MQTT & micro-ROS：构建高效的机器人应用
什么是 micro-ROS？
在之前的 MQTT & FreeRTOS：打造你的远程控制实时应用 中，我们介绍了如何在 FreeRTOS 中构建你的 MQTT 应用。
FreeRTOS 主要应用在对实时性要求较高的场景中，但这类 RTOS 专注于提供实时任务调度和同步机制等基础功能，对于机器人应用需要的机器视觉、地图建模以及路径规划等高级功能缺少支持。
在机器人应用开发中，拥有丰富生态的开源机器人操作系统 ROS 通常是最佳的选择。但 ROS 往往运行在 Linux 或 Windows 上，无法提供严格的实时性保证。
于是 micro-ROS 由此诞生，它是 ROS 2 的一个子项目。它运行在 RTOS 之上，因此得以保证实时性。同时它支持所有主要的 ROS 概念，例如节点、发布/订阅、客户端/服务等，因此可以非常紧密地与 ROS 2 生态集成。
在这篇文章中，我们将继续探索，如何在 FreeRTOS 中运行 micro-ROS，并最终通过 MQTT 协议与 EMQX 集成。
使用 MQTT 与 micro-ROS 构建应用
这是一个典型的 micro-ROS 的应用场景：在一个包含多个机器人的系统中，一个主控制节点运行 ROS 2，负责高级任务调度和决策，而每个机器人各自运行一个 micro-ROS 节点，负责执行更低级别的任务，例如与传感器直接通信，以及驱动运动部件。
我们可以在本地直接操作主控制节点，但更多时候我们希望可以远程管理这个机器人系统。
例如在工业制造中，我们可以让运行 ROS 2 的主节点收集网络中所有 micro-ROS 节点的生产数据并传输至 MES 系统，用于生产工艺改进和设备故障预测等目的；也可以进一步结合 ERP 系统，根据订单、库存等信息生成新的生产计划和任务，然后远程下发给 ROS 2 节点，由 ROS 2 节点拆解为具体的子任务并分发给有不同职责的 micro-ROS 节点执行。
轻量、可靠且易于扩展的 MQTT，通常是连接 ROS 2 节点和 MES、ERP 系统的最佳选择。
示例介绍
本文将通过一个简单的 Demo 来展示如何从零开始部署一个由 ROS 2 节点和 micro-ROS 节点组成的系统，并通过 MQTT 客户端工具 MQTTX 接收来自 micro-ROS 节点的 LED 色调、亮度等信息，以及向 micro-ROS 节点发送 MQTT 消息使其更改 LED 色调、饱和度和亮度。
我们将使用一块 ESP32-S3 开发板运行 micro-ROS 节点，底层的 RTOS 为 FreeRTOS。micro-ROS 节点与 ROS 2 节点之间通过 micro-ROS Agent 交换消息。
在本示例中，ROS 2 主节点的职责被大幅简化。它不负责拆解复杂任务，甚至也不负责实现 DDS 消息与 MQTT 消息之间的转换，而是借助了另一个 ROS 2 节点 mqtt_client 来实现 ROS 和 MQTT 之间的双向桥接。ROS 2 主节点仅仅实现了 DDS 消息在我们的自定义格式与 JSON 字符串之间的转换。因此这个 ROS 2 主节点被命名为 converter。简化职责的好处是降低了示例代码的复杂度，我们可以更加专注在整个流程上。
最后，我们还需要一个 MQTT 服务器来为 ROS 2 节点与 MQTTX 客户端提供消息服务，这里我们选择 MQTT 平台 EMQX 的 Serverless 版本。EMQX Serverless 提供了每月 100 万连接分钟的免费额度，因此非常适合用于验证这类小型 Demo。
micro-ROS 节点和 ROS 2 节点的示例代码已经上传至 GitHub：https://github.com/emqx/bootcamp。
硬件准备
为了运行本示例，我们需要准备以下硬件：
一块集成了 ESP32 系列芯片的开发板（ESP32、ESP32-C3、ESP32-S3 均可，本文基于 ESP32-S3 进行演示）。
一个板载的由 WS2812 系列芯片驱动的 RGB LED 光源。
关于如何驱动此 LED，可参阅我们的另一篇博客：MQTT & FreeRTOS：打造你的远程控制实时应用。
如果你的开发板上没有这样的 LED，你可以外接一个 LED 模块，或者稍后通过 Enable LED 配置项禁用示例中的 LED 代码。
软件准备
软件方面，EMQX Serverless 和 MQTTX 在简单部署后即可运行，本示例所需的 ROS 2 节点与 micro-ROS 节点则以源码形式提供，所以我们需要安装对应的构建系统以构建出最终可运行的节点。
部署 EMQX Serverless
