RT-Thread如何使用串口或者无线和ROS连接

STM32单片机 2020-05-29 5311

描述

引言

这篇文档主要介绍 RT-Thread 如何使用串口或者无线和 ROS 连接，会包含这么些内容：

第一部分：ROS 环境搭建

第二部分：RT-Thread rosserial 软件包

第二部分：RT-Thread 添加 USART2 和 PWM

第三部分：RT-Thread 使用 ESP8266 AT 固件联网

这里先介绍一下什么是 ROS？为什么要和 ROS 连接？

机器人操作系统 ROS (Robots Operating System) 最早是斯坦福大学的一个软件框架，现在不管是工业机器人，还是娱乐用的机器人都运行着 ROS。

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一个机器人通常有很多个部件、传感器，为了保证机器人不会因为某一个传感器故障，导致整个系统瘫痪，所以采用了分布式的节点，利用不同节点之间的通讯收集传感器数据和控制指令，这篇文档后面会使用到的通讯协议就是 rosserial。和 ROS 连接的好处在于，一方面由 ROS 管理各个机器人节点更稳定，另一方面 ROS 现在已经有了非常多成熟的软件包，使用 ROS 就可以非常方便的为自己的机器人添加摄像头图像识别、激光雷达建图导航等高级功能。不过这篇文档只会涉及 RT-Thread 和 ROS 建立基本的连接，实现小车的运动控制，之后可能会有后续文档介绍如何连接激光雷达建图，并进行全局路径规划。

这篇文章假定大家都已经会用 RT-Thread 的 env 工具下载软件包，生成项目上传固件到 stm32 上，并且熟悉 Ubuntu 的基本使用。

1 ROS 简介

这里的开发环境搭建其实是需要搭建 2 份，一份是小车上的 ARM 开发板 (树莓派，NanoPi 什么的)，另一个则是自己的电脑，因为我们希望把电脑作为 ROS 从节点，连接到小车上的 ROS 主节点，不过开发板和电脑的 ROS 安装是一模一样的。

既然要和 ROS 连接，那么首先就得要有一个正常运行的 ROS。安装 ROS 其实非常简单，这里推荐使用 Ubuntu 18 (开发板推荐系统用 Armbian)，因为官方对 Ubuntu 的支持优先级是最高的，安装教程也可以参照官网：http://wiki.ros.org/melodic/Installation/Ubuntu 只需要输入下面的 4 行命令，就在 Ubuntu 上装好了 ROS。

1sudo sh -c 'echo "deb https://mirror.tuna.tsinghua.edu.cn/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list' 2sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654 3sudo apt update 4sudo apt install ros-melodic-ros-base上面我使用了清华大学的镜像源，这样从国内下载 ROS 会快很多，而且我只安装了 ROS 的基本软件包，没有安装图形化软件包 gviz，gazebo 什么的，因为后面也没有用到。

1.2 ROS 环境初始化

ROS 安装好之后还需要进行初始化，不过也是只有短短几行命令：

1sudo rosdep init 2rosdep update 3 4echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc 5source ~/.bashrc 1.3 启动 ROS 启动 ROS 的话我们需要确保它是常驻后台运行的，所以我们可以使用 tmux：1roscore

在 tmux 里启动了 ROS 主节点后，我们就可以 Ctrl + B D 退出了，而 ROS 主节点依旧在后台运行。

1.4 参考文献

Armbian:https://www.armbian.com/

ROS Melodic 安装//wiki.ros.org/melodic/Installation/Ubuntu

2 RT-Thread 串口连接 ROS

这一部分会介绍如何使用串口将运行着 RT-Thread 的 STM32 开发板和运行着 ROS 的 ARM 开发板连接，看起来差不多就是这样。

这里说明一下不同开发板的分工，STM32 运行着 RT-Thread 负责控制电机，接收传感器信息；ARM 运行着 ROS 负责进行全局控制，例如给小车发出前进的指令。

