Лекция 8. Введение в Robot Operating System (ROS), базовые концепции, первый запуск

• Восьмая лекция посвящена практическим аспектам ROS.  

• ROS расшифровывается как Robot Operating System.  

• Вопрос о необходимости операционных систем для роботов.  

• Первые компьютеры и телефоны были законченными изделиями.  

• Со временем появились операционные системы, такие как Android и Windows.  

• Операционные системы предоставляют абстракцию от железа.  

• Операционные системы позволяют разработчикам не думать о железе.  

• ROS позволит разработчикам сосредоточиться на приложениях.  

• Конечные пользователи получат разнообразие приложений на одном устройстве.  

• Операционные системы стандартизируют протоколы передачи данных.  

• Появляются стандартизированные инструменты разработки и сообщества.  

• В робототехнике уже существуют операционные системы, такие как ROS.  

• ROS — это свободно распространяемая метаоперационная система для роботов.  

• ROS предоставляет аппаратную абстракцию и управление устройствами.  

• ROS работает поверх уже установленной операционной системы.  

• ROS является одной из самых распространенных операционных систем для роботов.  

• В 2017 году было почти 3000 официальных пакетов ROS.  

• ROS используется в исследовательских лабораториях и коммерческих компаниях.  

• ROS включает низкоуровневые и высокоуровневые компоненты.  

• ROS поддерживает множество робототехнических платформ.  

• Разработчики устройств теперь интегрируют ROS в свои продукты.  

• ROS включает компоненты разного уровня: интерфейсы, драйверы, коммуникационный уровень, робототехнические модели и алгоритмы.  

• Примеры: драйверы камеры, джойстика, работа по серийному порту, модели роботов, управление роботами, локализация, стек навигации.  

• ROS предоставляет инструменты для симуляции и модификации под конкретные задачи.  

• До появления ROS разработчики часто писали много рутинного кода для новых роботов.  

• В 2007 году группа выпускников Стэнфорда начала разрабатывать ROS, чтобы сократить время на написание стандартного кода.  

• Они создали 100 одинаковых роботов для тестирования и разработки операционной системы.  

• ROS разрабатывался в Willow Garage, где также разрабатывались беспилотные автомобили и автономные лодки.  

• В 2010 году вышла первая версия ROS, и за последующие 10 лет сообщество ROS значительно выросло.  

• ROS стал самой популярной платформой для разработки роботов.  

• Черепаха является маскотом ROS, так как симуляция черепашки напоминает язык программирования.  

• Дистрибутивы ROS называются заглавными буквами алфавита, начиная с версии Melodic.  

• LTS-дистрибутивы поддерживаются долгое время и привязываются к LTS-версиям Ubuntu.  

• LTS-версии ROS поддерживаются 5 лет, а экспериментальные версии выпускаются между LTS-версиями.  

• Экспериментальные версии не рекомендуются для коммерческих проектов, но полезны для быстрого получения нового функционала.  

• Текущая LTS-версия Melodic выпущена в мае 2021 года и будет поддерживаться до 2023 года.  

• ROS 2 существует, но он еще не стабилен для серьезных проектов.  

• Переход с ROS 1 на ROS 2 прост для тех, кто понимает концепции ROS 1.  

• ROS 1 продолжает развиваться и использоваться в коммерческих проектах.  

• ROS 2 ориентирован на управление группами роботов и работу на встраиваемых платформах.  

• В ROS 2 встроена поддержка систем реального времени и защита данных.  

• Существуют мосты между ROS 1 и ROS 2, позволяющие использовать гибридные системы.  

• Сайт ROS часто долго отвечает, но есть зеркала для работы.  

• На сайте представлены популярные роботы и версии ROS.  

• Есть раздел с ответами на часто задаваемые вопросы.  

• Установка ROS состоит из трех шагов: добавление пакетов, ключей безопасности и установка.  