在 EMQ 官网 创建账户后，就可以快速部署一个免费的 EMQX Serverless 实例。
EMQX Serverless 强制启用 TLS 与用户名密码认证以提供最佳的安全性，所以我们还需要前往认证页面为客户端添加认证信息。
安装 MQTTX
MQTTX 是一个同时支持 MQTT 3.1.1 & 5.0 的客户端工具，它拥有非常直观的用户界面，我们可以轻松地建立多个 MQTT 连接，并测试 MQTT 消息的发布订阅。
本文基于 MQTTX 的桌面版进行演示，当然你也可以使用 MQTTX 的命令行版本，在 MQTTX 官网 下载适合您平台的包安装即可。
安装 ROS 2 与 micro-ROS 构建系统
安装 ROS 2 Humble 构建系统
本示例使用的 ROS 2 版本为 Humble，按照 ROS 2 官网文档 列出的步骤完成安装即可。如果 ROS 2 没有为你当前使用的操作系统提供二进制包，那么你可以尝试从源码构建，或者像我一样在虚拟机中安装。
设置 ROS 环境
在安装完成后，我们需要运行以下命令设置 ROS 环境才能正常使用 ROS：
/opt/ros/${ROS_DISTRO} 是以二进制包安装 ROS 时的默认安装目录。在本示例中，这个目录就是 /opt/ros/humble。
为了更轻松地设置 ROS 环境，我们可以为这个命令设置一个别名，将以下命令添加到 Shell 配置文件中（例如 ~/.bashrc）：
之后我们就可以在新的终端中使用 get_ros 命令来设置 ROS 环境了。
安装 micro-ROS Agent
micro-ROS Agent 是一个包装了 Micro XRCE-DDS Agent 的 ROS 2 节点。此节点将用来充当 DDS 网络和 micro-ROS 节点之间的服务器。
我们可以直接使用 Docker 来运行 micro-ROS Agent，也可以手动从源码构建运行，推荐使用前者。
通过 Docker 运行 micro-ROS Agent
运行以下命令即可：
这将启动一个 micro-ROS Agent 监听端口 8888 上的 UDP 消息，-v6 表示日志等级。
micro-ROS Agent 还可以使用 TCP 或者串口传输进行通信，详细的参数设置可参考 eProsima Micro XRCE-DDS Agent。
手动构建安装 micro-ROS Agent
前置条件：
安装 ROS 2 Humble 构建系统。
安装 micro_ros_setup 软件包。
我们已经完成了第一个前置条件，现在需要完成第二个前置条件。micro_ros_setup 是一个用于为不同嵌入式平台构建 micro-ROS 应用程序的 ROS 2 包，这里我们主要将用到它的另一项功能，即构建 micro-ROS Agent。
安装 micro_ros_setup 软件包的步骤如下：
打开一个新的终端。
依次运行以下命令：
如果你在运行 rosdep update 的过程中遇到了 time out 问题，可以尝试在终端中依次执行以下命令后，再从 sudo rosdep init 开始：
现在，让我们来构建 micro-ROS Agent：
保持在
~/microros_ws工作区。依次运行以下命令：
安装完成后，运行以下命令启动代理：
对于 ESP32、STM32 等硬件平台，在安装 micro_ros_setup 软件包后，我们可以继续使用这个包提供的 build_firmware.sh 等脚本构建或配置平台所需的 micro-ROS 应用程序。
但由于 micro_ros_setup 目前尚未支持 ESP32-S3 型号，所以本示例中我们将采用另一种方式来构建 micro-ROS 应用程序：micro-ROS 提供了一些适用于特定平台的独立模块，比如它为 ESP32 的官方开发框架 ESP-IDF 提供了 micro_ros_espidf_component 组件，我们可以直接在已创建的 ESP-IDF 项目中集成该组件，以实现 micro-ROS 应用的构建。
安装 ESP-IDF
参考 ESP-IDF 官方文档，依次执行与你操作系统对应的安装步骤即可。
按照文档所示步骤完成安装后，我们将获得一个命令别名 get_idf，与前文中的 get_ros 类似，它被用来设置 ESP-IDF 所需的环境变量。
安装 USB 转串口驱动
EPS32 开发板的串口通常经由 USB 转串口芯片以 USB 方式连接到 PC，所以在运行 idf.py flash 命令以串口方式烧录固件之前，我们还需要确保正确地安装了相关驱动。