2.1 RT-Thread 配置

首先我们需要打开 usart2，因为 usart1 被 msh 使用了，保留作为调试还是挺方便的。

在 CubeMX 里我打开了 USART2，另外还打开了 4 路 PWM，因为我后面使用了 2 个电机，每个电机需要 2 路 PWM 分别控制前进和后退。接下来还需要在 menuconfig 里面打开对应的选项，考虑到有的开发板默认的 bsp 可能没有这些选项，可以修改 board/Kconfig 添加下面的内容。串口的配置：

1menuconfig BSP_USING_UART 2 bool "Enable UART" 3 default y 4 select RT_USING_SERIAL 5 if BSP_USING_UART 6 config BSP_USING_UART1 7 bool "Enable UART1" 8 default y 9 10 config BSP_UART1_RX_USING_DMA 11 bool "Enable UART1 RX DMA" 12 depends on BSP_USING_UART1 && RT_SERIAL_USING_DMA 13 default n 14 15 config BSP_USING_UART2 16 bool "Enable UART2" 17 default y 18 19 config BSP_UART2_RX_USING_DMA 20 bool "Enable UART2 RX DMA" 21 depends on BSP_USING_UART2 && RT_SERIAL_USING_DMA 22 default n 23 endif PWM 的配置：1menuconfig BSP_USING_PWM 2 bool "Enable pwm" 3 default n 4 select RT_USING_PWM 5 if BSP_USING_PWM 6 menuconfig BSP_USING_PWM3 7 bool "Enable timer3 output pwm" 8 default n 9 if BSP_USING_PWM3 10 config BSP_USING_PWM3_CH1 11 bool "Enable PWM3 channel1" 12 default n 13 config BSP_USING_PWM3_CH2 14 bool "Enable PWM3 channel2" 15 default n 16 config BSP_USING_PWM3_CH3 17 bool "Enable PWM3 channel3" 18 default n 19 config BSP_USING_PWM3_CH4 20 bool "Enable PWM3 channel4" 21 default n 22 endif 23 endif

这样我们在 env 下就可以看到有对应的配置了,

ROS

除此之外，我们还需要选择 rosserial 软件包：

ROS

可以看到上面默认的串口就是 USART2，这样我们就可以生成对应的工程了：

1pkgs --update 2scons --target=mdk5 -s如果我们打开 Keil 项目，首先需要把 main.c 修改为 main.cpp，因为 rosserial 很多数据格式的定义都是用 C++ 写的，所以如果要使用 rosserial 库，我们先得把后缀改为 cpp，这样 Keil 就会用 C++ 编译器编译。

ROS

下面是 main.cpp 的内容，其实就是初始化了电机，然后发布了 2 个话题 (topic)，一个是 /vel_x 告诉 ROS 当前小车的速度，一个是 /turn_bias 告诉 ROS 当前小车的旋转速度。同时又订阅了一个话题 /cmd_vel，用来接收从 ROS 发出的控制指令。代码不是特别长，我也添加了一些注释，所以这里就不一行行分析了。

