Micro-ROS：把ROS2放在MCU上

對(duì)于熟悉機(jī)器人應(yīng)用的讀者，ROS想必定是不會(huì)陌生的。ROS可以說是目前機(jī)器人相關(guān)開源社區(qū)最流行的項(xiàng)目。每一種類型的機(jī)器人都需要以硬件的實(shí)際情況編寫符合用戶需要的功能，起初代碼的復(fù)用率很低，大大阻礙了機(jī)器人的發(fā)展。

ROS便是為機(jī)器人在研發(fā)的過程中的代碼復(fù)用提供支持的開源框架，大量的機(jī)器人開源項(xiàng)目，從感知到控制、從定位到構(gòu)圖、從導(dǎo)航到可視化，幾乎都使用ROS作為基礎(chǔ)。

Micro-ROS從何而來？

Micro-ROS實(shí)際上是從ROS2優(yōu)化而來的輕量級(jí)ROS系統(tǒng)，用于在各種機(jī)器人應(yīng)用中在MCU上實(shí)現(xiàn)第二代機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS 2，通過使用通用框架，它可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)傳感器和設(shè)備的互操作性。ROS2基于ROS升級(jí)而來，如果說ROS為機(jī)器人研究和機(jī)器人原型開發(fā)提供了良好?態(tài)的話，那么ROS2就是?于機(jī)器人部署環(huán)境的開發(fā)架構(gòu)和相應(yīng)的工具鏈。

傳統(tǒng)機(jī)器人ROS實(shí)質(zhì)上是仍舊停留在MCU邊界的，再通過串行協(xié)議或者舊版ROS中的工具與MCU集成在一起。Micro-ROS則允許在硬件級(jí)別附近運(yùn)行ROS2節(jié)點(diǎn)，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低級(jí)總線系統(tǒng)進(jìn)行交互，亦與傳感器和執(zhí)行器接口互通。

（Micro-ROS，Micro-ROS開源社區(qū)）

ROS2解決了ROS在很多層面上無法滿足的性能升級(jí)的短板，諸如：實(shí)時(shí)性、對(duì)MCU的支持、網(wǎng)絡(luò)通信的依賴程度、多機(jī)器人的支持等等。原生的ROS其實(shí)只支持單個(gè)機(jī)器人，對(duì)于多機(jī)器人的支持是不足的，而且大型機(jī)器人項(xiàng)目的構(gòu)建、開發(fā)和部署這些需求ROS逐漸不能滿足。實(shí)時(shí)性、安全性、嵌?式移植等方面，在工業(yè)領(lǐng)域也讓時(shí)常無法匹配某系性能的要求。

Micro-ROS在解決了多機(jī)器人支持、非理想網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持、實(shí)時(shí)系統(tǒng)支持之外，最重要的就是對(duì)MCU直接的支持。Micro-ROS將不再停留在MCU的邊界通過串行協(xié)議集成。ROS2采?RTSP（Real-Time Publish-Subscribe）協(xié)議的DDS作為中間層，DDS作為?種?于實(shí)時(shí)和嵌?式系統(tǒng)發(fā)布－訂閱式通信的?業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在系統(tǒng)容錯(cuò)和靈活性上會(huì)更加完善。Micro-ROS同時(shí)可以利用其中間件可插拔性來使用針對(duì)MCU進(jìn)行了優(yōu)化的DDS-XRCE。

基于Micro-ROS的機(jī)器人控制MCU

Micro-ROS旨在將ROS2引入廣泛的微控制器，主要目標(biāo)就是中檔32位微控制器系列。一般來說，Micro-ROS 需要具有幾萬字節(jié)RAM內(nèi)存的MCU和能夠?qū)崿F(xiàn)Micro-ROS客戶端到代理通信的通信外圍設(shè)備。Micro-ROS支持的硬件目前分為官方支持的板和社區(qū)板。這里挑幾個(gè)官方支持的Micro-ROS機(jī)器人本體控制MCU。

瑞薩RA6M5 Micro-ROS

瑞薩電子與Micro-ROS框架供應(yīng)商eProsima合作，開發(fā)了基于RA6M5的ROS機(jī)器人本體控制器，將Micro-ROS完全集成到了EK RA6M5 MCU中。該系統(tǒng)能夠基于ROS控制多個(gè)伺服系統(tǒng)。

（瑞薩）

32位的RA6M5 MCU是高性能Arm Cortex-M33內(nèi)核，521KB內(nèi)存，閃存高達(dá)2MB。集成了能夠用于在ROS節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行 Pub/Sub信息傳遞的通信接口，可以通過單線 UART 和 RS-485 控制多個(gè)伺服系統(tǒng)。該官方板支持的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為FreeRTOS、ThreadX和裸機(jī)。

樂鑫ESP32 Micro-ROS

Xtensa雙核32位LX6微處理器，最高240 MHz，520KB的內(nèi)存以及高達(dá)4MB的閃存，在外設(shè)支持上是官方板中最多的，以太網(wǎng) MAC、Wi-Fi 802.11 b/g/n、藍(lán)牙 v4.2 BR/EDR、BLE、SPI、I2C、I2S、UART、SDIO、CAN、GPIO、ADC/DAC、PWM全部覆蓋。對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持目前僅支持應(yīng)用最廣泛的FreeRTOS。

（樂鑫）

STM32L4 Micro-ROS

ARM Cortex-M4的內(nèi)核，128KB的內(nèi)存，1MB的閃存，相當(dāng)?shù)臉銓?shí)無華。但在機(jī)器人應(yīng)用外設(shè)的集成上很亮眼，溫濕度傳感器、3軸IMU、ToF傳感器等等。在社區(qū)自制的Micro-ROS
板上，ST的32位MCU仍然是最常見的，呈壓倒性優(yōu)勢(shì)。

（ST）

Micro-ROS運(yùn)用在MCU上的內(nèi)存限制

在Micro-ROS與硬件結(jié)合上，還有一個(gè)問題，即在嵌入式平臺(tái)中運(yùn)行Micro-ROS的最大的制約來自于內(nèi)存的限制。由于Micro-ROS 中的內(nèi)存使用是一個(gè)很復(fù)雜的問題，所以如何調(diào)整Micro-ROS 中間件的內(nèi)存消耗是比較棘手的。

因?yàn)镸icro-ROS的目標(biāo)是MCU這一類內(nèi)存資源低的設(shè)備。優(yōu)先使用靜態(tài)內(nèi)存而不是動(dòng)態(tài)內(nèi)存，并優(yōu)化應(yīng)用程序的內(nèi)存占用是一個(gè)較為可行的辦法。上面我們也提到了，Micro-ROS同時(shí)可以利用其中間件可插拔性來使用針對(duì)MCU進(jìn)行了優(yōu)化的DDS-XRCE。

Micro-ROS的中間件通常被形容成“資源極度受限但極度靈活”，為了與Micro-ROS堆棧中的ROS中間件接口集成，DDS-XRCE引入了靜態(tài)內(nèi)存池，以避免在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存。這些都是為了消除Micro-ROS與硬件結(jié)合時(shí)的內(nèi)存限制。解決這一限制后，Micro-ROS與MCU這類硬件的結(jié)合，可以說是相當(dāng)可靠的機(jī)器人控制解決方案。

寫在最后

“將ROS2放在MCU上”，這是Micro-ROS的社區(qū)宣言。純硬件訪問、低延遲的實(shí)時(shí)性、低功耗是Micro-ROS將ROS2放在MCU上的原因，Micro-ROS也的確開始在機(jī)器人應(yīng)用中彌合資源受限的MCU和更強(qiáng)大的處理器之間的差距。