RT-Thread如何使用串口或者无线和ROS连接

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。

1sudosh-c'echo"debhttps://mirror.tuna.tsinghua.edu.cn/ros/ubuntu$(lsb_release-sc)main">/etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list' 2sudoapt-keyadv--keyserver'hkp://keyserver.ubuntu.com:80'--recv-keyC1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654 3sudoaptupdate 4sudoaptinstallros-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：

1sudorosdepinit 2rosdepupdate 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：

1menuconfigBSP_USING_UART 2bool"EnableUART" 3defaulty 4selectRT_USING_SERIAL 5ifBSP_USING_UART 6configBSP_USING_UART1 7bool"EnableUART1" 8defaulty 9 10configBSP_UART1_RX_USING_DMA 11bool"EnableUART1RXDMA" 12dependsonBSP_USING_UART1&&RT_SERIAL_USING_DMA 13defaultn 14 15configBSP_USING_UART2 16bool"EnableUART2" 17defaulty 18 19configBSP_UART2_RX_USING_DMA 20bool"EnableUART2RXDMA" 21dependsonBSP_USING_UART2&&RT_SERIAL_USING_DMA 22defaultn 23endifPWM 的配置：1menuconfigBSP_USING_PWM 2bool"Enablepwm" 3defaultn 4selectRT_USING_PWM 5ifBSP_USING_PWM 6menuconfigBSP_USING_PWM3 7bool"Enabletimer3outputpwm" 8defaultn 9ifBSP_USING_PWM3 10configBSP_USING_PWM3_CH1 11bool"EnablePWM3channel1" 12defaultn 13configBSP_USING_PWM3_CH2 14bool"EnablePWM3channel2" 15defaultn 16configBSP_USING_PWM3_CH3 17bool"EnablePWM3channel3" 18defaultn 19configBSP_USING_PWM3_CH4 20bool"EnablePWM3channel4" 21defaultn 22endif 23endif

