基于英特爾開發(fā)板開發(fā)ROS應(yīng)用

作者：

劉思宇北京理工大學(xué)

隨著智能機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的研究者和開發(fā)者開始涉足這一充滿挑戰(zhàn)和機(jī)遇的領(lǐng)域。哪吒開發(fā)板，作為一款高性能的機(jī)器人開發(fā)平臺，憑借其強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的接口，為機(jī)器人愛好者和專業(yè)人士提供了一個理想的實(shí)驗(yàn)和開發(fā)環(huán)境。

本文旨在為讀者提供一個全面的指南，從哪吒開發(fā)板的簡介開始，逐步引導(dǎo)讀者完成Ubuntu 20.04操作系統(tǒng)的安裝，ROS1（Robot Operating System）的部署，以及最終的ROS應(yīng)用開發(fā)和部署過程。

1哪吒開發(fā)板簡介

哪吒開發(fā)板以其信用卡大小的緊湊設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的計(jì)算能力，成為了機(jī)器人開發(fā)領(lǐng)域的一大亮點(diǎn)。它搭載了高性能的處理器，配備了足夠的內(nèi)存和存儲空間，支持多種操作系統(tǒng)，包括但不限于Windows和Linux。此外，哪吒開發(fā)板還提供了豐富的擴(kuò)展接口，包括GPIO、USB、HDMI等，使其能夠輕松連接各種傳感器和執(zhí)行器，滿足不同層次的開發(fā)需求。

以下是哪吒開發(fā)板的主要特點(diǎn)：

1. 處理器：搭載Intel N97處理器（Alder Lake-N），提供高達(dá)3.6GHz的時鐘頻率和12W的TDP，確保了強(qiáng)大的處理能力。

2. 圖形處理：內(nèi)置Intel UHD Graphics Gen12 GPU，支持高分辨率顯示，為視覺處理和圖形應(yīng)用提供支持。

3. 內(nèi)存與存儲：

板載8GB LPDDR5內(nèi)存，提供高速的數(shù)據(jù)訪問能力。

64GB eMMC存儲，為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供足夠的存儲空間。

4. 接口豐富：

1個Gigabit LAN端口，用于有線網(wǎng)絡(luò)連接。

3個USB 3.2 Gen 2 Type-A端口，2個10針USB 2.0/UART端口，提供多種外設(shè)連接選項(xiàng)。

1個HDMI 1.4b端口，支持高清視頻輸出。

5. 擴(kuò)展能力：配備40針GPIO連接器，支持PWM、UART、I2C、I2S、SPI和ADC等多種功能，便于連接各種傳感器和執(zhí)行器。

6. 安全性：板載TPM 2.0，提供硬件級別的安全保障。

7. 電源設(shè)計(jì)：支持12V直流輸入，5A電流，確保穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

8. 操作系統(tǒng)支持：兼容Windows和Linux操作系統(tǒng)，為開發(fā)者提供了靈活的選擇。

9. 尺寸：信用卡大小的尺寸（85 x 56mm），便于集成到各種設(shè)備中。

10. 散熱設(shè)計(jì)：采用無風(fēng)扇散熱設(shè)計(jì)，適合于對噪音敏感或空間受限的應(yīng)用場景。

哪吒開發(fā)板的這些特性使其成為教育、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字標(biāo)牌和機(jī)器人等領(lǐng)域的理想選擇。它的高性能和靈活性為開發(fā)者提供了廣闊的創(chuàng)新空間。

2設(shè)備開箱

開發(fā)板以快遞形式發(fā)貨，很快就收到了。

打開之后，內(nèi)部包括一塊開發(fā)板、供電電源和無線網(wǎng)卡。

插上電源、顯示器、鼠標(biāo)鍵盤之后，系統(tǒng)直接開機(jī)。

開發(fā)板預(yù)裝了Win11系統(tǒng)，賬號和密碼一致。

進(jìn)入系統(tǒng)之后，稍微體驗(yàn)了一下系統(tǒng)，比較流暢。優(yōu)化做的還是比較好的。唯一不足的是，內(nèi)存空間比較小，必須搭配外置存儲設(shè)備使用。

