掌上单片机实验室 – RT-Thread + ROS2 初探（25）

        在初步尝试RT-Thread之后，一直在琢磨如何进一步感受它的优点，因为前面只是用了它的内核，感觉和FreeRTOS、uCOS等RTOS差别不大，至于它们性能、可靠性上的差异，在这种学习性的程序中，很难有所察觉。

        RT-Thread的显性优势之一就是其丰富的软件包，可以将特定功能方便的加入程序，大大提升实现某种目标的可行性和便利性。但那么多软件包，选哪个作为学习素材呢？既希望能和小车结合得比较顺畅、自然，又不希望增加过多硬件，从而增加学习成本。

        十几天前，和一位大学教师朋友聊起，得知ROS从1到2改进了不少，将原来和单片机通讯的rosserial升级为可以在单片机上运行的MicroROS，能支持ROS2的大多数功能，关键是RT-Thread里有MicroROS软件包。

        顿悟，ROS 是结合小车的最佳学习素材啊！五年前就曾尝试过，已初步联通 rosserial，只是在将 rosserial 加入到小车 FreeRTOS 程序框架中时遇阻，后又因其它事情分心而搁置；现在重拾 ROS 顺理成章。正好RT-Thread 将其集成，化解了要基于 RTOS 实施 ROS 的心结，因小车的控制程序都是基于RTOS框架实现的。

        很早就想让圆梦小车成为 ROS的外设，希望这次能如愿。

一、初步规划

        ROS第一个演示的示例就是控制小海龟，而我的小车完全可以成为现实世界的“小海龟”，所以第一步计划就是利用这个示例，让小海龟走出屏幕，到现实世界里转转。

        核心是能将 PC 上运行的 ROS2 和现实世界的小车通讯，让小车具备虚拟小海龟的能力。

        略微了解了一下ROS2，其核心就是一套基于DDS的分布式通讯机制，使机器人各个部件可以相互交流，协同工作。它根据机器人这一特定的需求，设计了诸如：节点、主题、服务、参数、动作等通讯方式，以便在设计机器人部件时，有章可循；组合在一起时，可以无障碍沟通。

        实际上，如今的物联网也是这个需求，如果每个设备都自说自话，就很难在一起工作了。

二、环境准备

        要实现上述规划，首先要做如下环境的准备。

2.1构建 Linux环境

        虽说 ROS2 已经有 Windows 版本，但从网上的信息看，似乎还是对 Linux 支持得比较好，对于我这种PC编程菜鸟而言，还是减少些麻烦，按推荐的来。

        我是将 Linux 安装在虚拟机上，因为这样方便和 Windows 主机交互，毕竟很多资料都在Win下。五年前也是这样做的。

        首先卸载掉原来玩 rosserial 时的 Ubuntu16.04，重新安装推荐的 ubuntu22.04。为了减少不确定性，顺便将 Vmware 升级到 17.5 版。

2.2安装ROS2

        在那个大学老师朋友以及一个澳门中学老师朋友（他在教ROS课程）的指点下，完全参照鱼香ROS的《ROS2机器人入门到实战教程》，完成了ROS2的安装，虽说遇到点网络问题，但还算顺利的安装完成了（多数使用了鱼香ROS的一键安装，很方便）。链接如下:

        https://blog.csdn.net/qq_27865227/article/details/131363638

        测试小海龟示例，OK！

        按教程完成了相关工具的安装，顺利实现了图形化显示节点、服务等信息，以及仿真三维模型显示。

2.3安装 MicroROS

        这才是要做的核心，鱼香教程中使用Docker命令运行 micro_ros_agent，可我安装 Docker 后始终运行不了，Linux功底太差，加之网络问题，放弃了。

        搜了很多 MicroROS 的安装文章，先按鱼香ROS社区中的帖子安装，编译失败。

        QQ群求助，有人指点：让我一步步完整地按照鱼香ROS的教程走，这样有些隐含的依赖关系就能建立。

        于是我将虚拟机都删除重装，以免卸载不干净。从头开始，逐篇执行所有的安装操作，确有改善，能编译成功了。

        可运行后，和单片机的通讯存在问题，收到几条消息后，显示：segemtation fault（段出错）

        第一次：单片机端是基于RT-Thread的MicroROS库生成的示例程序，下载到STM32F411CE上运行。担心是因此所致，教程中用的是ESP32，正好手上有个ESP32核心板。

        按教程先安装了 Vscode 以及 PlatformIO，将教程示例下载到 ESP32 核心板中，结果还是一样。无奈，为减少不确定性，购买了鱼香 ROS的 FishBot 控制板，板子还没到手，在看了附带的FishBot 配套资料后，就预感问题可能出在虚拟机上，因为资料中特别提及：不建议在虚拟机上安装ROS2及MicroROS！

        还是不太死心，拿到板子后继续测试，结果一样：Segmentantion Fault!