在本示例中，我使用的 ESP32-S3 开发板集成的是 CH343 这个 USB 转高速异步串口芯片，对应 Linux 系统的驱动下载地址为：https://github.com/WCHSoftGroup/ch343ser_linux。此驱动同样适配 CH342、CH344 等芯片。
驱动的安装步骤如下：
安装 micro_ros_espidf_component 组件的依赖项
我们还需要为 micro_ros_espidf_component 组件安装一些依赖项，才能使其正确构建 micro-ROS 应用，操作步骤如下：
打开一个新的终端，并设置 ESP-IDF 环境：
安装依赖项：
构建示例
获取示例代码：
示例代码包含以下三个目录：
ros2_demo，包含了converter这个 ROS 2 主节点的代码。目录下的 launch 文件可用于同时启动 converter 节点和由依赖项mqtt_client包提供的mqtt_client节点。microros_demo，包含了在 ESP32 上运行的 micro-ROS 节点代码。demo_interfaces，包含了一个自定义消息格式 Hsb，由 hue、saturation、brightness 三个字段组成。该消息在 micro-ROS 节点与convertor节点之间传递。
构建 ros2_demo
首先，我们需要在 ROS 2 工作区完成 ros2_demo 的构建，请依次执行以下步骤：
打开一个新的终端，创建
ros2_ws工作区，并将ros2_demo和demo_interfaces拷贝至此工作区：安装依赖项：
ros2_demo和demo_interfaces的依赖项在各自根目录下的package.xml中列出。修改默认配置：
这个
params.xml中包含了converter节点和mqtt_client节点的默认配置。请根据你的实际情况需要为mqtt_client节点修改 MQTT 服务器地址、端口、CA 证书路径以及连接时使用的用户名密码（EMQX Serverless 的概览页面提供了连接地址与端口信息，以及 CA 证书的下载链接）。其余配置用于主题桥接，保持默认即可：
默认配置下
mqtt_client节点将来自converter节点的 DDS 消息转换成 MQTT 消息并发布到 MQTT 主题stat/led/hsb；从 MQTT 主题cmnd/led/hsb接收指令转换成 DDS 消息转发给converter节点：
构建
ros2_demo以及它依赖的demo_interfaces：使用启动文件同时启动
converter节点与mqtt_client节点。我们在src目录下修改的params.yaml会在构建时被拷贝至install目录下，节点使用的配置默认从install目录下的params.yaml中加载，当然你也可以指定其他路径下的参数文件，例如params_files=<path to params.yaml>：
构建 microros_demo
打开一个新的终端，注意不要执行
get_ros或其他任何setup.sh脚本来设置 ROS 环境。为了避免和 ROS 工作区混淆，推荐创建一个新的目录，并设置 ESP-IDF 环境：
将
microros_demo代码拷贝至当前目录：我们准备将
micro_ros_espidf_comonent作为 ESP-IDF 的组件使用，但microros_demo默认并未包含该组件，我们需要手动将该组件克隆至components目录：microros_demo同样依赖demo_interfaces来使用自定义消息 Hsb，所以我们还需要将demo_interfaces拷贝至micro_ros_espidf_component组件下的extra_packages目录：设置目标芯片：
如果 set-target 命令执行失败，需要手动清除相关文件才能再次执行：
修改配置：
在本示例中，我们只关心
micro-ROS example-app settings和micro-ROS Settings这两个子菜单下的配置。
