1 rosserial简介

1.1 Why Arduino and ROS?

        ROS(Robot Operation System)是一个开源机器人操作系统，它是一个分布式的计算架构，集成了底层硬件驱动、节点间通讯、机器人控制、仿真环境和跨平台等功能。

        Arduino主要应用于控制电机驱动和各类传感器（比如超声波、IMU、里程计、电机转速PID控制等），然后通过 ros_topic 和 service、action 等方式与ROS上机位通讯，实现数据的双向传输。

        ROS与Arduino通信方式可以分为两种：

1. 基于ros的通信机制，如话题，服务，行为等方式，这个时候需要用到rosserial库，需要安装rosserial_arduino。这种方式的好处是不需要知道串口之间的通信协议，直接发布和订阅来传递参数，缺点是不稳定，偶尔出现订阅不上话题，或者与arduino设备连接不上的问题。——不推荐

2. 直接利用串口通信的规则，即设置好串口的所有配置参数，然后打开串口，通过 write() 和 read() 函数进行写和读，可以参考：ros_arduino_bridge。但是必须提前获知串口的通信协议，如“M01 30” 表示第一个关节，转30度。该方法上位机与下位机间通信稳定性高。——推荐

1.2 rosserial

        rosserial 的作用是让嵌入式系统作为一个ros节点实现与其他节点的直接交互，在架构上更符合ros。rosserial 是用于非 ROS 设备与 ROS 设备进行通信的一种协议。它为非 ROS 设备的应用程序提供了 ROS 节点和服务的发布/订阅功能，是在非 ROS 环境中运行的应用能够通过串口或网络能够轻松地与 ROS 应用进行数据交互。

        rosserial 分为客户端和服务器两部分。rosserial客户端运行在运行在没有安装 ROS 的环境的应用中，通过串口或网络与运行在 ROS 环境中的 rosserial服务器连接，并通过服务器节点在 ROS 中发布/订阅话题。

1.2.1 rosserial服务器

        rosserial服务器是运行在 ROS 设备中的一个节点，通过串行协议和 ROS 网络建立连接。rosserial服务器有 C++ 和 Python 两种语言的实现。

1、rosserial_python

        rosserial_python 是一个基于 Python 的 rosserial 协议实现。它包含主机端 rosserial 连接的 Python 实现，能够自动处理连接支持rosserial 的设备的设置、发布和订阅。
        rosserial_python 功能包的 serial_node.py 节点，与启用了 rosserial 的设备通过串口通信。该节点根据存储在设备中的配置信息自动启动订阅者和发布者。如果想要使用不同的串口和波特率运行节点，必须在命令行上指定端口号和波特率，例如在 /dev/ttyACM0 ，则必须在命令行上指定参数：

rosrun rosserial_python serial_node.py _port:/dev/ttyACM0 _baud:=57600

        也可以将这些参数指定为启动文件的一部分：

<launch>
	<node pkg="rosserial_python" type="serial_node.py" name="serial_node">
		<param name="port" value="/dev/ttyACM0"/>
		<param name="baud" value="57600"/>
	</node>
</launch>

2、rosserial_server

        rosserial_server功能包包含主机端 rosserial 连接的 C ++实现。它会自动处理已连接的启用rosserial 的设备的设置，发布和订阅。

        rosserial_server 提供 serial_node 和 socket_node 两个节点，分别用于串口连接和网络套接字连接，同时提供了相应的launch启动文件。serial_node 与启用了 rosserial 的一个设备通过串口通信，此节点尝试在1Hz的基础上连接和握手，并在重新连接或其他故障时自动重新连接，连接之后，它会根据设备中存储的配置信息启动订阅者和发布者。socket_node 可以与启用了 rosserial TCP 的多个设备通信。