1#include 2#include 3#include 4 5#include 6#include 7#include 8#include "motors.h" 9 10ros::NodeHandle nh; 11MotorControl mtr(1, 2, 3, 4); //Motor 12 13bool msgRecieved = false; 14float velX = 0, turnBias = 0; 15char stat_log[200]; 16 17// 接收到命令时的回调函数 18void velCB( const geometry_msgs::Twist& twist_msg) 19{ 20 velX = twist_msg.linear.x; 21 turnBias = twist_msg.angular.z; 22 msgRecieved = true; 23} 24 25//Subscriber 26ros::Subscriber sub("cmd_vel", velCB ); 27 28//Publisher 29std_msgs::Float64 velX_tmp; 30std_msgs::Float64 turnBias_tmp; 31ros::Publisher xv("vel_x", &velX_tmp); 32ros::Publisher xt("turn_bias", &turnBias_tmp); 33 34static void rosserial_thread_entry(void *parameter) 35{ 36 //Init motors, specif>y the respective motor pins 37 mtr.initMotors(); 38 39 //Init node> 40 nh.initNode(); 41 42 // 订阅了一个话题 /cmd_vel 接收控制指令 43 nh.subscribe(sub); 44 45 // 发布了一个话题 /vel_x 告诉 ROS 小车速度 46 nh.advertise(xv); 47 48 // 发布了一个话题 /turn_bias 告诉 ROS 小车的旋转角速度 49 nh.advertise(xt); 50 51 mtr.stopMotors(); 52 53 while (1) 54 { 55 // 如果接收到了控制指令 56 if (msgRecieved) 57 { 58 velX *= mtr.maxSpd; 59 mtr.moveBot(velX, turnBias); 60 msgRecieved = false; 61 } 62 63 velX_tmp.data = velX; 64 turnBias_tmp.data = turnBias/mtr.turnFactor; 65 66 // 更新话题内容 67 xv.publish( &velX_tmp ); 68 xt.publish( &turnBias_tmp ); 69 70 nh.spinOnce(); 71 } 72} 73 74int main(void) 75{ 76 // 启动一个线程用来和 ROS 通信 77 rt_thread_t thread = rt_thread_create("rosserial", rosserial_thread_entry, RT_NULL, 2048, 8, 10); 78 if(thread != RT_NULL) 79 { 80 rt_thread_startup(thread); 81 rt_kprintf("[rosserial] New thread rosserial "); 82 } 83 else 84 { 85 rt_kprintf("[rosserial] Failed to create thread rosserial "); 86 } 87 return RT_EOK; 88}

