引言

这篇文档主要介绍 RT-Thread 如何使用串口或者无线和 ROS 连接，会包含这么些内容：

第一部分：ROS 环境搭建

第二部分：RT-Thread rosserial 软件包

第二部分：RT-Thread 添加 USART2 和 PWM

第三部分：RT-Thread 使用 ESP8266 AT 固件联网

这里先介绍一下什么是 ROS？为什么要和 ROS 连接？

机器人操作系统 ROS (Robots Operating System) 最早是斯坦福大学的一个软件框架，现在不管是工业机器人，还是娱乐用的机器人都运行着 ROS。 ?

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一个机器人通常有很多个部件、传感器，为了保证机器人不会因为某一个传感器故障，导致整个系统瘫痪，所以采用了分布式的节点，利用不同节点之间的通讯收集传感器数据和控制指令，这篇文档后面会使用到的通讯协议就是?rosserial。 和 ROS 连接的好处在于，一方面由 ROS 管理各个机器人节点更稳定，另一方面 ROS 现在已经有了非常多成熟的软件包，使用 ROS 就可以非常方便的为自己的机器人添加摄像头图像识别、激光雷达建图导航等高级功能。 不过这篇文档只会涉及 RT-Thread 和 ROS 建立基本的连接，实现小车的运动控制，之后可能会有后续文档介绍如何连接激光雷达建图，并进行全局路径规划。

这篇文章假定大家都已经会用 RT-Thread 的 env 工具下载软件包，生成项目上传固件到 stm32 上，并且熟悉 Ubuntu 的基本使用。

1 ROS 简介

这里的开发环境搭建其实是需要搭建 2 份，一份是小车上的 ARM 开发板 (树莓派，NanoPi 什么的)，另一个则是自己的电脑，因为我们希望把电脑作为 ROS 从节点，连接到小车上的 ROS 主节点，不过开发板和电脑的 ROS 安装是一模一样的。

既然要和 ROS 连接，那么首先就得要有一个正常运行的 ROS。安装 ROS 其实非常简单，这里推荐使用 Ubuntu 18 (开发板推荐系统用 Armbian)，因为官方对 Ubuntu 的支持优先级是最高的，安装教程也可以参照?官网：http://wiki.ros.org/melodic/Installation/Ubuntu 只需要输入下面的 4 行命令，就在 Ubuntu 上装好了 ROS。

1sudo?sh?-c?'echo?"deb?https://mirror.tuna.tsinghua.edu.cn/ros/ubuntu?$(lsb_release?-sc)?main"?>?/etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list' 2sudo?apt-key?adv?--keyserver?'hkp://keyserver.ubuntu.com:80'?--recv-key?C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654 3sudo?apt?update 4sudo?apt?install?ros-melodic-ros-base上面我使用了清华大学的镜像源，这样从国内下载 ROS 会快很多，而且我只安装了 ROS 的基本软件包，没有安装图形化软件包 gviz，gazebo 什么的，因为后面也没有用到。

1.2 ROS 环境初始化

ROS 安装好之后还需要进行初始化，不过也是只有短短几行命令：

1sudo?rosdep?init 2rosdep?update 3 4echo?"source?/opt/ros/melodic/setup.bash"?>>?~/.bashrc 5source?~/.bashrc? 1.3 启动 ROS 启动 ROS 的话我们需要确保它是常驻后台运行的，所以我们可以使用 tmux：1roscore

在 tmux 里启动了 ROS 主节点后，我们就可以 Ctrl + B D 退出了，而 ROS 主节点依旧在后台运行。

1.4 参考文献

Armbian:https://www.armbian.com/

ROS Melodic 安装//wiki.ros.org/melodic/Installation/Ubuntu

2 RT-Thread 串口连接 ROS

这一部分会介绍如何使用串口将运行着 RT-Thread 的 STM32 开发板和运行着 ROS 的 ARM 开发板连接，看起来差不多就是这样。

这里说明一下不同开发板的分工，STM32 运行着 RT-Thread 负责控制电机，接收传感器信息；ARM 运行着 ROS 负责进行全局控制，例如给小车发出前进的指令。

2.1 RT-Thread 配置

首先我们需要打开 usart2，因为 usart1 被 msh 使用了，保留作为调试还是挺方便的。

? 在 CubeMX 里我打开了 USART2，另外还打开了 4 路 PWM，因为我后面使用了 2 个电机，每个电机需要 2 路 PWM 分别控制前进和后退。 接下来还需要在 menuconfig 里面打开对应的选项，考虑到有的开发板默认的 bsp 可能没有这些选项，可以修改 board/Kconfig 添加下面的内容。串口的配置：