这些节点使用 topic_tools/ShapeShifter 元消息来重新发布来自客户端的消息，而不必在编译时了解它们。这种方法唯一需要注意的是，服务器没有消息的完整文本定义（因为它没有存储在客户机或rosserial协议的一部分中）。它使用rosserial_python 功能包中的 message_info_service.py 节点提供的辅助服务，该服务允许C ++驱动程序查找消息定义和散列字符串，而这些消息定义和散列字符串在编译时是未知的，从而使其可以完全发布来自微控制器的话题。

        目前，推荐的使用方法是在消息信息节点旁边启动主服务器节点。启动文件用于启动串行链接。如果未指定端口，则默认为 /dev/ttyACM0 。
        启动方法如下：

roslaunch rosserial_server serial.launch port:=/dev/ttyUSB0

        还有一个启动文件用于启动socket链接，默认为监听端口11411。

roslaunch rosserial_server socket.launch

        仅服务器启动的基本用法是：

rosrun rosserial_server serial_node _port:=/dev/ttyUSB0

缺点：

        目前，rosserial_server还在实验中，与rosserial_python相比有一些局限性， 推荐用于高性能应用。此外，它缺少了rosserial_python提供的节点的关键功能，包括参数、日志和服务。如果您需要这些功能，请暂时使用标准的Python服务器。

1.2.2 rosserial客户端库

        rosserial_client 包含通用的客户端 rosserial 实现，它是专门为微控制器设计的，用户可以轻松地在各种系统上建立和运行ROS节点。它可以运行在任何处理器上，你需要一个ANSI C++编译器和一个串口连接到运行ROS的计算机。目前，主要软件包包括：

• rosserial_arduino：支持Arduino兼容板，包括UNO、Leonardo、MEGA、DUE、Teensy 3.x和LC、Spark、STM32F1、STM32Duino、ESP8266和ESP32
• rosserial_embeddedlinux：支持嵌入式Linux（如路由器）
• rosserial_windows：支持与Windows应用程序通信
• rosserial_mbed：支持mbed开发平台
• rosserial_tivac：支持TI的启动板，TM4C123GXL和TM4C1294XL
• rosserial_vex_v5：支持VEX V5机器人大脑
• rosserial_vex_cortex：支持VEX Cortex板
• rosserial_stm32：支持基于STM32CubeMX HAL的STM32 mcu
• ros-teensy：支持teensy平台

        更多详细使用，请参考：https://github.com/ros-drivers/rosserial

补充：

        虽然rosserial可以让非ROS设备轻松的与ROS节点通信，但存在一些限制：

• 发布者和订阅者的数量被限制在25个；
• 对于rosserial_client，序列化和反序列化缓冲区的大小默认限制在512字节，即ROS消息的大小必须小于512字节。

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2 rosserial_arduino

        Arduino和Arduino IDE是快速方便地硬件编程的好工具。通过使用 rosserial_arduino 功能包，可以直接将ROS与Arduino IDE一起使用。rosserial提供了一个ROS通信协议，该协议通过串口实现了Arduino与运行ROS的设备进行通讯。它把Arduino作为一个ROS节点，用订阅话题的形式接收上位机规划出的理想位置或速度，用发布话题的形式，将电机或传感器的数据发布出去，以此方式将Arduino加入到整个控制系统中。

        rosserial_arduino Tutorials 包含使用Arduino的各种传感器和执行器的一些示例。根据所用芯片的不同，rosserial_arduino 的缓冲区大小和发布服务器/订阅服务器的数量也会有所不同：

芯片型号	输入/输出缓冲区	发布者/订阅者
ATMEGA168	150/150 bytes	6/6
ATMEGA328P	280/280 bytes	25/25
其他的	512/512 bytes	25/25

        也可以手动更改这些数字和大小，请参阅教程：NodeHandle and ArduinoHardware

        建立通信方式的步骤如下：

1. 在ubuntu系统中安装Arduino IDE，安装指令为：sudo apt-get install arduino，完成后会生成arduino的文件目录；
2. 安装rosserial功能包，安装完成后，会生成rosserial_arduino文件夹，安装指令为：sudo apt-get install ros-indigo-rosserial-arduino ;
3. 将rosserial_arduino文件夹下的ros_lib文件复制到Arduino库目录 sketchbook/libraries ；
4. 在arduino中编写程序时，添加 ros.h 头文件后，就可以调用ros类中的成员函数和变量，接着编写节点即可；
5. 编写完arduino中节点后，直接启动rosserial_python中的serial_node.py 即可；