另外还有对应的电机控制的代码，不过这个大家的小车不同，驱动应当也不一样，我这里由于小车电机上没有编码器，所以全部是开环控制的。

motors.h

1#include 2 3class MotorControl { 4 public: 5 //Var 6 rt_uint32_t maxSpd; 7 float moveFactor; 8 float turnFactor; 9 10 MotorControl(int fl_for, int fl_back, 11 int fr_for, int fr_back); 12 void initMotors(); 13 void rotateBot(int dir, float spd); 14 void moveBot(float spd, float bias); 15 void stopMotors(); 16 private: 17 struct rt_device_pwm *pwm_dev; 18 //The pins 19 int fl_for; 20 int fl_back; 21 int fr_for; 22 int fr_back; 23 int bl_for; 24 int bl_back; 25 int br_for; 26 int br_back; 27}; motors.c1#include 2#include 3#include "motors.h" 4 5#define PWM_DEV_NAME "pwm3" 6 7MotorControl::MotorControl(int fl_for, int fl_back, 8 int fr_for, int fr_back) 9{ 10 this->maxSpd = 500000; 11 this->moveFactor = 1.0; 12 this->turnFactor = 3.0; 13 14 this->fl_for = fl_for; 15 this->fl_back = fl_back; 16 17 this->fr_for = fr_for; 18 this->fr_back = fr_back; 19} 20 21void MotorControl::initMotors() { 22 /* 查找设备 */ 23 this->pwm_dev = (struct rt_device_pwm *)rt_device_find(PWM_DEV_NAME); 24 if (pwm_dev == RT_NULL) 25 { 26 rt_kprintf("pwm sample run failed! can't find %s device! ", PWM_DEV_NAME); 27 } 28 rt_kprintf("pwm found %s device! ", PWM_DEV_NAME); 29 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_for, maxSpd, 0); 30 rt_pwm_enable(pwm_dev, fl_for); 31 32 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_back, maxSpd, 0); 33 rt_pwm_enable(pwm_dev, fl_back); 34 35 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_for, maxSpd, 0); 36 rt_pwm_enable(pwm_dev, fr_for); 37 38 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_back, maxSpd, 0); 39 rt_pwm_enable(pwm_dev, fr_back); 40} 41 42// 小车运动 43void MotorControl::moveBot(float spd, float bias) { 44 float sL = spd * maxSpd; 45 float sR = spd * maxSpd; 46 int dir = (spd > 0) ? 1 : 0; 47 48 if(bias != 0) 49 { 50 rotateBot((bias > 0) ? 1 : 0, bias); 51 return; 52 } 53 54 if( sL < -moveFactor * maxSpd) 55 { 56 sL = -moveFactor * maxSpd; 57 } 58 if( sL > moveFactor * maxSpd) 59 { 60 sL = moveFactor * maxSpd; 61 } 62 63 if( sR < -moveFactor * maxSpd) 64 { 65 sR = -moveFactor * maxSpd; 66 } 67 if( sR > moveFactor * maxSpd) 68 { 69 sR = moveFactor * maxSpd; 70 } 71 72 if (sL < 0) 73 { 74 sL *= -1; 75 } 76 77 if (sR < 0) 78 { 79 sR *= -1; 80 } 81 82 rt_kprintf("Speed Left: %ld ", (rt_int32_t)sL); 83 rt_kprintf("Speed Right: %ld ", (rt_int32_t)sR); 84 85 if(dir) 86 { 87 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_for, maxSpd, (rt_int32_t)sL); 88 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_back, maxSpd, 0); 89 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_for, maxSpd, (rt_int32_t)sR); 90 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_back, maxSpd, 0); 91 } 92 else 93 { 94 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_for, maxSpd, 0); 95 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_back, maxSpd, (rt_int32_t)sL); 96 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_for, maxSpd, 0); 97 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_back, maxSpd, (rt_int32_t)sR); 98 } 99 100 rt_thread_mdelay(1); 101} 102 103 104// 小车旋转 105void MotorControl::rotateBot(int dir, float spd) { 106 float s = spd * maxSpd; 107 if (dir < 0) 108 { 109 s *= -1; 110 } 111 if(dir) 112 { 113 // Clockwise 114 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_for, maxSpd, (rt_int32_t)s); 115 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_back, maxSpd, 0); 116 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_for, maxSpd, 0); 117 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_back, maxSpd, (rt_int32_t)s); 118 } 119 else 120 { 121 // Counter Clockwise 122 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_for, maxSpd, 0); 123 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_back, maxSpd, (rt_int32_t)s); 124 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_for, maxSpd, (rt_int32_t)s); 125 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_back, maxSpd, 0); 126 } 127 rt_thread_mdelay(1); 128} 129 130//Turn off both motors 131void MotorControl::stopMotors() 132{ 133 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_for, maxSpd, 0); 134 rt_pwm_set(pwm_dev, fl_back, maxSpd, 0); 135 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_for, maxSpd, 0); 136 rt_pwm_set(pwm_dev, fr_back, maxSpd, 0); 137}一共只需要这么一点代码就可以实现和 ROS 的连接了，所以其实 ROS 也不是那么神秘，它就是因为简单好用所以才这么受欢迎的。既然 RT-Thread 已经配置好了，下一步就是 ROS 的配置了。

2.2 ROS 配置

我们把上面 RT-Thread 的固件传到板子上以后，可以用一个 USB-TTL 一边和 STM32 控制板的 USART2 连接，另一边插到 ARM 控制板的 USB 口，接下来就可以建立连接了，在 ARM 板上输入命令：

1$ rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyUSB0如果看到下面的输出，那就成功建立连接了：1tpl@nanopineoplus2:~$ rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyUSB0 2[INFO] [1567239474.258919]: ROS Serial Python Node 3[INFO] [1567239474.288435]: Connecting to /dev/ttyUSB0 at 57600 baud 4[INFO] [1567239476.425646]: Requesting topics... 5[INFO] [1567239476.464336]: Note: publish buffer size is 512 bytes 6[INFO] [1567239476.471349]: Setup publisher on vel_x [std_msgs/Float64] 7[INFO] [1567239476.489881]: Setup publisher on turn_bias [std_msgs/Float64] 8[INFO] [1567239476.777573]: Note: subscribe buffer size is 512 bytes 9[INFO] [1567239476.785032]: Setup subscriber on cmd_vel [geometry_msgs/Twist]

