分享一個(gè)基于FreeRTOS的micro（微型）ROS

編輯整理：strongerHuang

作者：Francesca Finocchiaro

關(guān)注我的讀者中應(yīng)該有部分是做ROS相關(guān)的工作，今天就來分享一個(gè)基于FreeRTOS的micro（微型）ROS。

一、關(guān)于ROS

ROS：Robot Operating System，，即機(jī)器人操作系統(tǒng)。

和普通OS不一樣的是，ROS主要是針對(duì)機(jī)器人，是基于操作系統(tǒng)之上，提供一系列程序庫和工具以幫助軟件開發(fā)者創(chuàng)建機(jī)器人應(yīng)用軟件。它提供了硬件抽象、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、庫函數(shù)、可視化、消息傳遞和軟件包管理等諸多功能。ROS遵守BSD開源許可協(xié)議。

ROS設(shè)計(jì)者將ROS表述為“ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem”，即ROS是通訊機(jī)制、工具軟件包、機(jī)器人高層技能以及機(jī)器人生態(tài)系統(tǒng)的集合體。

二、micro-ROS

本文說的micro-ROS，是基于ROS2進(jìn)行優(yōu)化的一套輕量級(jí)ROS系統(tǒng)，它提供了完全部署的ROS 2生態(tài)系統(tǒng)的大多數(shù)吸引人的工具和功能，并具有入式和低資源設(shè)備的卓越能力，可以運(yùn)行在MCU硬件平臺(tái)。

傳統(tǒng)上，即使機(jī)器人包含許多ROS，ROS仍停留在微控制器邊界。它們通常通過串行協(xié)議與舊版ROS中的ROS-serial之類的工具集成在一起。

在微控制器中擁有所有ROS2的功能和相同的API會(huì)不是很好嗎？這正是micro-ROS提供的-機(jī)器人系統(tǒng)嵌入式部分內(nèi)部的ROS開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。micro-ROS允許開發(fā)人員在硬件級(jí)別附近運(yùn)行ROS 2節(jié)點(diǎn)。這使所有硬件外設(shè)都可用于該應(yīng)用程序，從而使其能夠直接與SPI或I2C等低級(jí)總線進(jìn)行交互，以與傳感器和執(zhí)行器接口。

微型ROS是一組分層的庫，它們可以直接重用ROS 2的庫，也可以使其適應(yīng)資源受限設(shè)備的功能和需求。具體來說，如果我們轉(zhuǎn)向ROS 2體系結(jié)構(gòu)，則由微型ROS維護(hù)的層是ROS客戶端庫（RCL）和ROS中間件接口（RMW）。同樣，RCLCPP是RCL之上的C ++抽象層，即使大多數(shù)與RCL直接接口，它也可以被微型ROS應(yīng)用程序組件使用。該層在RCLC中提供了相對(duì)于ROS 2的附加功能，RCLC是用C99編寫的庫，其中專門設(shè)計(jì)和開發(fā)了與RCLCPP提供的功能類似的功能，例如便利功能或執(zhí)行程序，以適合微控制器。

通常，ROS是基于 Linux系統(tǒng)之上的運(yùn)行的一套系統(tǒng)，而本文這套微型ROS基于FreeROS運(yùn)行。

這使micro-ROS在硬件和軟件級(jí)別上都能與大多數(shù)嵌入式平臺(tái)兼容。

但是，最終構(gòu)成micro-ROS體系結(jié)構(gòu)的是RMW實(shí)現(xiàn)，該實(shí)現(xiàn)基于稱為Micro XRCE-DDS的中間件庫。Micro XRCE-DDS是由對(duì)象管理組（OMG）定義和維護(hù)的DDS-XRCE（用于極端資源受限環(huán)境的DDS）協(xié)議的C / C ++實(shí)現(xiàn)。

顧名思義，DDS-XRCE是一種有線協(xié)議，允許引入以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布者-訂閱者DDS模型進(jìn)入嵌入式世界。DDS-XRCE依賴于客戶端-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，其中客戶端是用C99編寫的輕量級(jí)實(shí)體，可在低資源設(shè)備中運(yùn)行，而代理（C ++ 11應(yīng)用程序）則充當(dāng)客戶端與DDS世界之間的橋梁。DDS-XRCE協(xié)議負(fù)責(zé)在這兩個(gè)實(shí)體之間傳遞請求和消息。相應(yīng)地，該代理能夠通過標(biāo)準(zhǔn)DDS有線協(xié)議與DDS全局?jǐn)?shù)據(jù)空間進(jìn)行通信。在DDS世界中，代理通過與其他DDS參與者進(jìn)行通信來代表客戶。該通信由客戶端代理，能夠通過所有標(biāo)準(zhǔn)DDS實(shí)體與DDS進(jìn)行交互的模擬DDS應(yīng)用程序進(jìn)行協(xié)調(diào)。代理將客戶端的狀態(tài)保存在其內(nèi)存中，這樣，即使代理斷開連接，代理也可以存活。代理與客戶端之間的通信遵循請求-響應(yīng)模式，即雙向并基于操作和響應(yīng)。