        在Linux下安装Arduino IDE，并安装ros_lib到Arduino IDE环境下，请参考：Arduino & ROS

2.2 创建一个发布者

        通过Arduino创建一个 hello world 程序来开始对rosserial的探索，可以通过从Arduino示例菜单中选择 ros_lib->HelloWorld 来打开下面的草图。

        程序如下：

/*
 * rosserial Publisher Example
 * Print "hello world!"
 */

 // 作为每个ROS Arduino程序的一部分，需要包含ROS.h头文件和将要使用的任何消息的头文件
#include <ros.h>								// 包含ros头文件
#include <std_msgs/String.h>					// 标准消息类型String.h

ros::NodeHandle nh;								// 创建节点句柄
stg_msgs::String str_msg;						// 声明一个消息对象str_msg。其参数data的内容为消息内容。
ros::Publisher chatter("chatter", &str_msg);	// 在Arduino层声明一个Publisher，发布话题为chatter，消息为str_msg引用
char hello[13] = "hello world!";

void setup()
{
	nh.initNode();								// 初始化Pub节点
	nh.advertise(chatter);						// 声明chatter话题
}

void loop()
{
	str_msg.data = hello;
	chatter.publish(&str_msg);					//发布一个消息
	nh.spinOnce();
	delay(1000);
}

        编译后在终端运行，分别打开三个终端，输入下面的命令：

$ roscore

        接下来，运行rosserial客户机应用程序，将Arduino消息转发给ROS的其余部分。确保使用正确的串行端口：

$ rosrun rossrial_python serial_node.py /dev/ttyACM0

        或者，如果您希望能够以编程方式重新启动Arduino，请使用以下命令运行：

$ rosrun rosserial_arduino serial_node.py /dev/ttyACM0

        最后，打开一个新的终端窗口，进入：

$ rostopic echo chatter

        输出结果如下图示：

2.3 创建一个订阅者

        接下来，将创建一个订阅者，可以通过从Arduino示例菜单中选择 ros_lib->Blink 来打开下面的草图。
        代码如下：

/*
 * rosserial Subscriber Example
 * Blinks an LED on callback
 */
#include <ros.h>
#include <std_msgs/Empety.h>

void messageCb( const std_msgs::Empty &toggle_msg)
{
	digitalWrite(13, HIGH-digitalRead(13));    		// blink the led
}

ros::Subscriber<std_msgs::Empty> sub("toggle_led",&messageCb);

void steup()
{
	pinMode(13,OUTPUT);
	nh.initNode();
	nh.subscriber(sub);
}

void loop()
{
	nh.spinOnce();
	delay(1);
}

        分别在三个端口，运行下面的代码：

$ roscore

        运行rosserial客户端应用程序，将Arduino消息转发给ROS的其余部分。确保使用正确的串行端口：

$ rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyACM0

        最后，使用rostopic触发LED高低电平转换：

$ rostopic pub toggle_led std_msgs/Empty --once	 

        或者在终端输入rqt，在窗口里选择 Container->Message Publisher ，在topic选项里 /toggle_led ，选择后面的加号，就可以改变Arduino LED灯闪烁的频率。具体如下图所示：

小结

        实现Arduino与ROS通信需要配置各自的开发环境，在ROS端安装串口驱动，并编译catkin_ws项目，生成相应的Arduino库文件；在Arduino端包含相应的消息头文件，声明并定义通信类型topic、action、service，并声明节点信息，如发布传感器信息的发布者、订阅底盘速度的订阅者节点等，烧录之后，在ROS端打开串口驱动，便可以实现ROS与arduino的通信。