1menuconfig?BSP_USING_UART 2????bool?"Enable?UART" 3????default?y 4????select?RT_USING_SERIAL 5????if?BSP_USING_UART 6????????config?BSP_USING_UART1 7????????????bool?"Enable?UART1" 8????????????default?y 9 10????????config?BSP_UART1_RX_USING_DMA 11????????????bool?"Enable?UART1?RX?DMA" 12????????????depends?on?BSP_USING_UART1?&&?RT_SERIAL_USING_DMA 13????????????default?n 14 15????????config?BSP_USING_UART2 16????????????bool?"Enable?UART2" 17????????????default?y 18 19????????config?BSP_UART2_RX_USING_DMA 20????????????bool?"Enable?UART2?RX?DMA" 21????????????depends?on?BSP_USING_UART2?&&?RT_SERIAL_USING_DMA 22????????????default?n 23????endif?PWM 的配置：1menuconfig?BSP_USING_PWM 2????bool?"Enable?pwm" 3????default?n 4????select?RT_USING_PWM 5????if?BSP_USING_PWM 6????menuconfig?BSP_USING_PWM3 7????????bool?"Enable?timer3?output?pwm" 8????????default?n 9????????if?BSP_USING_PWM3 10????????????config?BSP_USING_PWM3_CH1 11????????????????bool?"Enable?PWM3?channel1" 12????????????????default?n 13????????????config?BSP_USING_PWM3_CH2 14????????????????bool?"Enable?PWM3?channel2" 15????????????????default?n 16????????????config?BSP_USING_PWM3_CH3 17????????????????bool?"Enable?PWM3?channel3" 18????????????????default?n 19????????????config?BSP_USING_PWM3_CH4 20????????????????bool?"Enable?PWM3?channel4" 21????????????????default?n 22????????endif 23????endif?

这样我们在 env 下就可以看到有对应的配置了,

除此之外，我们还需要选择 rosserial 软件包：

可以看到上面默认的串口就是 USART2，这样我们就可以生成对应的工程了：

1pkgs?--update 2scons?--target=mdk5?-s如果我们打开 Keil 项目，首先需要把 main.c 修改为 main.cpp，因为 rosserial 很多数据格式的定义都是用 C++++ 写的，所以如果要使用 rosserial 库，我们先得把后缀改为 cpp，这样 Keil 就会用 C++ 编译器编译。

下面是 main.cpp 的内容，其实就是初始化了电机，然后发布了 2 个话题 (topic)，一个是 /vel_x 告诉 ROS 当前小车的速度，一个是 /turn_bias 告诉 ROS 当前小车的旋转速度。同时又订阅了一个话题 /cmd_vel，用来接收从 ROS 发出的控制指令。 代码不是特别长，我也添加了一些注释，所以这里就不一行行分析了。

1#include? 2#include? 3#include? 4 5#include? 6#include? 7#include? 8#include?"motors.h" 9 10ros::NodeHandle??nh; 11MotorControl?mtr(1,?2,?3,?4);???//Motor 12 13bool?msgRecieved?=?false; 14float?velX?=?0,?turnBias?=?0; 15char?stat_log[200]; 16 17//?接收到命令时的回调函数 18void?velCB(?const?geometry_msgs::Twist&?twist_msg)? 19{ 20??velX?=?twist_msg.linear.x; 21??turnBias?=?twist_msg.angular.z; 22??msgRecieved?=?true; 23} 24 25//Subscriber 26ros::Subscriber?sub("cmd_vel",?velCB?); 27 28//Publisher 29std_msgs::Float64?velX_tmp; 30std_msgs::Float64?turnBias_tmp; 31ros::Publisher?xv("vel_x",?&velX_tmp); 32ros::Publisher?xt("turn_bias",?&turnBias_tmp); 33 34static?void?rosserial_thread_entry(void?*parameter) 35{ 36????//Init?motors,?specif>y?the?respective?motor?pins 37????mtr.initMotors(); 38 39????//Init?node> 40????nh.initNode(); 41 42????//?订阅了一个话题?/cmd_vel?接收控制指令 43????nh.subscribe(sub); 44 45????//?发布了一个话题?/vel_x?告诉?ROS?小车速度 46????nh.advertise(xv); 47 48????//?发布了一个话题?/turn_bias?告诉?ROS?小车的旋转角速度 49????nh.advertise(xt); 50 51????mtr.stopMotors(); 52 53????while?(1) 54????{ 55??????//?如果接收到了控制指令 56??????if?(msgRecieved)? 57??????{ 58????????velX?*=?mtr.maxSpd; 59????????mtr.moveBot(velX,?turnBias); 60????????msgRecieved?=?false; 61??????} 62 63??????velX_tmp.data?=?velX; 64??????turnBias_tmp.data?=?turnBias/mtr.turnFactor; 65 66??????//?更新话题内容 67??????xv.publish(?&velX_tmp?); 68??????xt.publish(?&turnBias_tmp?); 69 70??????nh.spinOnce(); 71????} 72} 73 74int?main(void) 75{ 76????//?启动一个线程用来和?ROS?通信 77????rt_thread_t?thread?=?rt_thread_create("rosserial",?????rosserial_thread_entry,?RT_NULL,?2048,?8,?10); 78????if(thread?!=?RT_NULL) 79????{ 80????????rt_thread_startup(thread); 81????????rt_kprintf("[rosserial]?New?thread?rosserial "); 82????} 83????else 84????{ 85????????rt_kprintf("[rosserial]?Failed?to?create?thread?rosserial "); 86????} 87????return?RT_EOK; 88}