三、為什么選擇FreeRTOS？

由于它們的輕巧性，XRCE-DDS客戶端庫和microROS都易于在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之上運(yùn)行，這使它們能夠滿足其典型目標(biāo)應(yīng)用程序所提出的對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的要求，其中涉及的任務(wù)包括要求時(shí)限或確定性響應(yīng)。

具體來說，F(xiàn)reeRTOS已成為micro-ROS項(xiàng)目支持的首批RTOS之一，因此已集成到其軟件堆棧中。這允許重用FreeRTOS社區(qū)和合作伙伴提供的所有工具和實(shí)現(xiàn)。由于微型ROS軟件堆棧是模塊化的，因此期望并期望交換軟件實(shí)體。

FreeRTOS是開發(fā)micro ROS和Micro XRCE-DDS應(yīng)用程序的理想選擇。首先，它為許多不同的體系結(jié)構(gòu)和開發(fā)工具提供了一個(gè)獨(dú)立的解決方案，它以非常清晰和透明的方式編寫，并且擁有非常龐大的用戶群，從而確保了大量FreeRTOS用戶將能夠?qū)⑵鋺?yīng)用程序與微型ROS應(yīng)用程序集成。而且，它是眾所周知的高度可靠的RTOS。至關(guān)重要的是，F(xiàn)reeRTOS具有最小的ROM，RAM和處理開銷。通常，RTOS內(nèi)核二進(jìn)制映像的大小在6K到12K字節(jié)之間。由于要與RTOS進(jìn)行資源競爭，因此，當(dāng)要最小化MCU上的微型ROS應(yīng)用程序的內(nèi)存占用量時(shí)，這些內(nèi)存是理想的選擇。

在下文中，我們將討論FreeRTOS提供的幾種功能，以及微型ROS如何利用它們來獲利，以優(yōu)化其堆棧中組成的不同庫的所需功能。

四、任務(wù)和計(jì)劃程序

FreeRTOS提供了一組最少的任務(wù)實(shí)體，這些實(shí)體與調(diào)度程序的使用一起，為在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)確定性提供了必要的工具。微型ROS客戶端庫（RCL，RCLC和RCLCPP）訪問RTOS的資源，以控制調(diào)度和電源管理機(jī)制，從而為開發(fā)人員提供了優(yōu)化應(yīng)用程序的可能性。

FreeRTOS提供的任務(wù)有兩種：標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)和空閑任務(wù)。前者由用戶創(chuàng)建，可以視為RTOS上的應(yīng)用程序。至關(guān)重要的是，將微型ROS應(yīng)用程序集成到RTOS中作為具有給定優(yōu)先級(jí)的此類任務(wù)之一。空閑任務(wù)另一方面，優(yōu)先級(jí)較低的任務(wù)只有在沒有其他任務(wù)在運(yùn)行時(shí)才進(jìn)入運(yùn)行模式。由于microROS主要針對(duì)低功耗和IoT設(shè)備，因此這些空閑任務(wù)和相關(guān)的空閑掛鉤非常適合在MCU中啟用深度睡眠狀態(tài)。由于將無狀態(tài)XRCE-DDS客戶端實(shí)現(xiàn)為micro-ROS中間件，因此這些深度睡眠狀態(tài)可能是內(nèi)存易失的，也就是說，由于面向連接的中間件有線協(xié)議，可以使用沒有RAM持久性的深度睡眠模式。

使用FreeRTOS調(diào)度程序，micro-ROS能夠管理其主要任務(wù)以及負(fù)責(zé)傳輸層的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。通常，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)堆?；虼薪涌诘娜蝿?wù)必須優(yōu)先于micro-ROS應(yīng)用程序。

