RT-Thread+STM32实现智能车目标识别系统的教程

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gaosmile 发布时间：2020-5-14 17:29

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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。

图片来源网络，如有侵权请联系删除

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。
1 sudo sh -c 'echo "deb http://mirror.tuna.tsinghua.edu.cn/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

2 sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654
3 sudo apt update
4 sudo 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。

5 \1 N! B+ k Q2 j1 u1 ]6 c" l
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：
1 sudo rosdep init

2 rosdep update
3
4 echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc
5 source ~/.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：
1 roscore

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:http://www.armbian.com/
ROS Melodic 安装:http://wiki.ros.org/melodic/Installation/Ubuntu
( C0 U" l, C8 u# v: k/ H9 b7 I

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
. i# U3 K7 O2 Q D, I

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。
å¾®ä¿¡å¾ç_20200514172621.png

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。

, M6 I0 c; X/ ~, l
串口的配置：
1 menuconfig 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：
1 menuconfig 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 <rtthread.h>

2 #include <rtdevice.h>
3 #include <board.h>
4
5 #include <ros.h>
6 #include <std_msgs/Float64.h>
7 #include <geometry_msgs/Twist.h>
8 #include "motors.h"
9
10 ros::NodeHandle nh;
11 MotorControl mtr(1, 2, 3, 4); //Motor
12
13 bool msgRecieved = false;
14 float velX = 0, turnBias = 0;
15 char stat_log[200];
16
17 // 接收到命令时的回调函数
18 void 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
26 ros::Subscriber<geometry_msgs::Twist> sub("cmd_vel", velCB );
27
28 //Publisher
29 std_msgs::Float64 velX_tmp;
30 std_msgs::Float64 turnBias_tmp;
31 ros:

ublisher xv("vel_x", &velX_tmp);
32 ros:

ublisher xt("turn_bias", &turnBias_tmp);
33
34 static 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
74 int 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\n");
82    }
83    else
84    {
85       rt_kprintf("[rosserial] Failed to create thread rosserial\n");
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 <rtthread.h>

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.c
1#include <rtthread.h>

  2#include <rtdevice.h>
  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!\n", PWM_DEV_NAME);
27 }
28 rt_kprintf("pwm found %s device!\n", 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\n", (rt_int32_t)sL);
83 rt_kprintf("Speed Right: %ld\n", (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。

0 y: S: Z& o* P  `5 H  L
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：
1 tpl@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：
1 rosrun 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。
- O. \) a- F$ Q4 L1 L8 N# ]; f& j

2.4 参考文献

ros-pibot:http://github.com/wuhanstudio/ros-pibot
+ c) D, D6 \0 v$ d9 d* I5 U' M( ]

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:http://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。
1 h) `# V7 q( q- ^

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