การพัฒนาหุ่นยนต์เคลื่อนที่ด้วย ROS2 ตอนที่ 1

ตัวอย่างนี้จะเป็นการสร้างหุ่นยนต์เคลื่อนที่ ที่สามารถควบคุมผ่าน wifi ได้ ซึ่งจะเป็นระบบพื้นฐานของหุ่นยนต์เคลื่อนที่แบบอัตโนมัติในพื้นที่ปิด (indoor) ที่มีความสามารถในการสร้างแผนที่และเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งที่ต้องการพร้อมหลบหลีกสิ่งกีดขวางได้โดยอัตโนมัติ

การทำงานจะแยกเป็น 2 ส่วนคือ

1. PC ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับข้อมูลจากเซนเซอร์ต่างๆบนหุ่นยนต์มาสร้างและแสดงผลแผนที่ รวมทั้งระบุตำแหน่งปัจจุบันของหุ่นยนต์ที่สอดคล้องกับตำแหน่งในแผนที่ โดยคอมพิวเตอร์จะติดตั้ง Ubuntu 22.04 พร้อมกับ ROS2 foxy
2. หุ่นยนต์เคลื่อนที่แบบขับเคลื่อนด้วยล้อแยก (Differential Drive) ที่ติดตั้งมอเตอร์ DC จำนวน 2 ตัว และล้อเอนกประสงค์ (Caster Wheel) ที่ด้านหลัง มอเตอร์ DC ทั้งสองตัวติดตั้งตัวเข้ารหัส (Encoder) เพื่อช่วยในการติดตามความเร็วและระยะทางที่หุ่นยนต์เคลื่อนที่ มอเตอร์ถูกควบคุมด้วยโมดูลควบคุมมอเตอร์ L298N ซึ่งรับพลังงานจากแบตเตอรี่ลิเธียม 12 โวลต์  เซนเซอร์สำคัญอีกตัวหนึ่งคือ LiDAR ที่ติดตั้งอยู่ด้านบนของหุ่นยนต์ ซึ่งใช้สำหรับตรวจจับระยะทางและสภาพแวดล้อมรอบตัว ส่วนที่เป็น “สมอง” ของหุ่นยนต์ คือ Raspberry Pi 4 Model B ที่ใช้ในการประมวลผลและควบคุมการทำงานทั้งหมดของระบบ ที่จะทำงานร่วมกับ Arduino ที่ทำหน้าที่อ่านค่าตำแหน่งของมอเตอร์และควบคุมการหมุนของมอเตอร์ โดย Raspberry Pi จะติดตั้ง Ubuntu 22.04 พร้อมกับ ROS2 foxy ไว้เช่นกัน

เราจะเริ่มจากการสร้าง Node อย่างง่าย 2 node บน PC เพื่อทดสอบการรับส่งข้อมูลระหว่าง node คือ  Command_node และ Drive_node

ขั้นตอนที่ 1: การตั้งค่า ROS2 Workspace

1. เปิด terminal และสร้าง Workspace Directory ด้วยคำสั่งดังนี้

 

mkdir -p ~/ros2_ws/src cd ~/ros2_ws

เริ่มต้น Workspace ด้วยคำสั่ง   colcon build

• Source Workspace หลังจาก build แล้ว ให้ source workspace:  source install/setup.bash

ขั้นตอนที่ 2: การสร้าง ROS2 Package

1. ไปที่โฟลเดอร์ src :  cd ~/ros2_ws/src
2. สร้าง Package : ros2 pkg create MobileRobot_py –build-type ament_python –dependencies rclpy std_msgs
3. เข้าไปในโฟลเดอร์ Package: cd MobileRobot_py

ขั้นตอนที่ 3: การสร้าง Node

Command Node

1. สร้างไฟล์ command_node.py และ drive_node.py

mkdir -p MobileRobot_py touch MobileRobot_py/command_node.py touch MobileRobot_py/drive_node.py chmod +x MobileRobot_py/command_node.py chmod +x MobileRobot_py/drive_node.py

เขียนโค้ดใน command_node.py

import rclpy from rclpy.node import Node from std_msgs.msg import String from pynput import keyboard import threading class CommandNode(Node):     def __init__(self):         super().__init__(‘command_node’)         self.publisher_ = self.create_publisher(String, ‘/drive_commands’, 10)         self.get_logger().info(‘CommandNode is running. Press keys to send commands.’)         self.listener = keyboard.Listener(on_press=self.on_press)         self.listener.start()     def on_press(self, key):         try:             if key.char == ‘i’:                 self.publish_command(‘Forward’)             elif key.char == ‘j’:                 self.publish_command(‘TurnLeft’)             elif key.char == ‘l’:                 self.publish_command(‘TurnRight’)             elif key.char == ‘m’:                 self.publish_command(‘Backward’)             elif key.char == ‘k’:                 self.publish_command(‘Stop’)         except AttributeError:             pass     def publish_command(self, command):         msg = String()         msg.data = command         self.publisher_.publish(msg)         self.get_logger().info(f’Publishing: “{msg.data}”‘) def main(args=None):     rclpy.init(args=args)     node = CommandNode()     try:         rclpy.spin(node)     except KeyboardInterrupt:         pass     finally:         node.destroy_node()         rclpy.shutdown() if __name__ == ‘__main__’:     main()