五、內(nèi)存管理

FreeRTOS提供的最令人期望的功能（對(duì)于微型ROS開發(fā)人員和用戶而言非常有趣）是堆棧管理和靜態(tài)堆棧創(chuàng)建能力。在處理micro-ROS的任務(wù)創(chuàng)建時(shí)，通常，堆棧分配是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策。FreeRTOS允許進(jìn)行細(xì)粒度的堆棧大小管理，這又使程序員可以知道在程序執(zhí)行期間正在使用多少堆棧內(nèi)存，或例如確定堆棧內(nèi)存分配是否存在于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)內(nèi)存中，從而確定幫助正確使用MCU的內(nèi)存，這是嵌入式系統(tǒng)中的寶貴資源。至關(guān)重要的是，可以為微ROS提供繁重的堆棧使用方任務(wù)，并為其分配靜態(tài)分配的堆棧，從而防止將來出現(xiàn)堆和其他任務(wù)初始化問題。

在這方面，值得一提的是，這些內(nèi)存管理工具為基準(zhǔn)化微型ROS和XRCE-DDS的內(nèi)存占用量提供了理想的框架。具體而言，已進(jìn)行了徹底的堆棧消耗分析，以評(píng)估XRCE-DDS客戶端內(nèi)存消耗。堆棧是程序員在運(yùn)行應(yīng)用程序之前未知的內(nèi)存塊。為了對(duì)其進(jìn)行度量，可以使用FreeRTOS uxTaskGetStackHighWaterMark（）函數(shù)，該函數(shù)返回在執(zhí)行過程中XRCE-DDS任務(wù)堆棧達(dá)到最大值時(shí)未使用的堆棧量。通過將此值減去總堆棧，可以得到XRCE-DDS應(yīng)用程序使用的堆棧峰值。用這種方法獲得的結(jié)果匯總在此處發(fā)布的報(bào)告中。

我們還注意到，由于FreeRTOS中使用了可插拔的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方法，因此micro-ROS能夠完成所需的用于管理內(nèi)存的接口。通過這種方式，已經(jīng)使用heap_4作為參考實(shí)現(xiàn)了諸如calloc（）或realloc（）之類的函數(shù)。這些功能在饋入micro-ROS內(nèi)存管理API之前已被包裝，以便分析動(dòng)態(tài)內(nèi)存消耗。

與靜態(tài)內(nèi)存情況類似，F(xiàn)reeRTOS的可交換動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方法使在嵌入式系統(tǒng)中執(zhí)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存配置文件分析特別容易。的確，盡管在其他RTOS中，動(dòng)態(tài)（取消）分配功能隱藏在RTOS或標(biāo)準(zhǔn)庫的深處，但在FreeRTOS中，它們暴露給用戶并易于定制，因此簡化了處理和控制動(dòng)態(tài)內(nèi)存使用的過程。

六、傳輸資源

與客戶端支持庫訪問FreeRTOS的特定原語和功能（例如調(diào)度機(jī)制）的方式相同，中間件實(shí)現(xiàn)Micro XRCE-DDS要求訪問RTOS的傳輸和時(shí)間資源以使其正常運(yùn)行。關(guān)于IP傳輸，在FreeRTOS的特定情況下，Micro XRCE-DDS使用在此RTOS上實(shí)現(xiàn)lwIP的附件。lwIP（輕型IP）是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，廣泛使用的開源TCP / IP堆棧，旨在減少資源使用，同時(shí)仍提供完整的TCP堆棧。這使得lwIP的使用特別適用于以micro-ROS為目標(biāo)的嵌入式系統(tǒng)和資源受限的環(huán)境。

除了TCP / IP堆棧，lwIP還有其他幾個(gè)重要部分，例如網(wǎng)絡(luò)接口，操作系統(tǒng)仿真層，緩沖區(qū)和內(nèi)存管理部分。操作系統(tǒng)仿真層和網(wǎng)絡(luò)接口允許將網(wǎng)絡(luò)堆棧移植到操作系統(tǒng)中，因?yàn)樗峁┝薼wIP代碼和操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的通用接口。

FreeRTOS與lwIP 的集成是從頭開始設(shè)計(jì)的，具有標(biāo)準(zhǔn)且熟悉的接口（伯克利套接字），并且具有線程安全性，旨在使其盡可能易于使用。而且，它可以將緩沖區(qū)管理保留在可移植層中。

請注意，XRCE-DDS客戶端還支持FreeRTOS + TCP網(wǎng)絡(luò)堆棧。FreeRTOS + TCP是用于TCP / IP堆棧協(xié)議支持的官方FreeRTOS擴(kuò)展庫。

還努力使FreeRTOS + TCP與micro-ROS兼容。這包括對(duì)TCP和UDP連接的支持，它們依靠FreeRTOS + TCP API來實(shí)現(xiàn)micro XRCE-DDS Client API所要求的抽象層，以便能夠使用這些協(xié)議與代理進(jìn)行通信。