另外还有对应的电机控制的代码，不过这个大家的小车不同，驱动应当也不一样，我这里由于小车电机上没有编码器，所以全部是开环控制的。

motors.h

1#include? 2 3class?MotorControl?{ 4??public: 5????//Var 6????rt_uint32_t??maxSpd; 7????float?moveFactor; 8????float?turnFactor; 9 10????MotorControl(int?fl_for,?int?fl_back, 11?????????????????int?fr_for,?int?fr_back); 12????void?initMotors(); 13????void?rotateBot(int?dir,?float?spd); 14????void?moveBot(float?spd,?float?bias); 15????void?stopMotors(); 16??private: 17????struct?rt_device_pwm?*pwm_dev; 18????//The?pins 19????int?fl_for; 20????int?fl_back; 21????int?fr_for; 22????int?fr_back; 23????int?bl_for; 24????int?bl_back; 25????int?br_for; 26????int?br_back; 27};? motors.c1#include? 2#include? 3#include?"motors.h" 4 5#define?PWM_DEV_NAME?"pwm3" 6 7MotorControl::MotorControl(int?fl_for,?int?fl_back, 8???????????????????????????int?fr_for,?int?fr_back)? 9{ 10????this->maxSpd?=?500000; 11????this->moveFactor?=?1.0; 12????this->turnFactor?=?3.0; 13 14????this->fl_for?=?fl_for; 15????this->fl_back?=?fl_back; 16 17????this->fr_for?=?fr_for; 18????this->fr_back?=?fr_back; 19} 20 21void?MotorControl::initMotors()?{ 22????/*?查找设备?*/ 23????this->pwm_dev?=?(struct?rt_device_pwm?*)rt_device_find(PWM_DEV_NAME); 24????if?(pwm_dev?==?RT_NULL) 25????{ 26????????rt_kprintf("pwm?sample?run?failed!?can't?find?%s?device! ",?PWM_DEV_NAME); 27????} 28????rt_kprintf("pwm?found?%s?device! ",?PWM_DEV_NAME); 29????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_for,?maxSpd,?0); 30????rt_pwm_enable(pwm_dev,?fl_for); 31 32????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_back,?maxSpd,?0); 33????rt_pwm_enable(pwm_dev,?fl_back); 34 35????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_for,?maxSpd,?0); 36????rt_pwm_enable(pwm_dev,?fr_for); 37 38????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_back,?maxSpd,?0); 39????rt_pwm_enable(pwm_dev,?fr_back); 40} 41 42//?小车运动 43void?MotorControl::moveBot(float?spd,?float?bias)?{ 44????float?sL?=?spd?*?maxSpd; 45????float?sR?=?spd?*?maxSpd; 46????int?dir?=?(spd?>?0)???1?:?0; 47 48????if(bias?!=?0) 49????{ 50????????rotateBot((bias?>?0)???1?:?0,?bias); 51????????return; 52????} 53 54????if(?sL?<?-moveFactor?*?maxSpd) 55????{ 56????????sL?=?-moveFactor?*?maxSpd; 57????} 58????if(?sL?>?moveFactor?*?maxSpd) 59????{ 60????????sL?=?moveFactor?*?maxSpd; 61????} 62 63????if(?sR?<?-moveFactor?*?maxSpd) 64????{ 65????????sR?=?-moveFactor?*?maxSpd; 66????} 67????if(?sR?>?moveFactor?*?maxSpd) 68????{ 69????????sR?=?moveFactor?*?maxSpd; 70????} 71 72????if?(sL?<?0)? 73????{ 74????????sL?*=?-1; 75????} 76 77????if?(sR?<?0)? 78????{ 79????????sR?*=?-1; 80????} 81 82????rt_kprintf("Speed?Left:?%ld ",?(rt_int32_t)sL); 83????rt_kprintf("Speed?Right:?%ld ",?(rt_int32_t)sR); 84 85????if(dir) 86????{ 87????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_for,?maxSpd,?(rt_int32_t)sL); 88????