3Unbutu20.04系統(tǒng)安裝

要在哪吒開發(fā)板上安裝Ubuntu 20.04系統(tǒng)，請按照以下步驟操作：

1. 下載Ubuntu 20.04 ISO文件：

訪問Ubuntu官方下載頁面，選擇適合您設(shè)備的Ubuntu版本，點(diǎn)擊下載按鈕。下載完成后，保存ISO文件到您的電腦上。

2. 創(chuàng)建可啟動USB驅(qū)動器：

準(zhǔn)備一個4GB或更大的USB驅(qū)動器，并備份所有數(shù)據(jù)，因?yàn)閯?chuàng)建啟動盤的過程中會清除USB上的所有數(shù)據(jù)。

可以使用第三方工具如Rufus來創(chuàng)建可啟動USB驅(qū)動器。

3. 啟動安裝程序：

將可啟動USB插入哪吒開發(fā)板，重啟設(shè)備，并進(jìn)入BIOS設(shè)置，將啟動順序更改為從USB設(shè)備啟動。

4. 開始安裝過程：

啟動后，您將看到“嘗試Ubuntu”和“安裝Ubuntu”的選項(xiàng)。選擇“安裝Ubuntu”開始安裝過程。

如果您的電腦使用Intel RST（快速存儲技術(shù)），您可能需要在BIOS菜單中禁用它才能繼續(xù)安裝。

5. 安裝設(shè)置：

選擇您的鍵盤布局，然后點(diǎn)擊“繼續(xù)”。

選擇您的安裝類型，可以選擇“正常安裝”或“最小安裝”，并決定是否在安裝過程中下載更新和第三方軟件。

6. 分區(qū)：

選擇“擦除磁盤并安裝Ubuntu”以自動分區(qū)，或選擇“其他選項(xiàng)”手動分區(qū)。

7. 位置和用戶設(shè)置：

選擇您的位置和時區(qū)，然后為系統(tǒng)創(chuàng)建用戶賬戶和密碼。

8. 完成安裝：

確認(rèn)安裝設(shè)置無誤后，點(diǎn)擊“安裝”開始安裝過程。

安裝完成后，系統(tǒng)會提示您重啟設(shè)備。

4ROS1安裝

在Ubuntu 20.04上安裝ROS1（Noetic版本）的步驟如下：

1. 設(shè)置Ubuntu的軟件和更新：

打開軟件和更新設(shè)置，確保main、universe、restricted和multiverse選項(xiàng)被勾選，然后在下載源中選擇一個中國的服務(wù)器以加快下載速度。

2. 添加ROS軟件源：

使用以下命令添加ROS軟件源：

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

如果網(wǎng)速慢，可以使用國內(nèi)源，例如上海交大源：

sudo sh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb http://mirrors.sjtug.sjtu.edu.cn/ros/ubuntu/ `lsb_release -cs` main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

3. 添加密鑰：

使用以下命令添加ROS密鑰：

sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654

4. 更新軟件包索引：

運(yùn)行以下命令更新軟件包列表：

sudo apt update

5. 安裝ROS：

安裝ROS Noetic桌面完整版：

sudo apt install ros-noetic-desktop-full

安裝過程可能需要一段時間，耐心等待安裝完成。

6. 設(shè)置環(huán)境變量：

將以下命令添加到~/.bashrc文件中，以便每次打開新的終端時自動加載ROS環(huán)境：

echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

7. 安裝其他工具和依賴關(guān)系：

安裝python3-rosdep、python3-rosinstall、python3-wstool和build-essential：

sudo apt install python3-rosdep python3-rosinstall python3-rosinstall-generator python3-wstool build-essential