2.3 ROS 控制小车

既然已经成功建立连接了，下一步就是写小车控制的代码了。我们先初始化一个工作区间：

1$ mkdir catkin_workspace && cd catkin_workspace 2$ catkin_init_workspace

接下来创建一个软件包：

1$ cd src 2$ catkin_create_pkg my_first_pkg rospy 这样就会自动在 src 目录创建一个 ROS 软件包了。我们在 catkin_workspace/src/my_first_pkg/src 目录下新建一个文件 ros_cmd_vel_pub.py：1#!/usr/bin/python 2 3import rospy 4from geometry_msgs.msg import Twist 5from pynput.keyboard import Key, Listener 6 7vel = Twist() 8vel.linear.x = 0 9 10def on_press(key): 11 12 try: 13 if(key.char == 'w'): 14 print("Forward") 15 vel.linear.x = 0.8 16 vel.angular.z = 0 17 18 if(key.char == 's'): 19 print("Backward") 20 vel.linear.x = -0.8 21 vel.angular.z = 0 22 23 if(key.char == 'a'): 24 print("Counter Clockwise") 25 vel.linear.x = 0 26 vel.angular.z = -0.8 27 28 if(key.char == 'd'): 29 print("Clockwise") 30 vel.linear.x = 0 31 vel.angular.z = 0.8 32 33 return False 34 35 except AttributeError: 36 print('special key {0} pressed'.format(key)) 37 return False 38 39def on_release(key): 40 vel.linear.x = 0 41 vel.angular.z = 0 42 43 return False 44 45# Init Node 46rospy.init_node('my_cmd_vel_publisher') 47pub = rospy.Publisher('cmd_vel', Twist, queue_size=10) 48 49# Set rate 50rate = rospy.Rate(10) 51 52listener = Listener(on_release=on_release, on_press = on_press) 53 54while not rospy.is_shutdown(): 55 print(vel.linear.x) 56 pub.publish(vel) 57 vel.linear.x = 0 58 vel.angular.z = 0 59 rate.sleep() 60 61 if not listener.running: 62 listener = Listener(on_release=on_release, on_press = on_press) 63 listener.start() 这就是我们的 python 控制程序了，可以使用键盘的 wasd 控制小车前进后退，顺时针、逆时针旋转。我们需要给它添加可执行权限：1$ chmod u+x ./ros_cmd_vel_pub.py

这样就可以编译软件包了，在 catkin_worspace 目录下。

1$ catkin_make 2$ source devel/setup.bash

我们终于就可以启动程序从电脑上控制小车运动了：

1rosrun my_first_pkg ros_cmd_vel_pub.py 可以看到用 ROS 实现小车控制其实代码量并不算多，只需要在自己小车原有的代码上发布一些话题，告诉 ROS 小车当前的状态，并且订阅一个话题接收 ROS 的控制指令就可以了。

2.4 参考文献

ros-pibot:https://github.com/wuhanstudio/ros-pibot

3 RT-Thread 无线连接 ROS

3.1 rosserial 配置

其实无线连接和有线连接几乎是一模一样的，只不过是先用 ESP8266 使自己的控制板能连上网，然后用 tcp 连接和 ROS 通信，关于 RT-Thread 使用 ESP8266 上网的教程可以参照官网:https://www.rt-thread.org/document/site/application-note/components/at/an0014-at-client/，非常详细了，我这里就不重复了。确保开发板有网络连接后，我们就可以在 rosserial 里面配置为使用 tcp 连接：

ROS

我们只需要在上一部分的 main.cpp 里添加一行代码：

1// 设置 ROS 的 IP 端口号 2nh.getHardware()->setConnection("192.168.1.210", 11411); 3 4// 添加在节点初始化之前 5nh.initNode();开发板就能通过 tcp 连接和 ROS 通信了，非常方便。

3.2 ROS 配置

由于我们使用了 tcp 连接，所以 ROS 上自然也要开启一个服务器了，之前是使用的串口建立连接，现在就是使用 tcp 了：

1$ rosrun rosserial_python serial_node.py tcp

其他的代码完全不需要改变，这样我们就实现了一个 ROS 无线控制的小车了。

3.3 参考文献

RT-Thread 使用 ESP8266 上网:

https://www.rt-thread.org/document/site/application-note/components/at/an0014-at-client/

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