Prima introduzione sul robotic operating system

2. Il sistema ROS
ROS -> Robotic Operating System. Non è un sistema operativo
bensì un framework per lo sviluppo di applicazioni robotiche
distribuite.
ROS è un prodotto open source rilasciato sotto licenza BSD.
ROS contiene tutta una serie di librerie e funzioni che permettono
di sviluppare applicativi in Python e C++.

3. Struttura base del ROS

4. Perché il ROS
Lo sviluppo di software robusto per il controllo di un robot è
un’attività che richiede il contributo di molte competenze
diverse (visione artificiale, navigazione, comunicazione,
controllo del moto,… solo per citarne alcune), spesso non
presenti all’interno di un unico team di lavoro.
Pertanto, con il passare degli anni è stato sempre più evidente
il bisogno di un ambiente che consentisse lo sviluppo del
software in modo collaborativo e facilmente integrabile. Il ROS
mette a disposizione alcune funzionalità fondamentali per
facilitare la modularità del software sviluppato, con particolare
attenzione alle convenzioni e alle funzionalità tipiche dei
dispositivi robotici.

5. Installazione del ROS
In queste slides verrà installato il ROS Melodic (una delle tante
distribuzioni del ROS) su una Raspberry PI3 Model B+ con
sistema operativo Ubuntu Mate 18.04.
Per prima cosa installare Ubuntu Mate su Raspberry.
Successivamente entrare nella voce «SOFTWARE&UPDATES»,
come mostrato di seguito:

6. Installazione del ROS
Selezionare tutti e 4 i repository come mostrato in
figura:

7. Installazione del ROS
Successivamente entrare nel terminale del
sistema operativo come mostrato di seguito:

8. Installazione del ROS
Per prima cosa, verificare se python è installato. Basta digitare
il comando python (l’interprete) da prompt dei comandi. Se
comparirà a video il prompt di Python con il simbolo >>> allora
Python è installato.
Successivamente, verificare che si abbiano tutti i repository del
caso in locale. Per quanto riguarda i repository, in Ubuntu ci
sono 4 repository di default:
MAIN -> repository per software free ed opensource per
sviluppatori Ubuntu
UNIVERSE -> per software free ed open source per la
community Ubuntu
RESTRICTED -> per software sotto licenza e device drivers
MULTIVERSE -> tutti i software sotto licenza

9. Installazione del ROS
Per aggiungere i repository in locale digitare nel terminale:
sudo add-apt-repository main
sudo add-apt-repository universe
sudo add-apt-repository restricted
sudo add-apt-repository multiverse

10. Installazione del ROS
Sempre da terminale, eseguire:
sudo apt update
E successivamente:
sudo apt upgrade
A questo punto, se tutto è andato a buon
fine digitare:
sudo apt-get install aptitude

11. Installazione del ROS
Digitare il seguente comando per accettare software da
packages.ros.org:
sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu
$(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-
latest.list'
E successivamente:
sudo apt-key adv --keyserver
'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key
C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654

12. Installazione del ROS
A questo punto sfruttare il seguente comando per installare il
ROS distribuzione Melodic:
sudo apt update
sudo aptitude install ros-melodic-desktop-full
Se tutto è andato a buon fine è possibile passare
all’installazione delle librerie ausiliarie molto importanti per il
ROS. In particolare, verificare i packages disponibili:
apt search ros-melodic

13. Installazione del ROS
Successivamente installare le librerie riguardanti ROS e Python:
sudo apt install python-rosdep python-rosinstall python-
rosinstall-generator python-wstool build-essential
A questo punto è possibile inizializzare il rosdep con il
seguente comando:
sudo rosdep init
rosdep update

14. Installazione del ROS
Digitare il comando:
source /opt/ros/melodic/setup.bash
Successivamente, installare tramite «aptitude» il seguente
pacchetto:
sudo aptitude install ros-melodic-roslaunch

15. Installazione del ROS
Nel caso in cui ci dovessero essere dei problemi
nell’installazione del ros-melodic legati ad eventuali
dipendenze o quant’altro è opportuno disintallare alcune
librerie Python e riprovare.