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_back,?maxSpd,?0); 89????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_for,?maxSpd,?(rt_int32_t)sR); 90????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_back,?maxSpd,?0); 91????} 92????else 93????{ 94????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_for,?maxSpd,?0); 95????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_back,?maxSpd,?(rt_int32_t)sL); 96????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_for,?maxSpd,?0); 97????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_back,?maxSpd,?(rt_int32_t)sR); 98????} 99 100????rt_thread_mdelay(1); 101} 102 103 104//?小车旋转 105void?MotorControl::rotateBot(int?dir,?float?spd)?{ 106????float?s?=?spd?*?maxSpd; 107????if?(dir?<?0)? 108????{ 109????????s?*=?-1; 110????} 111????if(dir) 112????{ 113????????//?Clockwise 114????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_for,?maxSpd,?(rt_int32_t)s); 115????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_back,?maxSpd,?0); 116????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_for,?maxSpd,?0); 117????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_back,?maxSpd,?(rt_int32_t)s); 118????} 119????else 120????{ 121????????//?Counter?Clockwise 122????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_for,?maxSpd,?0); 123????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_back,?maxSpd,?(rt_int32_t)s); 124????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_for,?maxSpd,?(rt_int32_t)s); 125????????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_back,?maxSpd,?0); 126????} 127????rt_thread_mdelay(1); 128} 129 130//Turn?off?both?motors 131void?MotorControl::stopMotors()? 132{ 133????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_for,?maxSpd,?0); 134????rt_pwm_set(pwm_dev,?fl_back,?maxSpd,?0); 135????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_for,?maxSpd,?0); 136????rt_pwm_set(pwm_dev,?fr_back,?maxSpd,?0); 137}一共只需要这么一点代码就可以实现和 ROS 的连接了，所以其实 ROS 也不是那么神秘，它就是因为简单好用所以才这么受欢迎的。 既然 RT-Thread 已经配置好了，下一步就是 ROS 的配置了。

2.2 ROS 配置

我们把上面 RT-Thread 的固件传到板子上以后，可以用一个 USB-TTL 一边和 STM32 控制板的 USART2 连接，另一边插到 ARM 控制板的 USB 口，接下来就可以建立连接了，在 ARM 板上输入命令：

1$?rosrun?rosserial_python?serial_node.py?/dev/ttyUSB0如果看到下面的输出，那就成功建立连接了：1tpl@nanopineoplus2:~$?rosrun?rosserial_python?serial_node.py?/dev/ttyUSB0 2[INFO]?[1567239474.258919]:?ROS?Serial?Python?Node 3[INFO]?[1567239474.288435]:?Connecting?to?/dev/ttyUSB0?at?57600?baud 4[INFO]?[1567239476.425646]:?Requesting?topics... 5[INFO]?[1567239476.464336]:?Note:?publish?buffer?size?is?512?bytes 6[INFO]?[1567239476.471349]:?Setup?publisher?on?vel_x?[std_msgs/Float64] 7[INFO]?[1567239476.489881]:?Setup?publisher?on?turn_bias?[std_msgs/Float64] 8[INFO]?[1567239476.777573]:?Note:?subscribe?buffer?size?is?512?bytes 9[INFO]?[1567239476.785032]:?Setup?subscriber?on?cmd_vel?[geometry_msgs/Twist]