micro-ROS example-app settings中的配置在microros_demo/Kconfig.projbuild中定义，它提供了以下配置项：Node name of the micro-ROS app：micro-ROS 的节点名称，默认为microros_demo。Stack the micro-ROS app (Bytes)：为 micro-ROS 任务分配的堆栈大小，默认为 16000 字节。Priority of the micro-ROS app：micro-ROS 任务的优先级，默认为 5。Enable LED：是否启用 LED，默认启用。如果你没有合适的 LED 硬件，那么可以通过此选项禁用 LED 的相关代码。禁用后示例将通过在串口打印相应内容来代替操作实际的硬件。LED Strip GPIO Number：与 LED 相连的 GPIO 引脚，默认为 38。LED State Message Interval：micro-ROS 节点发送 LED 状态消息的时间间隔，默认为 5000 毫秒。micro-ROS Settings中的配置在components/micro_ros_espidf_component/Kconfig.projbuild中定义，它提供了以下配置项：micro-ROS middleware：micro-ROS 节点使用的 DDS 实现，本示例中我们使用默认的micro-ROS over eProsima Micro XRCE-DDS即可。micro-ROS network interface select：选择 micro-ROS 节点与 micro-ROS Agent 的通信方式，本示例中我们选择WLAN interface，即无线通信。WiFi Configuration：配置你的 Wi-Fi SSID 和密码。micro-ROS Agent IP与micro-ROS Agent Port：micro-ROS Agent 的 IP 与端口，以便 micro-ROS 节点连接。如果你和我一样在虚拟机中操作，那么还需要将网络设置为桥接模式，这样才能让运行在虚拟机中的 micro-ROS Agent 与 micro-ROS 节点处于同一局域网下。构建
microros_demo：idf.py flash命令不建议以 root 身份执行，为了正确烧写固件，我们可以将串口设备文件的所有者修改为当前用户：/dev/ttyACM0需要替换成你串口设备的实际文件名，例如/dev/ttyUSB0。烧写固件：
运行示例
如果你没有退出 micro-ROS Agent 和 ros2_demo，那么在 microros_demo 的固件被烧写到 ESP32 开发板之后，示例就已经完整地运行起来了。
为了更加直观地展示启动步骤，这里我们还是从头来运行这个示例：
运行 micro-ROS Agent。
打开一个新的终端。
依次运行以下命令：
运行
ros2_demo中的converter与mqtt_client节点。打开一个新的终端。
依次运行以下命令：
运行
microros_demo节点。打开一个新的终端。
依次运行以下命令：
idf.py monitor将启动一个串口监视器来查看 ESP32 的输出。默认情况下，此命令还将复位目标芯片，所以我们会看到microros_demo从头开始运行。如果一切顺利，你将在控制台看到以下输出：打开 MQTTX，创建一个连接到 EMQX Serverless 实例的客户端连接，并订阅主题 stat/led/hsb。你将看到 MQTTX 每隔 5 秒收到一条新的消息。这些消息来自运行在 ESP32-S3 上的 micro-ROS 节点，经由 micro-ROS Agent、
converter和mqtt_client发布到 EMQX Serverless，最终由 EMQX Serverless 转发给 MQTTX：
你还可以向主题
cmnd/led/hsb发布指令，来更改 ESP32 开发板上 LED 的色调、饱和度和亮度：
结语
正如你所看到的，我们成功地在 FreeRTOS 中运行了 micro-ROS 并与 ROS 2 节点无缝集成，这使我们可以利用 ROS 丰富的软件库和工具集可以为复杂应用的开发提供有力的支持。最终通过 MQTT 协议与 EMQX 的集成，则展示了通过云端监管大量 ROS 应用，以及将 ROS 系统与其他非 ROS 系统例如 MES、ERP 集成的可能性。
本示例仅展示了一些基本功能，micro-ROS 和 EMQX 的潜力远远不止于此。我们相信，通过 EMQX 将 micro-ROS 的通信能力拓展到互联网层面，实现更广泛的设备互联，将使 micro-ROS 在机器人控制领域发挥更重要的作用。
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【EMQ映云科技】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/63d18dc28d30040e5c7917b34】。文章转载请联系作者。
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