для добавления визуализаций входящих и исходящих сообщений в Unity сцене.

Клонируем в папку ~/ros2 репозитория:

Далее необходимо перейти в пакет ros2 cpp modbus

и установить зависимости, которые представлены в README

Обратите внимание: При сборке может возникнуть проблема с драйверами v4l-ctl. Исправить данную ошибку можно установив v4l-utils:

После этого перейдите в папку и скомпилируйте ноду:

Результат правильного выполнения команды выглядит примерно так:

Далее, аналогично ROS мы рекомендуем сохранить команду в файл .bashrc (см. раздел про установку ROS, чтобы вспомнить зачем).

Внимание: если вы склонировали код в другую папку, скорректируйте путь к файлу.

После этого можно запускать ноду, которая должна быть запущена в течение всего времени работы с симулятором:

Параметр is_sim:=true отвечает за запуск ROS TCP Connector. Без данного параметра будет запускаться версия для управления аппаратом в реальности.