        因手头没有PC机可以单独安装 Linux，便去南大的学生朋友那里，一方面请他们指点（计算机系学生 Linux 在行）；另一方面，验证一下是否在物理机上就没有问题！结果确实如此，在物理机上一切正常！

        悲催！为化解此问题整整耗了约两周时间。

        基于虚拟机玩ROS2彻底死心！（准确的说：是玩MicroROS 不行）

        手上闲置的电脑太老，无法用U盘启动安装 Linux。正好朋友那里有闲置的工控机主板，配置为：Intel i3-2350M，8G内存，64G硬盘，基本能满足 Ubuntu22.04 运行需求。拿来后用闲置的有机玻璃板略加美化，有了一台可以安装 Linux 的物理机：

        前面的工作重复一遍，有了那么多次的反复试错的经历，这次安装很顺利，一个晚上就完成了ubuntu22.04、ROS2 humble、MicroROS 的安装。

        注：折腾那么多遍之后的建议：如果有朋友要安装 MicroROS（其它还是按鱼香ROS的教程做），按 MicroROS 官网上的步骤安装，比较靠谱，而且版本应该是最新的，链接如下：

        https://micro.ros.org/docs/tutorials/core/first_application_linux/ 

        完成上述安装后，用FishBot 控制板、ESP32核心板以及基于RT-Thread生成的STM32F411CE核心板，均无问题。

        基础环境总算构建完成。

2.4 针对小车的准备（将有线串口变为无线）

        小车是需要移动的，而前面所构建的小车控制程序是在 STM32F411CE上，RT-Thread 暂时还不支持 ESP32，而 STM32F411CE 没有 Wifi，只能通过串口通讯，虽说成功的和 ROS2 主机通讯了，可总不能连着一条导线吧。

        以往都是用两个无线透传模块或蓝牙透传模块实现。无线透传模块是我自己做的，效果虽然不错，可那是半双工通讯。MicroROS 所用的通讯协议大概率应该是全双工的，网上查了很久，也没找到详细资料；当初研究 rosserial，还搜到了协议帧的定义；这次是完全“黑箱”，用串口助手监听的内容找不到规律。

        蓝牙透传模块我不确定是否为全双工模式；而使用 PC 上的蓝牙串口服务，在 Linux 下实在没有能力搞定，故暂放弃选择蓝牙。

        性价比高且易于实施的只能选 ESP8266 方案。按我的理解：WiFi通讯应该是全双工的。用WiFi通讯还有一个好处：未来应该可以实现一对多通讯，也就是说可以控制多个小车了。

        网上这方面资料很多，关键是可以基于 Arduino IDE 编程，具备较好的可控性（用现成模块最大的障碍就是不可控，遇到问题很难化解，这也是我自己制作无线透传模块的缘由）。虽说自己编程需要耗费一些时间，可用现成模块遇到问题往往更耗时间，有可能最终还无解。

        正好手上有一块以前尝试ESP8266 Arduino编程的NodeMCU 模块（可以直接 USB 连接 PC 烧写程序）以及一块单独ESP8266模块。参考以下文章着手实施两个ESP8266之间的串口透传：

        https://blog.csdn.net/m0_70301192/article/details/129964501

        首先是要验证是否可行，故将其程序简化，PC端连接的ESP8266为AP、Server端：

        单片机端连接 ESP8266 模块为 STA、Client端：

        程序中增加了LED闪烁指示，以便直观地判断通讯状态。

        略加调试实现透传后，首先用两个串口助手测试，全双工OK！

        在装有ubuntu22.04的PC机上连接NodeMCU（Server端+AP）模块；STM32F411CE单片机UART2连接ESP8266模块（Client端）的UART口。

        PC运行ROS2以及micro_ros_agent，单片机运行RT-Thread下的MicroROS示例程序，通讯OK！和连接导线状态一样，无线串口成功啦！

        小海龟走下屏幕的基础均已完成，下一步编写小车上的 MicroROS 程序，让小海龟附体。

三、总结与展望

        重点是小车如何能成为 ROS2 的外设，并非深究 ROS2 本身，所以没有过多在 ROS2 上下功夫，Linux 功底又太差，上述构建环境的过程有点艰难。

        期望能将 ROS 引入到单片机的学习中，成为一个有趣的素材。而且其分布式通讯的理念也是如今万物互联世界所需要的，尤其是想在嵌入式领域工作，几乎均要涉及到设备互联。

        后续编写小车上的 MicroROS 程序估计还会遇到困难，主要是没有系统的参考资料，或者说我没有找到，好像只能参考示例程序自己修改实现。我希望能有系统的 API 函数说明，在看例程时就能理解，并加以改动以实现自己所需的目标。如有朋友知道哪里有此文档，盼在评论中告知，谢谢！

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文中所提ESP8266透传程序：

通过网盘分享的文件：ESP8266透传程序.rar

链接: https://pan.baidu.com/s/14nVtSbVpbc7c7ZKsfe0hvQ 

提取码: atez