16. Funzionamento del ROS
Se c’è qualche errore analizzarlo e farsi aiutare da Internet. Molto
probabilmente mancano delle librerie. Può capitare anche un
errore del tipo: «compilatore c++ not able to compile simple
Program». In questo caso, provare provare a compilare un semplice
programmino cpp con g++ e vedere se ci sono errori.
Nel caso eseguire i seguenti comandi di aggiornamento:
sudo apt-get install build-essential
Sudo apt install software-properties-common -y
sudo add-apt-repository ppa:ubuntu-toolchain-r/test -y
sudo apt-get update sudo apt-get install gcc-snapshot -y

17. Funzionamento del ROS
E’ bene precisare che la struttura generale di un’applicazione
può essere vista come una rete di nodi, i quali, interconnessi fra
loro, scambiano messaggi all’interno di appositi bus ed accedono
a servizi messi a disposizioni da altri nodi.
Come primo step, una volta installato il ROS, è quello di provare
qualche comando e vedere qualche semplice esempio.
In particolare, usare il comando roscore,
per poter avviare il ROS master node.
Una volta avviato con successo è possibile iniziare a lavorare.

18. Funzionamento del ROS

19. Verifica versione ROS

20. Funzionamento del ROS
La struttura di base del ROS è piuttosto semplice. Essa è una rete
di nodi chiamati in modo generico ROSNODE. Il ROSCORE è il nodo
Master, ossia il nodo che gestisce le comunicazioni tra i ROSNODE.

21. Funzionamento del ROS
Il ROSNODE invece può essere un pacchetto fornito con il ROS o
Un pacchetto scritto dal progettista del software in C++ o Python.

22. Funzionamento del ROS
La comunicazione tra i vori nodi avviene tramite scambio di
messaggi. Quindi, per prima cosa, creare il catkin workspace
mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws
catkin_init_workspace
Ci sono due modi per l'organizzazione e la
compilazione del proprio codice in ROS:
• Catkin
• rosbuild

23. Funzionamento del ROS
Catkin di fatto è una raccolta di macro Cmake integrato nel ROS.
Cmake è un tool open source progettato per compilare, testare e
distribuire i propri pacchetti nel mondo Linux.
Mentre il tool make è stato pensato per chi sviluppa in C, Cmake
è stato pensato principalmente per chi sviluppa in C++. Il comando
catkin_init_worskpace permette di inizializzare l’ambiente
di sviluppo creando di fatto un file chiamato

24. Funzionamento del ROS
Per prima cosa creiamo da zero un nostro workspace come
mostrato di seguito.

25. Funzionamento del ROS
Digitare il comando seguente per creare ambiente di sviluppo,
debug e compilazione.

26. Funzionamento del ROS
Al termine dell’operazione, se tutto è andato a buon fine si
avranno le seguenti cartelle:
Nella cartella src si scriverà il nostro codice.

27. Funzionamento del ROS
Il file denominato CMakeLists.txt viene creato automaticamente.
L’ultima istruzione server per fare in modo di attivare sempre
il workspace creato quando si apre un nuovo terminale.

28. Funzionamento del ROS
CMakeList.txt -> contiene direttive utili al Cmake per capire
Cosa deve fare
Una volta eseguito il comando catkin_make è possibile visualizzare
La struttura della cartella catkin_ws costruita. Ci saranno tre
sottocartelle:
• Build
• Src
• Devel

29. Funzionamento del ROS
In ROS i vari nodi possono anche non risiedere sullo stesso
sistema. I componenti base di una architettura ROS sono:
• Package -> sono unità di codice e possono essere di sistema o
create dall’utente
• Repository -> è una collezione di package che condividono lo
stesso VCS
• Nodo -> eseguibile che può pubblicare messaggi
su un topic od iscriversi ad un topic.
• Topic -> contenitore di messaggi pubblicati da uno o più
nodi.

30. Funzionamento del ROS
• Messaggi -> tipo di dato usato dai nodi per scambiarsi info.
• Servizi -> messaggi di tipo client/server che si aspettano una
risposta dopo un dato inviato.

31. Funzionamento del ROS
A questo punto, si può provare a creare un package chiamato, per
Comodità, MyFirstPackage nel seguente modo:
catkin_create_pkg MyFirstPackage std_msgs rospy roscpp
Il package creato (comando da lanciare dalla cartella SRC) del
catkin workspace dipende da rospy, roscpp e std_msgs.
roscpp: pacchetto di riferimento che estende
il supporto alla programmazione C++;
rospy: analogo del precedente per Python;
std_msgs: pacchetto di comunicazione.

32. Ricapitolando…
Roscore -> servizio che gestisce la comunicazione tra i vari nodi.
Rosmaster -> è il ROS parameters server
Importante: Se si considera per esempio un rover (robot mobile)
e si desidera che i servomotori dialoghino con i sensori di distanza
Allora i servomotori avranno uno script che li gestisce (è un nodo
ROS) ed i sensori un altro script (un altro nodoROS).
Entrambi i nodi ROS dovranno comunicare con
Il nodo Master.