2. Drive Node

1. เขียนโค้ดใน drive_node.py

import rclpy from rclpy.node import Node from std_msgs.msg import String class DriveNode(Node):     def __init__(self):         super().__init__(‘drive_node’)         self.subscription = self.create_subscription(             String,             ‘/drive_commands’,             self.listener_callback,             10         )         self.get_logger().info(‘DriveNode is ready to receive commands.’)     def listener_callback(self, msg):         command = msg.data         self.get_logger().info(f’Received command: “{command}”‘)         if command == ‘Forward’:             self.forward()         elif command == ‘TurnLeft’:             self.turn_left()         elif command == ‘TurnRight’:             self.turn_right()         elif command == ‘Backward’:             self.backward()         elif command == ‘Stop’:             self.stop()         else:             self.get_logger().warn(f’Unknown command: “{command}”‘)     def forward(self):         self.get_logger().info(‘Executing forward operation.’)     def turn_left(self):         self.get_logger().info(‘Executing turn left operation.’)     def turn_right(self):         self.get_logger().info(‘Executing turn right operation.’)     def backward(self):         self.get_logger().info(‘Executing backward operation.’)     def stop(self):         self.get_logger().info(‘Executing stop operation.’) def main(args=None):     rclpy.init(args=args)     drive_node = DriveNode()     try:         rclpy.spin(drive_node)     except KeyboardInterrupt:         pass     finally:         drive_node.destroy_node()         rclpy.shutdown() if __name__ == ‘__main__’:     main()

ขั้นตอนที่ 4: แก้ไขไฟล์ setup.py

1. เปิดไฟล์ setup.py : nano setup.py
2. แก้ไขเนื้อหาให้เป็นดังนี้:

from setuptools import setup package_name = ‘MobileRobot_py’ setup(     name=package_name,     version=’0.0.0′,     packages=[package_name],     data_files=[         (‘share/ament_index/resource_index/packages’,             [‘resource/’ + package_name]),         (‘share/’ + package_name, [‘package.xml’]),     ],     install_requires=[‘setuptools’],     zip_safe=True,     maintainer=’Your Name’,     maintainer_email=’your.email@example.com’,     description=’MobileRobot_py project with Command_node and Drive_node.’,     license=’Apache License 2.0′,     tests_require=[‘pytest’],     entry_points={         ‘console_scripts’: [             ‘command_node = MobileRobot_py.command_node:main’,             ‘drive_node = MobileRobot_py.drive_node:main’,         ],     }, )

ขั้นตอนที่ 5: Build Package

1. กลับไปยัง Workspace Directory: cd ~/ros2_ws
2. Build Package: colcon build
3. Source Workspace : source install/setup.bash

ขั้นตอนที่ 6: รัน Node ใช้ 2 Terminal ในการรัน Node:

Terminal 1: รัน drive_node:  ros2 run MobileRobot_py drive_node

Terminal 2: รัน command_node: ros2 run MobileRobot_py command_node

Note:

1. สามารถตรวจสอบการรับส่ง message ระหว่าง node ได้จากการใช้คำสั่ง ros2 topic list จะแสดงรายชื่อของ topic ที่มีการ publish ระหว่างแต่ละ node
2. ถ้าต้องการดูรายละเอียดของ topic (เช่น ชนิดของข้อความที่ใช้) ทำได้โดยใช้คำสั่ง ros2 topic info <topic_name>
3. ถ้าต้องการตรวจสอบข้อมูลในแต่ละ topic สามารถทำได้โดยใช้คำสั่ง ros2 topic echo <topic_name>

เมื่อรันเรียบร้อย คุณจะสามารถส่งคำสั่งผ่านแป้นพิมพ์เพื่อควบคุมหุ่นยนต์ได้ ดังรูป

สรุป

บทความนี้แสดงให้เห็นขั้นตอนการสร้าง ROS2 Package และ Node อย่างง่าย พร้อมตัวอย่างโค้ดที่ช่วยให้คุณเริ่มต้นใช้งาน ROS2 สำหรับการควบคุมหุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้ทันที!  ในบทความถัดไป จะทดลองควบคุมหุ่นยนต์โดยการย้าย/สร้าง drive_node บนหุ่นยนต์และรอรับคำสั่งจาก command_node บน PC เพื่อควบคุมหุ่นยนต์ผ่านการกด keyboard