• Есть четыре опции установки: полная, базовая, дискто и установка отдельных пакетов.  

• Рекомендуется использовать контейнер для установки, особенно на Linux.  

• Контейнеры используют ресурсы хост-системы, в отличие от виртуальных машин.  

• Docker позволяет создавать и запускать контейнеры, что упрощает установку и использование ROS.  

• Важно научиться запускать контейнеры с прокидыванием дисплея для графических приложений.  

• Основная страница для разработчиков ROS - вики-страница на сайте ROS.  

• Вики-страница содержит документацию на разных языках, включая русский, но рекомендуется использовать английскую документацию.  

• На вики-странице есть обучающие туториалы, списки пакетов, ключевые библиотеки и инструменты, а также информация о роботах и сенсорах, поддерживающих ROS.  

• В разделе туториалов есть туториалы для новичков, среднего и продвинутого уровней.  

• В разделе пакетов можно найти множество пакетов для ROS, разделенных на разные версии.  

• В разделе роботов и сенсоров можно найти информацию о роботах и сенсорах, поддерживающих ROS.  

• Пакеты в ROS - это наборы кода и конфигурационных файлов, объединенные для выполнения определенной функции.  

• Пакеты могут быть драйверами устройств или алгоритмами, как в случае с фильтром частиц.  

• Пакеты могут быть частью стека, объединяющего пакеты для решения определенной задачи, например, навигации.  

• Нод в ROS - это единица программного кода, выполняющая определенную функцию.  

• Ноды коммуницируют через топики, образуя ROSграф.  

• Топики реализуют механизм публикации-подписки, позволяя нодам публиковать и подписываться на данные.  

• Для работы с ROS рекомендуется использовать терминал и выполнять команды, описанные на слайдах.  

• Если у вас есть собранный контейнер, можно запустить его и выполнять команды в консоли.  

• Команды можно копировать из лекции для удобства.  

• Перед началом работы с ROS необходимо выполнить команду `source` и указать путь установки ROS.  

• Команда `setenv` используется для загрузки переменных окружения, таких как дистрибутив ROS, версия Python и ROS.  

• Переменные окружения включают пути к установленным пакетам и ссылки на мастер-узел.  

• Переменные окружения задают дистрибутив ROS, версию Python и ROS.  

• Переменная `ros_package_path` показывает пути к пакетам ROS.  

• Переменная `ros_master_uri` указывает на мастер-узел, который используется для распределенной работы.  

• Для запуска ROS необходимо выполнить команду `rosrun` для загрузки необходимых компонентов.  

• Переменные окружения отображаются в файле `.bashrc` или `.zshrc`.  

• Эти переменные помогают в работе с ROS, но их можно настроить для удобства.  

• ROS запускает три основных компонента: мастер-узел, параметр-сервер и нодсаут.  

• Инструмент `ros-launch` позволяет описывать процесс запуска через файл.  

• При запуске ROS вручную, `rosrun` нужно прописывать вручную.  

• ROS логирует в определенную папку в домашней директории пользователя.  

• Логирование происходит в папку `log` в папке `~/.ros`.  

• Логирование помогает анализировать работу системы и нодов.  

• Для работы с ROS требуется много терминалов, поэтому можно запускать `rosrun` в фоновом режиме.  

• Фоновый режим позволяет освободить консоль для других задач.  

• Логирование происходит по адресу, указанному в выводе `rosrun`.  

• Логирование происходит в папку `log` и `log-latest`.  

• Папка `log-latest` содержит логи последнего запуска.  

• Логи можно анализировать для понимания работы системы и нодов.  

• При запуске ROS запускаются три основных компонента: ROSmaster, параметр сервер и нот ROSout.  

• ROSmaster выполняет роль DNS-сервера, регистрируя ноды и топики.  

• ROSmaster предоставляет API для регистрации и отмены регистрации топиков и сервисов.  

• ROSmaster использует клиентские библиотеки для взаимодействия с нодами.  