33. Creazione package
Come mostrato di seguito vediamo come creare un nuovo package

34. Creazione package
Tramite il comando catkin_create_pkg nome_pacchetto è
possibile creare un package con le dipendenze specificate:
• roscpp: pacchetto di riferimento che estende il supporto alla
programmazione C++;
• rospy: analogo del precedente per Python;
• std_msgs: pacchetto di comunicazione

35. Creazione package
Tramite il comando catkin_create_pkg nome_pacchetto è
possibile creare un package con le dipendenze specificate:
• roscpp: pacchetto di riferimento che estende il supporto alla
programmazione C++;
• rospy: analogo del precedente per Python;
• std_msgs: pacchetto di comunicazione
A questo punto ridigitare ancora catkin_make come
viene mostrato nella successiva slide:

36. Creazione package

37. Creazione package
I nodi, di fatto, sono dei programmi eseguiti all’interno dei
nostri package. Vediamo come creare un nodo in python.
Per prima cosa, i pacchetti sono l'unità principale per
l'organizzazione del software in ROS. Un pacchetto può
contenere processi runtime ROS ( nodi ), una libreria
dipendente da ROS, set di dati, file di configurazione o
qualsiasi altra cosa che sia organizzata in modo utile
insieme.

38. Creazione package
Il Computation Graph è il grafico che descrive la rete
peer-to-peer dei processi ROS che elaborano i dati
insieme. Tale rete è composta da nodi ossia processi che
eseguono calcoli. Ad esempio, un nodo controlla un
sensore di distanza, un nodo controlla i motori delle ruote,
eccetera. Un nodo ROS viene scritto con l'uso di una
libreria particolare come per esempio rospy o roscpp.
I nodi comunicano tramite scambio di messaggi. Un
messaggio è semplicemente una struttura dati.
Sono supportati i tipi primitivi standard
come, per esempio il tipo intero, booleano.

39. Creazione package
Solitamente un messaggio viene pubblicato su un
determinato topic. Un nodo interessato a un certo tipo di
dati si iscriverà al topic appropriato. L'idea è di separare
la produzione di informazioni dal suo consumo. il modello
di pubblicazione / sottoscrizione è un paradigma di
comunicazione molto. Quindi le tipologie di
comunicazione sono:
• Publish/subscribe: modalità di comunicazione
asincrona in broadcasting
• Service: modalità di comunicazione sincrona, secondo la
semantica request / reply.

40. Creazione package
• Publish / subscribe: Scrittura di un messaggio su di un topic
messo a disposizione dal roscore.
Tutti i nodi che desiderano ricevere il messaggio possono
richiederlo al roscore.
• Service: Un nodo invia una richiesta a tutti i nodi in grado di
soddisfarla. Da questi nodi riceverà una risposta.

41. Creazione package
• La creazione di un package avviene con il comando
seguente.

42. Creazione package
• Eseguire catkin_make per compilare il tutto. Una volta
compilato, se non sono sorti degli errori è possibile avviare
il package appena creato.
• Ogni directory di un pacchetto possiede i seguenti files:

43. Creazione package
roslaunch è uno strumento importante che gestisce
l'avvio e l'arresto dei nodi ROS. Prende uno o più file "*
.launch" come argomenti. Quindi, roslaunch utilizza i
cosiddetti “launch file” che sono file XML contenenti la lista dei
nodi da lanciare con i rispettivi parametri.
Editare nella cartella SRC il file chiamato test.py nel
seguente modo:

44. Creazione package
Creare una cartella chiamata «launch» come
mostrato di seguito:
• All’interno della cartella appena creata, creare un file
chiamato test.launch

45. Creazione package
Esecuzione package:
Se si desidera creare un topic e pubblicarlo si usa il
seguente comando:

46. RosSerial
RosSerial è un pacchetto che permette di utilizzare ROS su
Arduino.
La slide successiva mostra come installare ROSSerial sfruttando
la versione già installata del ROS (per esempio la distribuzione
Melodic).

47. RosSerial

48. RosSerial
Seguire le istruzioni di installazione riportate sul sito seguente:
http://wiki.ros.org/rosserial_arduino/Tutorials/Arduino%20IDE%20Setup#Installing_the_Software
Successivamente, dopo aver installato l’IDE Arduino, avviarlo e
selezionare un esempio da ROS_LIB come mostrato di seguito:

49. RosSerial

50. RosSerial
Avviare, in una schermata di terminale roscore. Verificare in
un’altra schermata la lista dei topic.

51. RosSerial

52. RosSerial

53. RosSerial
Riassumendo…. Si avvia il nodo master con Roscore, si avvia il
programma client rosserial per la gestione/trasmissione dei
messaggi, ed infine si utilizza il comando rostopic pub per
inviare un messaggio di prova.