2.3 ROS 控制小车

既然已经成功建立连接了，下一步就是写小车控制的代码了。 我们先初始化一个工作区间：

1$?mkdir?catkin_workspace?&&?cd?catkin_workspace 2$?catkin_init_workspace

接下来创建一个软件包：

1$?cd?src 2$?catkin_create_pkg?my_first_pkg?rospy? 这样就会自动在 src 目录创建一个 ROS 软件包了。 我们在 catkin_workspace/src/my_first_pkg/src 目录下新建一个文件 ros_cmd_vel_pub.py：1#!/usr/bin/python 2 3import?rospy 4from?geometry_msgs.msg?import?Twist 5from?pynput.keyboard?import?Key,?Listener 6 7vel?=?Twist() 8vel.linear.x?=?0 9 10def?on_press(key): 11 12????try: 13????????if(key.char?==?'w'): 14????????????print("Forward") 15????????????vel.linear.x?=?0.8 16????????????vel.angular.z?=?0 17 18????????if(key.char?==?'s'): 19????????????print("Backward") 20????????????vel.linear.x?=?-0.8 21????????????vel.angular.z?=?0 22 23????????if(key.char?==?'a'): 24????????????print("Counter?Clockwise") 25????????????vel.linear.x?=?0 26????????????vel.angular.z?=?-0.8 27 28????????if(key.char?==?'d'): 29????????????print("Clockwise") 30????????????vel.linear.x?=?0 31????????????vel.angular.z?=?0.8 32 33????????return?False 34 35????except?AttributeError: 36????????print('special?key?{0}?pressed'.format(key)) 37????????return?False 38 39def?on_release(key): 40????vel.linear.x?=?0 41????vel.angular.z?=?0 42 43????return?False 44 45#?Init?Node 46rospy.init_node('my_cmd_vel_publisher') 47pub?=?rospy.Publisher('cmd_vel',?Twist,?queue_size=10) 48 49#?Set?rate 50rate?=?rospy.Rate(10) 51 52listener?=?Listener(on_release=on_release,?on_press?=?on_press) 53 54while?not?rospy.is_shutdown(): 55????print(vel.linear.x) 56????pub.publish(vel) 57????vel.linear.x?=?0 58????vel.angular.z?=?0 59????rate.sleep() 60 61????if?not?listener.running: 62????????listener?=?Listener(on_release=on_release,?on_press?=?on_press) 63????????listener.start()? 这就是我们的 python 控制程序了，可以使用键盘的 wasd 控制小车前进后退，顺时针、逆时针旋转。我们需要给它添加可执行权限：1$?chmod?u+x?./ros_cmd_vel_pub.py?

这样就可以编译软件包了，在 catkin_worspace 目录下。

1$?catkin_make 2$?source?devel/setup.bash

我们终于就可以启动程序从电脑上控制小车运动了：

1rosrun?my_first_pkg?ros_cmd_vel_pub.py? 可以看到用 ROS 实现小车控制其实代码量并不算多，只需要在自己小车原有的代码上发布一些话题，告诉 ROS 小车当前的状态，并且订阅一个话题接收 ROS 的控制指令就可以了。

2.4 参考文献

ros-pibot:https://github.com/wuhanstudio/ros-pibot

3 RT-Thread 无线连接 ROS

3.1 rosserial 配置

其实无线连接和有线连接几乎是一模一样的，只不过是先用 ESP8266 使自己的控制板能连上网，然后用 tcp 连接和 ROS 通信，关于 RT-Thread 使用 ESP8266 上网的教程可以参照?官网:https://www.rt-thread.org/document/site/application-note/components/at/an0014-at-client/，非常详细了，我这里就不重复了。 确保开发板有网络连接后，我们就可以在 rosserial 里面配置为使用 tcp 连接：

我们只需要在上一部分的 main.cpp 里添加一行代码：

1//?设置?ROS?的?IP?端口号 2nh.getHardware()->setConnection("192.168.1.210",?11411); 3 4//?添加在节点初始化之前 5nh.initNode();开发板就能通过 tcp 连接和 ROS 通信了，非常方便。

3.2 ROS 配置

由于我们使用了 tcp 连接，所以 ROS 上自然也要开启一个服务器了，之前是使用的串口建立连接，现在就是使用 tcp 了：

1$?rosrun?rosserial_python?serial_node.py?tcp

其他的代码完全不需要改变，这样我们就实现了一个 ROS 无线控制的小车了。

3.3 参考文献

RT-Thread 使用 ESP8266 上网:

https://www.rt-thread.org/document/site/application-note/components/at/an0014-at-client/