• Основные клиентские библиотеки: для C++, Python и LIB.  

• Рекомендуется использовать клиентские библиотеки для упрощения работы с ROS.  

• Параметр сервер хранит глобальные параметры, доступные всем нодам.  

• Параметры могут быть организованы в пространства имен для предотвращения коллизий.  

• Доступ к параметрам осуществляется через клиентские библиотеки ROS.  

• Параметр сервер поддерживает различные типы данных: целые числа, логические значения, строки, даты, списки и бинарные данные.  

• Рекомендуется использовать параметр сервер для легковесных параметров, а не для больших объемов данных.  

• У каждой сущности в ROS есть инструмент командной строки, который будет рассмотрен позже.  

• Росаут позволяет осуществлять плагирование в ROS.  

• Каждый нод имеет топик по умолчанию Росаут, куда записываются логи.  

• Росаут подписывается на все топики Росаут и сохраняет логи в текстовые файлы.  

• Росаут собирает логи всех нодов в один общий топик Росаут Агрегейшн.  

• Это упрощает анализ данных и позволяет использовать встроенные инструменты ROS.  

• Рост Консоль показывает логи с разными уровнями логирования.  

• Росаут определяет стандартные сообщения типа Росграф Месседжс.  

• Клиентские библиотеки ROS и RIO предоставляют функции для работы с логированием.  

• Пример: ноды публикуют логи в топики Росаут, которые собираются Росаут Нод.  

• Росаут Нод записывает логи в текстовые файлы на диске.  

• Логи содержат информацию о времени и уровне логирования.  

• Пример: добавление сервиса Росаут Гет Логерс и добавление параметра Рос Вершин.  

• Запуск нескольких консолей для работы с ROS.  

• Использование команды докер для запуска новых консолей.  

• Настройка переменных окружения и запуск симуляции с черепашкой.  

• Запуск Roscore и отправка его в фон.  

• Команда Rosrun позволяет запускать код из пакетов без полного пути.  

• Rosrun знает, какие пакеты установлены в системе, и использует переменные окружения.  

• Rosrun автоматически обнаруживает запускаемые файлы в пакетах.  

• Запуск пакета TurtleSim и его нода turtle_sim_not.  

• Проблема с запуском без экрана и решение с использованием Docker.  

• Запуск симулятора в одной консоли и Roscore в другой.  

• Настройка консолей для удобства работы.  

• Запуск нода turtle_sim_not и появление черепашки.  

• Запуск инструмента Rosgraph для визуализации нодов и топиков.  

• Настройка отображения нодов и топиков для лучшего понимания системы.  

• Удаление ненужных топиков для более детального анализа.  

• Удаление ненужных топиков и нодов для более детального анализа.  

• Обнаружение топиков, связанных с симулятором черепахи.  

• Запуск нового нода для управления поведением черепахи.  

• Запускаем новый нод "терртал сим" для управления черепахой с клавиатуры.  

• Используем стрелочки для управления черепахой.  

• Обновляем граф, чтобы увидеть новый нод "телеоп".  

• Обновляем граф и видим, что "телеоп" публикует команды на скорость.  

• Создаем новую консоль для анализа топиков.  

• Используем инструмент "рост топик лист" для просмотра всех топиков в системе.  

• Смотрим список нодов в системе.  

• Используем "рост топик инфо" для получения информации о топике.  

• Анализируем тип сообщения "месседж твист" для управления движением черепахи.  

• Запускаем новый нод "росран тертл сим" для управления черепашкой по квадрату.  

• Анализируем граф и видим, как новый нод подписывается на топик с положением черепашки.  

• Проверяем, что черепашка публикует свое положение в топик "терртал поуз".  

• Подводим итоги базовой симуляции и работы с ROS.  

• Указываем на дополнительные источники информации и книги для углубленного изучения ROS.  

• Призываем к дальнейшему изучению и экспериментированию с ROS.