这样我们在 env 下就可以看到有对应的配置了,

除此之外，我们还需要选择 rosserial 软件包：

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。

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::NodeHandlenh; 11MotorControlmtr(1,2,3,4);//Motor 12 13boolmsgRecieved=false; 14floatvelX=0,turnBias=0; 15charstat_log[200]; 16 17//接收到命令时的回调函数 18voidvelCB(constgeometry_msgs::Twist&twist_msg) 19{ 20velX=twist_msg.linear.x; 21turnBias=twist_msg.angular.z; 22msgRecieved=true; 23} 24 25//Subscriber 26ros::Subscribersub("cmd_vel",velCB); 27 28//Publisher 29std_msgs::Float64velX_tmp; 30std_msgs::Float64turnBias_tmp; 31ros::Publisherxv("vel_x",&velX_tmp); 32ros::Publisherxt("turn_bias",&turnBias_tmp); 33 34staticvoidrosserial_thread_entry(void*parameter) 35{ 36//Initmotors,specif>ytherespectivemotorpins 37mtr.initMotors(); 38 39//Initnode> 40nh.initNode(); 41 42//订阅了一个话题/cmd_vel接收控制指令 43nh.subscribe(sub); 44 45//发布了一个话题/vel_x告诉ROS小车速度 46nh.advertise(xv); 47 48//发布了一个话题/turn_bias告诉ROS小车的旋转角速度 49nh.advertise(xt); 50 51mtr.stopMotors(); 52 53while(1) 54{ 55//如果接收到了控制指令 56if(msgRecieved) 57{ 58velX*=mtr.maxSpd; 59mtr.moveBot(velX,turnBias); 60msgRecieved=false; 61} 62 63velX_tmp.data=velX; 64turnBias_tmp.data=turnBias/mtr.turnFactor; 65 66//更新话题内容 67xv.publish(&velX_tmp); 68xt.publish(&turnBias_tmp); 69 70nh.spinOnce(); 71} 72} 73 74intmain(void) 75{ 76//启动一个线程用来和ROS通信 77rt_thread_tthread=rt_thread_create("rosserial",rosserial_thread_entry,RT_NULL,2048,8,10); 78if(thread!=RT_NULL) 79{ 80rt_thread_startup(thread); 81rt_kprintf("[rosserial]Newthreadrosserial "); 82} 83else 84{ 85rt_kprintf("[rosserial]Failedtocreatethreadrosserial "); 86} 87returnRT_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 3classMotorControl{ 4public: 5//Var 6rt_uint32_tmaxSpd; 7floatmoveFactor; 8floatturnFactor; 9 10MotorControl(intfl_for,intfl_back, 11intfr_for,intfr_back); 12voidinitMotors(); 13voidrotateBot(intdir,floatspd); 14voidmoveBot(floatspd,floatbias); 15voidstopMotors(); 16private: 17structrt_device_pwm*pwm_dev; 18//Thepins 19intfl_for; 20intfl_back; 21intfr_for; 22intfr_back; 23intbl_for; 24intbl_back; 25intbr_for; 26intbr_back; 27}; motors.c1#include 2#include 3#include"motors.h" 4 5#definePWM_DEV_NAME"pwm3" 6 7MotorControl::MotorControl(intfl_for,intfl_back, 8intfr_for,intfr_back) 9{ 10this->maxSpd=500000; 11this->moveFactor=1.0; 12this->turnFactor=3.0; 13 14this->fl_for=fl_for; 15this->fl_back=fl_back; 16 17this->fr_for=fr_for; 18this->fr_back=fr_back; 19} 20 21voidMotorControl::initMotors(){ 22/*查找设备*/ 23this->pwm_dev=(structrt_device_pwm*)rt_device_find(PWM_DEV_NAME); 24if(pwm_dev==RT_NULL) 25{ 26rt_kprintf("pwmsamplerunfailed!can'tfind%sdevice! ",PWM_DEV_NAME); 27} 28rt_kprintf("pwmfound%sdevice! ",PWM_DEV_NAME); 29rt_pwm_set(pwm_dev,fl_for,maxSpd,0); 30rt_pwm_enable(pwm_dev,fl_for); 31 32rt_pwm_set(pwm_dev,fl_back,maxSpd,0); 33rt_pwm_enable(pwm_dev,fl_back); 34 35rt_pwm_set(pwm_dev,fr_for,maxSpd,0); 36rt_pwm_enable(pwm_dev,fr_for); 37 38rt_pwm_set(pwm_dev,fr_back,maxSpd,0); 39rt_pwm_enable(pwm_dev,fr_back); 40} 41 42//小车运动 43voidMotorControl::moveBot(floatspd,floatbias){ 44floatsL=spd*maxSpd; 45floatsR=spd*maxSpd; 46intdir=(spd>0)?1:0; 47 48if(bias!=0) 49{ 50rotateBot((bias>0)?1:0,bias); 51return; 52} 53 54if(sL< -moveFactor * maxSpd) 55    { 56        sL = -moveFactor * maxSpd; 57    } 58    if( sL >moveFactor*maxSpd) 59{ 60sL=moveFactor*maxSpd; 61} 62 63if(sR< -moveFactor * maxSpd) 64    { 65        sR = -moveFactor * maxSpd; 66    } 67    if( sR >moveFactor*maxSpd) 68{ 69sR=moveFactor*maxSpd; 70} 71 72if(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$rosrunrosserial_pythonserial_node.py/dev/ttyUSB0如果看到下面的输出，那就成功建立连接了：1tpl@nanopineoplus2:~$rosrunrosserial_pythonserial_node.py/dev/ttyUSB0 2[INFO][1567239474.258919]:ROSSerialPythonNode 3[INFO][1567239474.288435]:Connectingto/dev/ttyUSB0at57600baud 4[INFO][1567239476.425646]:Requestingtopics... 5[INFO][1567239476.464336]:Note:publishbuffersizeis512bytes 6[INFO][1567239476.471349]:Setuppublisheronvel_x[std_msgs/Float64] 7[INFO][1567239476.489881]:Setuppublisheronturn_bias[std_msgs/Float64] 8[INFO][1567239476.777573]:Note:subscribebuffersizeis512bytes 9[INFO][1567239476.785032]:Setupsubscriberoncmd_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$mkdircatkin_workspace&&cdcatkin_workspace 2$catkin_init_workspace

接下来创建一个软件包：

1$cdsrc 2$catkin_create_pkgmy_first_pkgrospy 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 3importrospy 4fromgeometry_msgs.msgimportTwist 5frompynput.keyboardimportKey,Listener 6 7vel=Twist() 8vel.linear.x=0 9 10defon_press(key): 11 12try: 13if(key.char=='w'): 14print("Forward") 15vel.linear.x=0.8 16vel.angular.z=0 17 18if(key.char=='s'): 19print("Backward") 20vel.linear.x=-0.8 21vel.angular.z=0 22 23if(key.char=='a'): 24print("CounterClockwise") 25vel.linear.x=0 26vel.angular.z=-0.8 27 28if(key.char=='d'): 29print("Clockwise") 30vel.linear.x=0 31vel.angular.z=0.8 32 33returnFalse 34 35exceptAttributeError: 36print('specialkey{0}pressed'.format(key)) 37returnFalse 38 39defon_release(key): 40vel.linear.x=0 41vel.angular.z=0 42 43returnFalse 44 45#InitNode 46rospy.init_node('my_cmd_vel_publisher') 47pub=rospy.Publisher('cmd_vel',Twist,queue_size=10) 48 49#Setrate 50rate=rospy.Rate(10) 51 52listener=Listener(on_release=on_release,on_press=on_press) 53 54whilenotrospy.is_shutdown(): 55print(vel.linear.x) 56pub.publish(vel) 57vel.linear.x=0 58vel.angular.z=0 59rate.sleep() 60 61ifnotlistener.running: 62listener=Listener(on_release=on_release,on_press=on_press) 63listener.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$chmodu+x./ros_cmd_vel_pub.py

这样就可以编译软件包了，在 catkin_worspace 目录下。

1$catkin_make 2$sourcedevel/setup.bash

我们终于就可以启动程序从电脑上控制小车运动了：

1rosrunmy_first_pkgros_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：

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$rosrunrosserial_pythonserial_node.pytcp

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/