8. 初始化rosdep：

初始化rosdep：

sudo rosdep init
rosdep update

如果rosdep初始化失敗，可以嘗試使用國內(nèi)版的rosdepc。

9. 驗(yàn)證ROS安裝：

運(yùn)行roscore命令來驗(yàn)證ROS是否安裝成功：

roscore

如果沒有錯誤信息，表示ROS已成功安裝。

5測試ROS

1. 測試turtlesim用例：

打開新的終端，運(yùn)行turtlesim節(jié)點(diǎn)：

rosrun turtlesim turtlesim_node

再打開一個終端，使用鍵盤控制turtlesim：

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

2. 啟動roscore：

在一個新的終端中運(yùn)行roscore，這是ROS系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)，必須運(yùn)行才能進(jìn)行其他操作。

roscore

3. 檢查ROS環(huán)境：

在另一個終端中，運(yùn)行printenv命令來查看當(dāng)前的ROS環(huán)境變量設(shè)置。

printenv | grep ROS

4. 列出ROS節(jié)點(diǎn)：

使用rosnode命令列出當(dāng)前活躍的節(jié)點(diǎn)。

rosnode list

5. 查看節(jié)點(diǎn)信息：

查看特定節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)信息，例如turtlesim_node。

rosnode info turtlesim_node

6. 檢查ROS主題：

使用rostopic命令列出當(dāng)前活躍的主題。

rostopic list

7. 查看主題消息：

訂閱并查看turtlesim節(jié)點(diǎn)發(fā)布的turtle1/cmd_vel主題的消息。

rostopic echo /turtle1/cmd_vel

8. 發(fā)布測試消息：

嘗試使用rostopic命令向turtle1/cmd_vel主題發(fā)布測試消息。

rostopic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -r 10 -- '[geometry_msgs/Twist]' '{linear: {x: 1.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 0.5}}'

9. 測試ROS服務(wù)：

如果turtlesim提供了任何服務(wù)，可以嘗試列出并調(diào)用這些服務(wù)。例如，列出所有服務(wù)：

rosservice list

10. 測試ROS動作服務(wù)器：

如果turtlesim支持動作（actions），可以列出所有動作服務(wù)器并測試它們。首先，列出所有動作服務(wù)器：

rostopic list | grep '^/move'

然后，使用rostopic命令監(jiān)聽動作狀態(tài)：

rostopic echo /turtle1/move_action/status

11. 使用RViz進(jìn)行3D可視化：

如果安裝了RViz，可以使用它來可視化ROS中的3D數(shù)據(jù)。啟動RViz并配置它以顯示turtlesim的3D模型。

rosrun rviz rviz

在RViz中，添加一個RobotModel顯示項(xiàng)，并訂閱/tf主題來查看機(jī)器人的3D模型。

12. 測試ROS參數(shù)：

檢查turtlesim_node的參數(shù)：

rosparam list

獲取特定參數(shù)的詳細(xì)信息：

rosparam get /turtlesim_node/background_b

13. 測試ROS功能包：

安裝并測試其他ROS功能包，如rospy_tutorials，來驗(yàn)證ROS的安裝和功能。

rosrun rospy_tutorials rospy_tutorials.py

14. 測試網(wǎng)絡(luò)功能：

如果您有多個機(jī)器或需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，測試ROS的網(wǎng)絡(luò)功能，如使用roscd和roslaunch。

15. 查看系統(tǒng)日志：

使用dmesg或journalctl命令查看系統(tǒng)日志，以檢查是否有與ROS相關(guān)的錯誤或警告。

確保在測試過程中，如果遇到任何問題，查看ROS社區(qū)文檔或?qū)で蠹夹g(shù)支持。

6總結(jié)

在整個安裝和測試過程中，我們成功地在哪吒開發(fā)板上安裝了Ubuntu 20.04操作系統(tǒng)，并順利安裝了ROS1（Noetic）版本。通過一系列的測試用例，我們驗(yàn)證了ROS環(huán)境的正確配置和功能，包括節(jié)點(diǎn)管理、主題通信、服務(wù)調(diào)用以及動作服務(wù)器的測試。