此外，還存在使用FreeRTOS的時(shí)間測量功能的可能性，從而使XRCE-DDS庫能夠執(zhí)行基于時(shí)間的任務(wù)，從而使用戶看不到實(shí)現(xiàn)。

七、Posix擴(kuò)展

允許將FreeRTOS無縫和盈利地集成到micro-ROS中的另一個(gè)顯著原因是POSIX擴(kuò)展的可用性。便攜式操作系統(tǒng)接口（POSIX）是IEEE計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)為維護(hù)操作系統(tǒng)之間的兼容性而指定的一系列標(biāo)準(zhǔn)。FreeRTOS Labs提供的FreeRTOS + POSIX層實(shí)現(xiàn)了POSIX API的子集。

確實(shí)，盡管micro-ROS中間件具有較低的POSIX依賴關(guān)系（只是clock_gettime（）函數(shù)），但整個(gè)micro-ROS堆棧具有與功能和類型定義相關(guān)的更高依賴關(guān)系。另外，由于微型ROS項(xiàng)目的基本原理之一是移植或重用Linux（主要是POSIX兼容操作系統(tǒng)）中本機(jī)編碼的ROS 2的代碼，因此使用了某種程度上可與Linux兼容的RTOS。POSIX顯然是有益的，因?yàn)榇a的移植工作量很小。

為此，使用了sleep（）和usleep（）之類的函數(shù)。micro-ROS的POSIX類型定義依賴項(xiàng)依賴于FreeRTOS內(nèi)核中未定義的某些結(jié)構(gòu)，例如struct timeval或struct timespec。還需要諸如type.h，signal.h或unistd.h之類的文件來定義一些標(biāo)準(zhǔn)的類型定義和結(jié)構(gòu)。

對(duì)于errno.h，盡管在FreeRTOS + POSIX層中未實(shí)現(xiàn)，但出于編譯目的，micro-ROS必須包括一些不可用的定義。

通過使用FreeRTOS + FAT庫，應(yīng)在micro-ROS堆棧中重構(gòu)這些定義，以使FreeRTOS + POSIX具有完全的兼容性。這樣，可以完全支持依賴文件系統(tǒng)支持的高級(jí)micro-ROS功能，例如日志記錄機(jī)制。

八、教程

如何在FreeRTOS上使用Olimex STM32-E407評(píng)估板創(chuàng)建和運(yùn)行第一個(gè)微型ROS應(yīng)用程序：

九、最后

總而言之，F(xiàn)reeRTOS提供了運(yùn)行Micro-ROS應(yīng)用程序的輕量且理想的RTOS，因?yàn)樗峁┝藦V泛的所需功能，實(shí)際上構(gòu)成Micro-ROS堆棧的所有模塊化層都在不同級(jí)別上使用了這些功能。

隨著micro-ROS和FreeRTOS的用戶群迅速擴(kuò)展并且引人注目的用例激增，預(yù)計(jì)在不久的將來，micro-ROS與FreeRTOS和FreeRTOS + 提供的庫進(jìn)一步集成。

其中，對(duì)FreeRTOS + FAT庫的利用顯得尤為可取，以便添加一個(gè)虛擬文件系統(tǒng)組件，該組件允許像在完全部署的ROS 2生態(tài)系統(tǒng)中一樣可視化和管理日志記錄操作。

還設(shè)想了專用部分中所述的內(nèi)存管理工具的進(jìn)一步利用，以擴(kuò)展XRCE-DDS客戶端的內(nèi)存配置文件，從而為micro-ROS客戶端提供類似的分析。

micro-ROS項(xiàng)目計(jì)劃的另一個(gè)未來行動(dòng)是采用FreeRTOS的認(rèn)證版本SafeRTOS。

最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，似乎值得一提的是FreeRTOS與micro-ROS典型目標(biāo)應(yīng)用相關(guān)的硬件集成的兩個(gè)非常成功的案例，即功能強(qiáng)大的Crazyflie 2.1無人機(jī)和ESP32 MCU的硬件。實(shí)際上，Crazyflie軟件可以利用FreeRTOS的幾種工具和功能來獲利。微ROS應(yīng)用與FreeRTOS的有關(guān)此MAV工作的演示的例子可以理解這里。至于與FreeRTOS本機(jī)集成并提供現(xiàn)成的Wi-Fi天線和藍(lán)牙功能的第二種硬件，則已經(jīng)在該系統(tǒng)上進(jìn)行了最新的micro ROS端口。